Американские инженеры разработали первый в мире двигатель с косой детонационной волной, способный разогнать летательный аппарат до 17 Махов (около 21 тыс. км/ч).
Исследователям Университета центральной Флориды (UCF) удалось “поймать в ловушку” взрывную волну и использовать ее огромную мощность для обеспечения стабильной тяги. Это открытие может стать основой нового метода гиперзвукового движения на скорости, в 17 раз превышающей скорость звука.
Горение и взрыв
Дефлаграция - высокотемпературное сжигание топлива с кислородом - это относительно медленный, безопасный и контролируемый способ высвобождения химической энергии. Эта “мирная” форма горения лежит в основе многих наших транспортных технологий. Но если вы хотите получить больше энергии, вам нужна детонация. проще говоря, взрыв.
Детонация происходит быстро, хаотично и часто разрушительно. Она не всегда требует наличия кислорода. Достаточно взрывчатого материала и энергетического импульса достаточной мощности, чтобы разорвать химические связи нестабильной молекулы взрывчатки. Детонация создает экзотермические ударные волны, которые движутся быстрее звука и выделяют огромное количество энергии.
Люди пытаются использовать силу детонации уже более 60 лет. Но, как показывает практика, “оседлать” бомбу довольно сложно.
Двигатели, работающие на взрывах
Импульсные детонационные двигатели уже создавались и ранее. Такие двигатели создают серию последовательных взрывов, толкающих аппарат вперед. Еще в 2008 году импульсный двигатель был испытан Исследовательской лабораторией ВВС США в рамках проекта Scaled Composites Long-EZ “Borealis”.
Второй тип детонационного двигателя - вращающийся. В таких двигателях ударная волна от одной детонации настроена на запуск дальнейших детонаций в кольцеобразном канале. Устойчивую работу такого экспериментального двигателя в прошлом году показали исследователи из Университета Центральной Флориды (UCF). Впрочем, данная технология все еще находится на стадии испытаний. Ученые планируют до 2025 года проверить вращающийся детонационный двигатель на ракете. Вращающиеся детонационные двигатели должны быть более эффективными, чем импульсные детонационные двигатели просто потому, что камеру сгорания не нужно расчищать между детонациями.
Но теперь другая команда UCF создала детонационный двигатель третьего типа. Он может оказаться лучше двух предыдущих типов, обеспечив невероятную мощность. Теоретически, он открывает путь к постройке самолета, способного летать со скоростью до 21 тыс. км/ч, в 17 раз быстрее звука.
Стоячая взрывная волна
Новый двигатель основан на явлении “стоячей” взрывной волны. Ученым удалось стабилизировать взрывную волну в условиях гиперзвукового потока, не позволяя ей подниматься ни вверх (где она может вызвать взрыв источника топлива), ни вниз (где она потеряет взрывное преимущество).
Для этого команда построила экспериментальный прототип, названный High-Enthalpy Hypersonic Reacting Facility - или HyperReact. Аппарат имеет длину менее метра и выглядит как полая трубка, разделенная на три секции. Каждая секция имеет точное сформированное внутреннее пространство.
Первая секция представляет собой 350-мм смесительную камеру - канал квадратного сечения с 45-мм сторонами. Здесь форсажная горелка воспламеняет струю водородного топлива, предварительно смешанную с воздухом. Еще четыре воздушных канала вокруг струи предварительной горелки ускоряют поток до соответствующих скоростей.
Вторая секция представляет собой сходящееся-расходящееся сопло с осесимметричным квадратным поперечным сечением. Основной топливный инжектор добавляет 99,99% водородного топлива сверхвысокой чистоты к быстрому потоку горячего воздуха высокого давления. Поток идет вниз и входит в сопло, которое быстро сужается до 9-миллиметровой горловины, а затем снова расширяется до 45-миллиметрового квадратного сечения. Такая форма позволяет разогнать смесь до скорости в 5 Махов. Далее смесь переходит в финальный “тестовый участок”, где происходит детонация.
Третий, тестовый участок принимает эту сверхзвуковую воздушно-топливную смесь и пускает ее по наклонной плоскости с углом 30 градусов на нижней стороне квадратной трубки.
Настроив скорость потока и содержание воздуха в смеси, команда смогла определить параметры, при которых создается практически немыслимая картина. В тестовой камере происходит стабильный непрерывный взрыв, который стоит на месте, лишь слегка циклично колеблясь.
В нормальных условиях взрыв длится микро- или миллисекунды. В данном случае инженерам удалось продлить эффект до трех секунд. Это не очень много, но для доказательства работоспособности установки достаточно. В теории, взрыв можно было бы поддерживать и дольше, но тогда бы разрушились кварцевые окна, которые ученые разместили в установке для наблюдения за испытаниями. Если испытательный участок сделать более прочным, полностью металлическим, детонацию можно будет поддерживать намного дольше.
“Впервые было показано, что детонация стабилизируется экспериментально. Мы наконец-то можем удерживать детонацию в пространстве в косой детонационной форме. Это почти как заморозить интенсивный взрыв в физическом пространстве”, - говорит Карем Ахмед, доцент кафедры механической и аэрокосмической техники UCF.
По словам разработчиков, тестовая установка примерно похожа на то, как будет выглядеть двигатель в готовом виде. Но теперь ученым нужно понять, как динамически менять топливную смесь, скорость потока и угол наклона, чтобы сохранять стабильность и управляемость детонации в различных условиях.
Зачем это нужно?
Двигатель с косой детонационной волной изменит современный мир. На скорости в 17 Махов вы менее чем за два часа сможете сделать полный оборот вокруг экватора Земли. Соответственно, перелет в любую точку мира займет менее часа.
Космические аппараты смогут подниматься в космос сами, без помощи ракет-носителей. Машина будет просто отрываться с Земли и сама выходить на орбиту.
А еще это изобретение окажет серьезное влияние на мировую безопасность и глобальный ядерный баланс.
Во всем мире на данный момент не существует радара или системы противоракетной обороны, которые могли бы справиться с гиперзвуковой ракетой, летящей на скорости 21 тыс. км/ч. Впрочем, оружием становится все.
“Эта скорость и инерция превращают любую исследовательскую платформу, разведывательный аппарат или пассажирский самолет в потенциальное кинетическое оружие. Им не нужны взрывчатые вещества, чтобы уничтожить цель. Все, что им нужно сделать - попасть. Другими словами, любой гиперзвуковой аппарат является оружием”, - писал еще в 2017 году научный журналист Дэвид Сонди.
Исследования двигателя с косой детонационной волной финансировались не только Национальным научным фондом и Флоридским консорциумом космических грантов NASA, но и Управлением научных исследований ВВС США. Так что взрывные двигатели явно представляют интерес для военных.
Исследование опубликовано в открытом доступе в журнале PNAS.
