Что такое детонационный ракетный двигатель

В космосе надвигается революция

В России близки к воплощению в жизнь сразу нескольких линеек двигателей для космических аппаратов

Испытательный комплекс «Ресурс» будет построен в Сосновом Бору к 2018 году. О соответствующем конкурсе на выполнение строительно-монтажных и пусконаладочных работ объявил сегодня Научно-исследовательский технологический институт им. А.П. Александрова (НИТИ) — единственный в России научно-технологический центр комплексных испытаний корабельных ядерных энергетических установок (ЯЭУ) и доведения их на стендах-прототипах до требуемого уровня надежности и безопасности.

Это сообщение могло бы остаться незамеченным, если бы… Если бы речь не шла о комплексе по испытанию ядерного двигателя для космических кораблей!

И это — хороший повод посмотреть, а что же вообще делается в российском космическом двигателестроении. Ибо есть ощущение, что Россия обходит в этой области всех конкурентов.

Первый в мире детонационный

Первый в мире детонационный ракетный двигатель испытан в России еще в августе. Однако сегодня накопились данные, позволяющие предполагать, что уже в ближайшем будущем можно ожидать массированных прорывов в космическом двигателестроении. А это, в свою очередь, обещает революцию в освоении космоса. Как минимум разрешения «марсианского проклятия» — ситуации, когда слишком длительный полет к этой планете на современных кораблях ставит под угрозу жизни космонавтов из-за запредельной дозы космического радиационного излучения.

Разумеется, новые двигатели пригодны не только для космоса, но и для земных нужд — прежде всего, оборонных.

В конце августа 2016 года в НПО «Энергомаш» в подмосковных Химках был запущен первый в мире жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с использованием детонационного горения топлива. Причем двигатель полноразмерный — не модель и не макет.

Что такое — детонационный двигатель?

Фото: Алексей Филиппов/ТАСС

Собственно, то же, что и обычный, в котором энергия рождается за счет сжигания топлива. Возникает стационарный фронт пламени, горение в котором происходит при неизменном давлении. Детонация — тоже процесс горения, но такого быстрого, что вместо стационарного фронта пламени в топливной смеси формируется волна сжатия, в которой и происходит практически взрыв смеси горючего и окислителя. Давление для более эффективного сгорания рождает сама детонация. Поэтому если взрывная волна распространяется со скоростью звука, то детонационная — с быстротой до 2,5 км/с.

Благодаря этому эффективность процесса сгорания топлива повышается на 25-30 процентов в сравнении с обычным ЖРД. То есть при том же количестве горючего возникает больше тяги. Из-за того же, что зона горения получается более компактной, детонационный двигатель по мощности на единицы объема может на порядок превосходить обычные.

Примечательно, что и в теории этого процесса приоритет — за отечественной наукой: сама идея была предложена советским физиком академиком Яковом Зельдовичем из Института химической физики АН СССР еще в 1940 году.

В чем еще принципиальная важность события в Химках? Как рассчитывают специалисты, практическое внедрение детонационных двигателей поможет преодолеть кризис не только в пилотируемой космонавтике, которая, по сути, с 1972 года топчется на земной орбите, но и в авиации, двигатели которой тоже достигли своих технологических пределов.

Еще одно преимущество — эффективное снижение сложности конструкции. Одной из главных проблем нынешних ЖРД является необходимость подавать топливо в камеру сгорания при большом давлении. Естественно, чем мощнее двигатель, тем давление должно быть больше, тем сложнее должен быть механизм его подачи, тем мощнее турбонасосный агрегат (ТНА). И так далее — по всем законам техники: чем сложнее агрегат, тем больше усилий — и денег! — надо вложить в его создание, управление и эксплуатацию. И в этом смысле детонационный двигатель не только мощнее и экономичнее обычного ЖРД, но и гораздо проще и дешевле.

Впрочем, предостерегают ученые и инженеры НПО «Энергомаш», успехом испытаний не стоит обольщаться: путь до использования этой технологии в составе реальных космических ракет и других летательных аппаратов предстоит еще долгий. Но главное все же — что он уже открыт. Детонационный двигатель — уже не теория. И приоритет в его практической разработке — навсегда у России.

