Obstoječi pogonski sistemi za letalstvo in rakete kažejo zelo visoko zmogljivost, vendar so se približali meji svojih zmogljivosti. Za nadaljnje povečanje parametrov potiska, ki ustvarja temelje za razvoj letalske raketne in vesoljske industrije, so potrebni drugi motorji, vklj. z novimi načeli dela. Veliki upi se polagajo na t.i. motorji za detonacijo. Takšne sisteme impulznega razreda že preizkušajo v laboratorijih in na letalih.
Fizikalna načela
Obstoječi in delujoči motorji na tekoče gorivo uporabljajo podzvočno zgorevanje ali deflagracijo. Kemična reakcija, ki vključuje gorivo in oksidant, tvori fronto, ki se skozi zgorevalno komoro premika z podzvočno hitrostjo. To zgorevanje omejuje količino in hitrost reaktivnih plinov, ki iztekajo iz šobe. V skladu s tem je tudi največji potisk omejen.
Alternativa je detonacijsko zgorevanje. V tem primeru se reakcijska fronta premika z nadzvočno hitrostjo in tvori udarni val. Ta način zgorevanja poveča donos plinastih produktov in poveča oprijem.
Detonacijski motor je lahko izdelan v dveh različicah. Hkrati se razvijajo impulzni ali pulzirajoči motorji (IDD / PDD) in rotacijski / vrtljivi. Njihova razlika je v načelih zgorevanja. Rotacijski motor vzdržuje stalno reakcijo, medtem ko impulzni motor deluje z zaporednimi "eksplozijami" mešanice goriva in oksidanta.
Impulzi tvorijo potisk
Teoretično njegova zasnova ni nič bolj zapletena od tradicionalnega raketnega motorja na ramjet ali na tekoče gorivo. Vključuje zgorevalno komoro in sklop šob ter sredstva za dovod goriva in oksidanta. V tem primeru veljajo posebne omejitve glede trdnosti in trajnosti konstrukcije, povezane s posebnostmi delovanja motorja.
Med delovanjem injektorji dovajajo gorivo v zgorevalno komoro; oksidant se dovaja iz ozračja z napravo za dovod zraka. Po nastanku zmesi pride do vžiga. Zaradi pravilne izbire sestavnih delov goriva in deležev zmesi, optimalnega načina vžiga in konfiguracije komore nastane udarni val, ki se premika v smeri šobe motorja. Trenutna raven tehnologije omogoča doseganje valovne hitrosti do 2,5-3 km / s z ustreznim povečanjem potiska.
IDD uporablja pulzirajoče načelo delovanja. To pomeni, da se po detonaciji in sproščanju reaktivnih plinov zgorevalna komora izpiha, ponovno napolni z mešanico - in sledi nova "eksplozija". Za dosego visokega in stabilnega potiska je treba ta cikel izvajati pri visoki frekvenci, od deset do tisočkrat na sekundo.
Težave in prednosti
Glavna prednost IDD je teoretična možnost pridobitve izboljšanih lastnosti, ki zagotavljajo superiornost nad obstoječimi in bodočimi motorji s krožnim curkom in motorjem na tekoče gorivo. Tako se z istim potiskom impulzni motor izkaže za bolj kompakten in lažji. V skladu s tem je mogoče ustvariti močnejšo enoto v istih dimenzijah. Poleg tega je takšen motor enostavnejši, saj ne potrebuje dela instrumentacije.
IDD deluje v širokem razponu hitrosti, od nič (na začetku rakete) do hipersonične. Lahko se uporablja v raketnih in vesoljskih sistemih ter v letalstvu - na civilnem in vojaškem področju. V vseh primerih njegove značilnosti omogočajo pridobitev določenih prednosti pred tradicionalnimi sistemi. Odvisno od potreb je mogoče ustvariti raketni IDD z oksidantom iz rezervoarja ali zračno reaktivnim, ki vzame kisik iz ozračja.
