Разработка в США пульсирующих детонационных двигателей

Подполковник О. Кайнов

В течение последнего десятилетия в США различными фирмами в инициативном порядке проводятся независимые НИОКР в области создания пульсирующих детонационных двигателей (ПДЦ), которые смогут заменить газогенераторы в реактивных силовых установках (СУ).
В отличие от обычного прямоточного воздушно-реактивного двигателя, для которого необходимо создание в камере сгорания избыточного давления, образуемого на достаточно больших скоростях полета за счет сжатия набегающего потока воздуха в воздухозаборнике, новая силовая установка обладает возможностями запуска на земле при нулевой скорости и управления тягой в широком диапазоне высот и скоростей полета.

Конструктивно ПДД включает в свой состав три выполненных в одном силовом корпусе (трубе) важных элемента - воздухозаборник, камеру сгорания (или детонационную камеру), реактивное сопло, а также систему управления. Принцип его работы основан на создании периодических импульсов тяги, возникающей за счет высокой скорости выхода из сопла горячих газов (в данном случае в виде взрывной волны).

Горение топливовоздушной смеси в ПДД осуществляется путем распространения сверхзвуковой детонационной волны, что обеспечивает создание большего по сравнению с дозвуковым горением давления, а следовательно, извлечение большего количества энергии и увеличение производительности. При этом на 5-15 проц. уменьшается удельный расход топлива, так как в таком двигателе почти нет подвижных частей.
Поступающий через воздухозаборник воздух смешивается в детонационной камере с впрыскиваемым топливом, объем которого дозируется специальным клапаном, работающим по командам системы управления. Образовавшаяся топливно-воздушная смесь поджигается и детонирует. Возникающая при этом взрывная волна распространяется с большой сверхзвуковой скоростью (1 500-2 000 м/с) по тракту двигателя и выходит через реактивное сопло, создавая необходимую тягу. Благодаря высокой скорости истечения газов давление в детонационной камере снижается. В результате этого обеспечивается поступление очередной порции воздуха через воздухозаборник. Система управления обеспечивает впрыск топлива, и рабочий цикл двигателя, длительность которого измеряется несколькими миллисекундами, повторяется.

Принципиальная схема работы ПДД

Для увеличения мощности СУ несколько таких труб объединяют в одном двигателе.

В настоящее время в НИЦ фирмы «Дженерал электрик» (штат Нью-Йорк) ведется подготовка к подключению экспериментального трехтрубного ПДД к небольшой турбине диаметром 130 мм и динамометру с целью проверки, насколько эффективно осевая турбина извлекает мощность из быстрой пульсации. Каждая из труб запускается поочередно 20 раз в секунду, обеспечивая частоту работы 60 Гц. Компания в течение десяти лет выполняет исследования в этой области и по контракту с НАСА уже продемонстрировала первый многотрубный гибридный ПДД-ГТД. В нем было использовано восемь труб с кольцевой схемой расположения в сочетании с осевой одноступенчатой турбиной наддува. Работая на этилене в качестве топлива, гибридный двигатель достигал кратковременной мощности 750 и 350 л. с. в течение более длительного периода.

Демонстрационные испытания пятитрубного ПДД: А - вид спереди; Б - вид сзади

Самолет Long-EZ, оснащенный поршневым двигателем с толкающим винтом

Его суммарная наработка составила 144 мин.

В авиационных областях применения разработчики нацелены на использование высокооктановых видов углеводородного топлива. Кроме того, проводятся работы по сокращению временного интервала между воспламенением и детонацией, что позволит укоротить трубы, а следовательно, уменьшить массу и увеличить частоту зажигания ПДД.

Специалисты компании «Дженерал электрик» полагают, что газогенераторы, работа которых основана на принципе пульсирующей детонации, могут в ближайшие 10 лет найти применение в промышленных газотурбинных установках на базе авиационных двигателей, что позволит накопить опыт их эксплуатации до использования в авиации, где оно ожидается в ближайшие 20 лет.

Другая компания - ISS (Innovative Scientific Solutions) на базе НИИ ВВС США разработала и подготовила свой ПДД к летным испытаниям.
31 января 2008 года был поднят в воздух самолет Long-EZ, принадлежащий фирме «Скейлд композитс». Самолет взлетел с ВПП длиной около 3 750 м испытательного центра в пустыне Мохаве (штат Калифорния) и совершил прямолинейный горизонтальный полет на высоте около 30 м. При этом была достигнута тяга ПДД около 0,9 кН.

Для проведения летных испытаний он подвергся существенным доработкам. Поршневой двигатель 0-235 «Текстрон-Лайкоминг» с толкающим винтом' был заменен четырехтрубным ПДД с рабочей частотой 80 Гц. Для уменьшения длины разбега при взлете самолет был также оснащен реактивным ускорителем.

Работой клапанов и компрессоров ПДД управляла двухтактная вспомогательная СУ фирмы «Хирт», которая представляет собой в значительной степени модифицированный 16-клапанный двигатель внутреннего сгорания с двумя верхними распределительными валами автомобиля «Понтиак» фирмы «Дженерал моторс». Для уменьшения аэродинамического сопротивления вокруг ПДД был установлен обтекатель. Скорость отрыва составила 137 км/ч, через несколько секунд самолет развил скорость 240 км/ч, при этом массовый расход топлива составил около 0,73 кг/с, а уровень шума 195-200 дБ.

Главными целями испытаний было продемонстрировать принципиальную возможность использования ПДД для оснащения самолета, а также показать, что уровень шума и вибрации является допустимым для пилотируемого полета. Испытания подтвердили также правильность замены топлива для улучшения детонационных характеристик топливо-воздушных смесей.

В 2003-2004 годах испытания ПДД проводились на авиационном бензине. Во время летных испытаний ПДД работал на пропане, хотя, как показали исследования, наилучшие характеристики воспламенения и детонации имеет водород. За ним следуют этилен, пропан, авиационный бензин, реактивное топливо JP-8 и синтетическое топливо S-8, полученное по методу Фишера-Тропша. Несмотря на то что конкретных планов продолжения летных испытаний ПДД пока нет, фундаментальные исследования в этой области будут продолжены.

Зарубежное военное обозрение №12 2008 С.60-62