Ядерный ракетный двигатель

А вот еще одной отечественной разработке пытаются закрыть путь в космос уже через законодательные меры. Условия примерно те же: Россия вырвалась вперед в разработке ядерной электродвигательной установки (ЯЭДУ) для космических аппаратов. Запад отстает. Причем так далеко, что как бы и не навсегда. Во всяком случае, если Россия планирует создание космического аппарата с ЯЭДУ к 2025 году, а действующий образец должен быть построен к 2018 году, то ни США, ни какая другая страна Запада вообще не ведут разработок в этой области. И тут же целый ряд стран выступили в ООН с предложением пересмотреть принципы, касающиеся использования ядерных источников в космосе.

В принципе, тема эта не новая, работы такие велись еще в СССР, было построено пять таких энергоустановок. Но в 1989 году работы были свернуты. Возобновились они в 2010 году, о чем было заявлено на заседании президиума Российской академии наук.

Такой двигатель необходим вновь для дальних космических экспедиций. Нет, ему и на орбите найдется применение — в силу его куда большей энергетической эффективности, нежели нынешние солнечные батареи. Так, специалисты немедленно приводят такой пример: для того чтобы энерговооруженность Международной космической станции достигла своего нынешнего — кстати, очень недостаточного — значения, 110 киловатт, оказалось необходимым развернуть вокруг МКС солнечные панели общей площадью 70 на 17 метров. Больше 1000 квадратных метров! А вот ЯЭДУ позволит выйти на новый порядок энерговооруженности — на мегаваттные мощности.

Это тем более важно, что при полетах к Марсу космический корабль от Солнца будет удаляться. Значит, для поддержания одного и того же уровня энергии площадь солнечных батарей нужно увеличивать. А этот процесс не может длиться до бесконечности — упрется в технологические пределы.

Наконец, ядерный двигатель решает две проблемы — создает постоянную тягу, так что космонавтам не нужно будет полтора года болтаться в невесомости, и сокращает время полета, благодаря чему экипаж успеет не нахвататься протонов и прочих тяжелых частиц сверх безопасного предела.

Головной организацией по созданию самой энергодвигательной установки является ФГУП «Центр Келдыша». Работы финансируются из бюджета Федеральной космической программы на 2016-2025 годы. Стоимость работ — в районе 23 миллиардов рублей.

А это уже не те деньги, что можно позволить себе спустить в трубу из-за протестов каких-то «зеленых», практически все из которых кормятся из рук западных спецслужб, что не раз и не два доказывалось в ходе журналистских расследований.

Так что здесь, скорее всего, российский приоритет останется неоспоримым, а космический корабль с ядерным двигателем позволит России первой запустить своих граждан к Марсу.

Наконец, комбинированный

Наконец, третья линейка двигателей, в том числе и для космоса, также почти создана в России. Во всяком случае еще летом комбинированный двигатель, с помощью которого самолеты смогут выполнять полеты и в атмосфере, и в ближнем космосе, был представлен на форуме «Армия-2016». А сообщение об этом звучало с уровня командующего Ракетными войсками стратегического назначения (РВСН) Сергея Каракаева.

Командующий Ракетными войсками стратегического назначения Сергей Каракаев

«В филиале Военной академии РВСН им. Петра Великого, город Серпухов, разработан двигатель для перспективного воздушно-космического самолета, — рассказал тогда он. — Данное ноу-хау позволило решить задачу создания комбинированной силовой установки летательного аппарата для перевода двигателя с воздушного режима работы при полете в атмосфере на ракетный — в космическом пространстве».

Правда, потом прошел ряд не слишком убедительных публикаций, призванных опровергнуть слова генерала, что модель прошла огневые испытания и «работоспособность агрегата доказана». Но здесь, собственно, детали конкретных испытаний и обеспечения режима секретности не столь важны. Информированным военным обозревателям вполне точно известно, что ежели о какой-то разработке начинают говорить военные — значит, она не просто возможна и близка к воплощению в металле.

Нет, это значит, что у армии убежденность в такой возможности достаточно велика, чтобы она выделила на нее деньги. И убежденность в ее пользе для обороны — тоже. Скажем, на тот же детонационный двигатель армия денег пока не дала. Во всяком случае — по сообщениям открытых источников.

Тем не менее в целом развитие космического двигателестроения в России явно идет вперед и в правильном направлении. Закрываются все уровни и высоты — от взлета с земли до выхода на орбиту и далее — в межпланетное пространство.

Может быть, в Россию приходит время для возвращения в обиход романтичных песенок о яблонях на Марсе и наших следах на пыльных тропинках далеких планет?