Vendar pa obstajajo pomembne pomanjkljivosti in težave. Zato je za obvladovanje nove smeri potrebno izvesti različne precej zapletene študije in poskuse na stičišču različnih znanosti in disciplin. Poseben princip delovanja postavlja posebne zahteve glede zasnove motorja in njegovih materialov. Cena velikega potiska je povečana obremenitev, ki lahko poškoduje ali uniči konstrukcijo motorja.
Izziv je zagotoviti visoko stopnjo dobave goriva in oksidanta, ki ustreza zahtevani frekvenci detonacije, ter izvesti čistko pred dobavo goriva. Poleg tega je ločen inženirski problem sprožitev udarnega vala pri vsakem ciklu delovanja.
Treba je opozoriti, da do danes IDD kljub vsem prizadevanjem znanstvenikov in oblikovalcev ni pripravljen preseči laboratorijev in testnih mest. Modeli in tehnologije potrebujejo nadaljnji razvoj. Zato o uvajanju novih motorjev v prakso še ni treba govoriti.
Zgodovina tehnologije
Zanimivo je, da načela impulznega detonacijskega motorja prvič niso predlagali znanstveniki, ampak pisatelji znanstvene fantastike. Na primer, podmornica "Pioneer" iz romana G. Adamova "Skrivnost dveh oceanov" je uporabila IDD na mešanici plina vodika in kisika. Podobne ideje so se pojavile v drugih umetniških delih.
Znanstvene raziskave na temo detonacijskih motorjev so se začele malo kasneje, v štiridesetih letih, pionirji smeri pa so bili sovjetski znanstveniki. V prihodnosti so v različnih državah večkrat poskušali ustvariti izkušeno IDD, vendar je bil njihov uspeh resno omejen s pomanjkanjem potrebnih tehnologij in materialov.
31. januarja 2008 sta agencija DARPA ameriškega obrambnega ministrstva in laboratorij letalskih sil začeli s preskušanjem prvega letečega laboratorija z zračno dihalnim tipom IDD. Prvotni motor je bil nameščen na spremenjenem letalu Long-EZ podjetja Scale Composites. Elektrarna je vključevala štiri cevne zgorevalne komore z dovodom tekočega goriva in dovodom zraka iz ozračja. Pri detonacijski frekvenci 80 Hz je potisk pribl. 90 kgf, kar je zadoščalo le za lahka letala.
Ti testi so pokazali temeljno ustreznost IDD za uporabo v letalstvu in tudi potrebo po izboljšanju modelov in povečanju njihovih lastnosti. Istega leta 2008 so prototip letala poslali v muzej, DARPA in sorodne organizacije pa so še naprej delale. Poročali so o možnosti uporabe IDD v obetavnih raketnih sistemih, vendar doslej niso bili razviti.
Pri nas so temo IDD preučevali na ravni teorije in prakse. Na primer, leta 2017 je v reviji Zgorevanje in eksplozija izšel članek o preskusih detonacijskega motorja s krožnim curkom na plinastem vodiku. Nadaljujejo se tudi dela na rotacijskih motorjih z detonacijo. Razvit je bil in preizkušen raketni motor na tekoče gorivo, primeren za uporabo na projektilih. Preučuje se vprašanje uporabe takšnih tehnologij v letalskih motorjih. V tem primeru je detonacijska zgorevalna komora vgrajena v turboreaktivni motor.
Tehnološka perspektiva
Detonacijski motorji so zelo zanimivi z vidika njihove uporabe na različnih področjih in področjih. Zaradi pričakovanega povečanja glavnih značilnosti lahko vsaj iztisnejo sisteme obstoječih razredov. Vendar jim kompleksnost teoretičnega in praktičnega razvoja še ne omogoča uporabe v praksi.
Vendar pa so v zadnjih letih opaženi pozitivni trendi. Detonacijski motorji na splošno, vklj. utripajoče, se vse pogosteje pojavljajo v novicah iz laboratorijev. Razvoj te smeri se nadaljuje in v prihodnje bo lahko dala želene rezultate, čeprav so čas pojavljanja obetavnih vzorcev, njihove značilnosti in področja uporabe še vedno vprašljivi. Sporočila zadnjih let pa nam omogočajo, da z optimizmom gledamo v prihodnost.
