Детонационные двигатели заменят ядро газотурбинных

Американская компания Aerojet Rocketdyne получила контракт Национальной лаборатории энергетических технологий США на разработку новой газотурбинной энергетической установки на базе ротационного детонационного двигателя. Как пишет Aviation Week, работы, по итогам которых будет создан прототип новой установки, планируется завершить к середине 2019 года. По предварительной оценке, газотурбинный двигатель нового типа будет иметь по меньшей мере на пять процентов лучшие характеристики, чем обычные такие установки.

Современные газотурбинные работают по принципу преобразования энергии расширяющегося нагретого газа в механическую работу. В таких установках предварительно сжатый атмосферный воздух подается в камеру сгорания, где смешивается с топливом. Затем эта смесь поджигается и, сгорая, образует большое количество газообразных продуктов горения, которые выходят из сопла под большим давлением. На выходе эти газы вращают турбину, часть механической работы которой передается на приводимый агрегат, например, электрогенератор.

Та часть двигателя, которая отвечает за подачу воздуха, его смешивание с топливом и сгорание, называется газогенератором, или ядром установки. Фронт горения в топливно-воздушной смеси в камере сгорания газогенератора современных двигателей распространяется со скоростью, меньшей скорости звука. Такой процесс горения называется дефлаграцией. В работающем газотурбинном двигателе процесс горения поддерживается постоянно.

В новой газотурбинной установке, разрабатываемом Aerojet Rocketdyne, горение топливно-воздушной смеси в камере сгорания будет детонационным. Так называется процесс, при котором фронт горения распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью. При детонации выделяется существенно большее количество энергии, чем при дефлаграции — это связано с тем, что в первом случае топливо сгорает полнее. В новой установке детонация в камере сгорания будет постоянной, что позволит существенно упростить конструкцию.

Сегодня разрабатываются два типа детонационных двигателей: пульсирующие и ротационные. В пульсирующих топливно-воздушная смесь подается готовой в камеру сгорания через равные промежутки времени. Между каждой подачей смесь детонирует, а продукты ее сгорания выводятся импульсами. Пульсирующие детонационные двигатели не пригодны к использованию в качестве газогенераторов в газотурбинных установках, поскольку высокочастотные пульсации приведут к быстрому разрушению лопаток турбины и нестабильной работе установки.

В ротационных двигателях, первые из которых разрабатывались в СССР в 1950-х годах, используется кольцевая камера сгорания. В ней топливная смесь подается последовательно через радиально расположенные клапаны. Во время работы двигателя детонационная волна «обегает» кольцевую камеру сгорания, причем топливная смесь за ней успевает обновиться. При этом в камеру сгорания ротационного двигателя не нужно подавать готовую топливную смесь — фронт высокого давления, движущийся перед детонационной волной, эффективно смешивает необходимые компоненты.

Продукты сгорания в ротационном детонационном двигателе покидают камеру сгорания постоянно. Это позволяет использовать их в качестве газогенератора в газотурбинной установке. На разработку детонационной газотурбинной установки планируется потратить 6,8 миллиона долларов. Помимо Aerojet Rocketdyne к проекту новой детонационной газотурбинной установки будут привлечены несколько американских университетов. В частности, в Университете Пердью будут проводиться испытания детонационного газогенератора совместно с многокаскадной турбиной.

Помимо Aerojet Rocketdyne разработкой детонационной газотурбинной установки занимается Научно-исследовательская лаборатория ВМС США. Американские военные намерены использовать такие установки на надводных кораблях вместо традиционных газотурбинных двигателей. Разработчики полагают, что создание ротационного детонационного газогенератора позволит существенно уменьшить размеры газотурбинных установок. Благодаря установке новых двигателей на корабли ВМС США рассчитывают высвободить больше места на них.

Между тем, в августе текущего года российская специализированная лаборатория «Детонационные ЖРД» испытала первый в мире полноразмерный демонстратор технологий детонационного жидкостного ракетного двигателя, работающего на топливной паре кислород-керосин. Новая силовая установка позволит заменить в перспективных ракетах-носителях обычные жидкостные ракетные двигатели. Благодаря этому новые носители можно будет сделать компактнее и легче.