Новые возможности

Почему на детонационные двигатели возлагают большие надежды? По расчетам ученых, их мощность будет в 10 тыс. раз больше, чем мощность существующих ракетных двигателей. При этом они будут потреблять гораздо меньше топлива, а их производство отличится низкой стоимостью и рентабельностью. С чем это связано?

Все дело в реакции окисления горючего. Если в современных ракетах используется процесс дефлаграции – медленное (дозвуковое) горение топлива при постоянном давлении, то детонационный ракетный двигатель функционирует за счет взрыва, детонации горючей смеси. Она сгорает со сверхзвуковой скоростью с выделением огромного количества тепловой энергии одновременно с распространением ударной волны.Разработкой и испытанием российского варианта детонационного двигателя занималась специализированная лаборатория «Детонационные ЖРД» в составе производственного комплекса «Энергомаш».

Из истории данного вопроса

Ракетный двигатель – один из старейших видов двигателя, известных человечеству. Мы не можем точно ответить на вопрос, когда именно была изготовлена первая ракета. Есть предположение, что это сделали еще древние греки (деревянный голубь Архита Тарентского), но большинство историков считает родиной данного изобретения Китай. Это произошло примерно в III столетии нашей эры, вскоре после открытия пороха. Первоначально ракеты использовали для фейерверков и других развлечений. Пороховой ракетный двигатель был достаточно эффективен и прост в изготовлении.

Считается, что эти технологии попали в Европу где-то в XIII веке, их изучением занимался английский естествоиспытатель Роджер Бэкон.

Первая боевая ракета была разработана в 1556 году Конрадом Хаасом, который придумывал различные виды вооружений для императора Фердинанда I. Этого изобретателя можно назвать первым создателем теории ракетных двигателей, также он является автором идеи многоступенчатой ракеты – в трудах Хааса подробно описан механизм работы летательного аппарата, состоящего из двух ракет. Изыскания продолжил поляк Казимир Семенович, живший в середине XVII века. Однако все эти проекты так и остались на бумаге.

Практическое использование ракет началось только в XIX столетии. В 1805 году британский офицер Уильям Конгрив продемонстрировал пороховые ракеты, которые имели небывалую по тем временам мощность. Презентация произвела должное впечатление, и ракеты Конгрива были приняты на вооружение английской армии. Их главным преимуществом, по сравнению со ствольной артиллерией, была высокая мобильность и относительно небольшая стоимость, а основным недостатком – кучность огня, которая оставляла желать лучшего. К концу XIX века широкое распространение получили нарезные орудия, стрелявшие очень точно, поэтому ракеты были сняты с вооружения.

Примерно так использовались ракеты Конгрива. Современная реконструкция

В России данным вопросом занимался генерал Засядко. Он не только усовершенствовал ракеты Конгрива, но и первым предложил использовать их для полета в космос. В 1881 году российский изобретатель Кибальчич создал собственную теорию ракетных двигателей.

Огромный вклад в развитие этого направления техники внес еще один наш соотечественник – Константин Циолковский. Среди его идей жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), работающий на смеси кислорода и водорода.

В начале прошлого столетия энтузиасты во многих странах мира занимались созданием жидкостного РД, первым добился успеха американский изобретатель Роберт Годдард. Его ракета, работающая на смеси бензина и жидкого кислорода, успешно стартовала в 1926 году.

Вторая мировая война стала периодом возвращения ракетного оружия. В 1941 году на вооружение Красной армии была принята установка залпового огня БМ-13 – знаменитая «Катюша», а в 1943 – немцы начали использование баллистической Фау-2 с жидкостным ракетным двигателем. Она была разработана под руководством Вернера фон Брауна, который позже возглавил американскую космическую программу. Германией также было освоено производство КР Фау-1 с прямоточными реактивным мотором.

Ракета Фау-2. Немцы называли ее «оружие возмездия». Правда, оно не слишком помогло Гитлеру

После окончания войны между СССР и США началась настоящая «ракетная» гонка. Советскую программу возглавил Сергей Королев – выдающийся конструктор ракетных двигателей, именно под его руководством была создана отечественная МБР Р-7, а позже запущен первый искусственный спутник и осуществлен полет человека в космос.

В разные годы предпринимались попытки создания ракетных двигателей, работающих за счет энергии ядерного распада (синтеза), но до практического применения подобных силовых установок дело так и не дошло. В 70-е годы в СССР и США началось использование электрических ракетных двигателей. Сегодня они применяются для коррекции орбит и курса космических аппаратов. В 70-е и 80-е годы были эксперименты с плазменными РД, считается, что они имеют хороший потенциал. Большие надежды связывают с ионными ракетными двигателями, использование которых теоретически может значительно ускорить космические аппараты.

Однако пока почти все эти технологии находятся в зачаточном состоянии, и основным транспортным средством покорителей космоса остается старая добрая «химическая» ракета. В настоящее время за титул «самый мощный ракетный двигатель в мире» соревнуется американский F-1, участвовавший в лунном проекте, и советский РД-170/171, который использовался в программе «Энергия-Буран».

Аэродинамические рули

Как сделать полет ракеты управляемым? Если сделать стабилизатор подвижным, получится аэродинамический руль.

Стабилизаторы похожи на рули, но с их помощью нельзя управлять полетом, просто потому, что они неподвижны. Изменения положения плоскости руля создает на нем подъемную силу, которая и меняет траекторию движения. Просто и эффективно, но есть одно но.

Ракета ЗРК C-175 «Нева». Хорошо видно рулевые поверхности

Боевым зенитным ракетам, например, нужно быть верткими и быстрыми. Чтобы, во-первых, догнать самолет, а, во-вторых, попасть в него, когда он начнет уклонятся от атаки.

Чтобы хорошо маневрировать можно просто увеличить площадь оперения (или количество «перьев»), тогда оно будет создавать большую силу, ракета будет поворачивать быстрее. Но чем больше стабилизатор, тем больше аэродинамическое сопротивления — меньше скорость, а при этом еще и больше расход топлива, что означает меньшую дальность.

И даже для не боевых ракет, большие стабилизаторы это и хорошо и плохо одновременно.

Решетчатые рули

Такое оперение обладает преимуществом на больших углах атаки (когда ракета сильно разворачивается относительно первоначального направления движения) из-за отсутствия «срыва потока» , более компактные и прочные, их легче складывать. Управляется лучше, но сопротивление никуда не девается. Интересно, что используется такое устройство не только военными.

Советско-Российская ракета «воздух-воздух» P-77

Стоит отметить факт, что такие стабилизаторы были созданы в СССР в 50-60-х годах ХХ века в инициативном порядке. История создания решетчатых рулей наглядно показывает, как сложно преодолеть инертность мышления.

По воспоминаниям разработчиков, основным аргументов противников внедрения инновационной техники было то, что «на западе таких крыльев нет».

Спускаемый аппарат Союз

Но теперь есть и «на западе» тоже. Вот, например, знаменитый Фалькон 9 от Илона Маска.

Ракета Falcon 9. Решетчатые рули а 21-м веке

Устройство датчика детонации

Устройство широкополосного датчика детонации:

1. Контактные шайбы, являющиеся выводами для регистрации напряжения.
2. Пьезоэлемент.
3. Инерционная масса, воздействующая при вибрациях на чувствительный элемент.
4. Тарельчатая пружина, обеспечивающая прилегание инерционной массы к чувствительному элементу.
5. Болт крепления.
6. Корпус.
7. Электрический разъем.

Устройство ДД резонансного типа:

• корпус с резьбой;
• пьезоэлектрический кристалл;
• пружина;
• шунтирующий резистор;
• электрический разъем;
• подвижная опора;
• резистор.

Датчик детонации двигателя стоит непосредственно в блоке, вблизи одного из цилиндров. На V-образных моторах датчиков будет как минимум 2 – по одному на каждую ГБЦ соответственно.

Определение воспламеняемости дизельного топлива

Воспламеняемость дизельного топлива выражается с помощью цетанового числа (CZ). Оно означает, что дизельное топливо имеет такую же склонность к воспламенению, что и определенная сравнительная смесь из цетана и a-метилнафталина. Легковоспламеняемым реагентом смеси является цетан. Он имеет цетановое число 100, в то время как л-метилнафталин — цетановое число 0. Таким образом, например, цетановое число CZ = 55 означает, что дизельное топливо имеет такую же склонность к воспламенению, что и сравнительная смесь из 55% (объемных долей) цетана и 45% (объемных долей) a-метилнафталина. Воспламеняемость повышается при росте цетанового числа.

Определение цетанового числа выполняется так же, как и определение октанового числа бензина с помощью эталонного двигателя, специально предназначенного для этих замеров. Используются двигатель для оценки детонационной стойкости бензинов по методу компании «BASF» и стандартный двигатель для оценки детонационной стойкости топливных материалов — одноцилиндровые четырехтактные дизельные двигатели с устройством для регулирования конечного давления сжатия. В то время, как в двигателе компании «BASF» конечное давление сжатия регулируется с помощью ограничения впускаемого воздуха, в стандартном двигателе регулировка выполняется путем изменения степени сжатия.

Ниже измерение цетанового числа 1952/54 описывается на примере испытательного двигателя, разработанного компанией «BASF» — четырехтактного дизельного двигателя с вихревой камерой сгорания и системой испарительного охлаждения. Он работаете частотой вращения коленчатого вала приблизительно 1000 мин а тормозной генератор создает момент сопротивления. Сначала в двигатель подается исследуемое дизельное топливо. Впрыскиваемое количество должно быть отрегулировано согласно расходу 8 ± 0,3 см3/мин, а момент впрыскивания — на 20° угла поворота коленчатого вала к верхней мертвой точке. Во впускном коллекторе двигателя установлена дроссельная заслонка, а перед ней — измерительный диффузор. подключенный к вакуумметру. Дроссельная заслонка закрывается, уменьшая тем самым давление сжатия, пока задержка воспламенения дизельного топлива не будет равна 20° угла поворота коленчатого вала к верхней мертвой точке, а горение не начнется точно в верхней мертвой точке поршня. Величина разрежения отображается на дисплее вакуумметра. Воспламеняемость дизельного топлива высока, когда разрежение имеет низкое значение. Тогда через диффузор проходит лишь небольшое количество воздуха, и конечное давление сжатия — низкое.

По окончании измерения дизельного топлива впрыскиваются две сравнительные смеси при тех же условиях. Цетановое число сравнительных смесей должно различаться всего на четыре единицы. Кроме того, цетановое число дизельного топлива должно находиться в диапазоне между цетановыми числами двух сравнительных смесей. На основании зафиксированных показаний вакуумметра цетановое число дизельного топлива рассчитывается посредством линейной интерполяции и округляется до целого числа.

Цетановые числа современного дизельного топлива составляют 50-55 единиц.

Проверка работоспособности и замена

Поэтому в обязательном порядке при появлении указанных признаков, проверяется работоспособность этого датчика детонации. А сделать это можно двумя способами.

1. Первый заключается в замере сопротивления ДД. Для этого необходимо подключить к его выводам мультиметр, выставленный на проверку сопротивления с уровнем измерения до 2 кОм. После подключения на дисплей выведется значение сопротивления датчика. Затем необходимо несильно постучать по нему ключом или небольшим молоточком. Из-за ударов пьезоэлемент будет срабатывать, что привет к увеличению сопротивления. У исправного датчика значение должно повышаться при ударе и сразу же возвращаться к обычному значению. Если сброса сопротивления не происходит – датчик неисправен.
2. Второй способ лучше, поскольку позволяет оценить исправность датчика на работающем двигателе, что дает более точную информацию о его состоянии. Для этого необходимо запустить мотор и установить 1500-2000 об/мин на тахометре. При этом обороты должны держаться стабильно и не плавать. Далее подбираемся к установленному на моторе датчику и ключом или молоточком наносим по нему несильные удары. Если устройство исправно, то он воспримет эти удары за детонацию и передаст сигнал на ЭБУ, а тот уже скорректирует угол. Из-за этого обороты двигателя понизятся, а после прекращения постукиваний, они вернутся до заданного значения.

Таким простыми способами можно проверить датчик детонации двигателя. Единственная проблема, которая может возникнуть при проверке или замене – это место расположения. У 8-клапанных двигателей обычно до него добраться несложно. А вот у моторов на 16 клапанов он обычно располагается под выпускным коллектором, поэтому доступ до него затруднителен.

ДД ремонту не подлежит, поэтому при выявлении его неисправности он просто заменяется. И сделать это было бы нетруддно, если бы ни неудобное его расположение. В некоторых случая добраться до него можно только из-под автомобиля.

Но сама замена – простая. Отсоединяется фишка с проводкой, а затем выкручивается болт крепления или сам датчик (зависит от его конструкции). После на место устанавливается новый элемент и подключается к проводке.