I sistemi di propulsione esistenti per l'aviazione e i missili mostrano prestazioni molto elevate, ma si sono avvicinati al limite delle loro capacità. Per aumentare ulteriormente i parametri di spinta, che crea le basi per lo sviluppo del razzo aeronautico e dell'industria spaziale, sono necessari altri motori, incl. con nuovi principi di lavoro. Grandi speranze sono riposte sul cosiddetto. motori a detonazione. Tali sistemi di classe a impulsi sono già in fase di sperimentazione in laboratori e sugli aerei.
Principi fisici
I motori a combustibile liquido esistenti e funzionanti utilizzano la combustione subsonica o la deflagrazione. Una reazione chimica che coinvolge carburante e un ossidante forma un fronte che si muove attraverso la camera di combustione a velocità subsonica. Questa combustione limita la quantità e la velocità dei gas reattivi che fuoriescono dall'ugello. Di conseguenza, anche la spinta massima è limitata.
La combustione a detonazione è un'alternativa. In questo caso, il fronte di reazione si muove a velocità supersonica, formando un'onda d'urto. Questa modalità di combustione aumenta la resa dei prodotti gassosi e fornisce una maggiore trazione.
Il motore di detonazione può essere realizzato in due versioni. Parallelamente si stanno sviluppando motori a impulsi o pulsanti (IDD/PDD) e rotativi/rotativi. La loro differenza sta nei principi della combustione. Il motore rotativo mantiene una reazione costante, mentre il motore a impulsi funziona per successive "esplosioni" di una miscela di carburante e ossidante.
Gli impulsi formano la spinta
In teoria, il suo design non è più complicato di un tradizionale motore a reazione o a razzo a propellente liquido. Include una camera di combustione e un gruppo ugello, nonché mezzi per fornire carburante e ossidante. In questo caso, vengono imposte restrizioni speciali alla resistenza e alla durata della struttura associate alle peculiarità del funzionamento del motore.
Durante il funzionamento, gli iniettori forniscono carburante alla camera di combustione; l'ossidante è alimentato dall'atmosfera tramite un dispositivo di aspirazione dell'aria. Dopo la formazione della miscela, si verifica l'accensione. A causa della corretta selezione dei componenti del carburante e delle proporzioni della miscela, del metodo di accensione ottimale e della configurazione della camera, si forma un'onda d'urto che si muove nella direzione dell'ugello del motore. L'attuale livello di tecnologia consente di ottenere una velocità dell'onda fino a 2,5-3 km / s con un corrispondente aumento della spinta.
IDD utilizza un principio di funzionamento pulsante. Ciò significa che dopo la detonazione e il rilascio di gas reattivi, la camera di combustione viene espulsa, riempita nuovamente con una miscela e segue una nuova "esplosione". Per ottenere una spinta elevata e stabile, questo ciclo deve essere eseguito ad alta frequenza, da decine a migliaia di volte al secondo.
Difficoltà e vantaggi
Il principale vantaggio dell'IDD è la possibilità teorica di ottenere caratteristiche migliorate che forniscono una superiorità rispetto ai motori ramjet e a propellente liquido esistenti e potenziali. Quindi, a parità di spinta, il motore ad impulsi risulta essere più compatto e leggero. Di conseguenza, è possibile creare un'unità più potente nelle stesse dimensioni. Inoltre, un tale motore è più semplice nel design, poiché non necessita di una parte della strumentazione.
IDD è operativo in un'ampia gamma di velocità, da zero (all'inizio del razzo) a ipersonico. Può trovare applicazione nei sistemi missilistici e spaziali e nell'aviazione - in campo civile e militare. In tutti i casi, le sue caratteristiche consentono di ottenere alcuni vantaggi rispetto ai sistemi tradizionali. A seconda delle esigenze, è possibile creare un razzo IDD utilizzando un ossidante da un serbatoio, o uno reattivo con l'aria che prende ossigeno dall'atmosfera.
Tuttavia, ci sono notevoli inconvenienti e difficoltà. Quindi, per padroneggiare una nuova direzione, è necessario condurre vari studi ed esperimenti piuttosto complessi all'incrocio di diverse scienze e discipline. Il principio di funzionamento specifico impone requisiti speciali al design del motore e ai suoi materiali. Il prezzo dell'elevata spinta è l'aumento dei carichi che possono danneggiare o distruggere la struttura del motore.
La sfida consiste nell'assicurare un'elevata velocità di erogazione di carburante e ossidante, corrispondente alla frequenza di detonazione richiesta, nonché di eseguire uno spurgo prima dell'erogazione del carburante. Inoltre, un problema ingegneristico separato è il lancio di un'onda d'urto ad ogni ciclo di funzionamento.
Va notato che ad oggi, l'IDD, nonostante tutti gli sforzi di scienziati e progettisti, non è pronto per andare oltre i laboratori e i siti di test. I design e le tecnologie necessitano di ulteriore sviluppo. Pertanto, non è ancora necessario parlare dell'introduzione di nuovi motori nella pratica.
Storia della tecnologia
È curioso che il principio di un motore a detonazione a impulsi sia stato proposto per la prima volta non da scienziati, ma da scrittori di fantascienza. Ad esempio, il sottomarino "Pioneer" del romanzo di G. Adamov "The Mystery of Two Oceans" ha utilizzato l'IDD su una miscela di gas idrogeno e ossigeno. Idee simili figuravano in altre opere d'arte.
La ricerca scientifica sul tema dei motori a detonazione iniziò poco dopo, negli anni Quaranta, e i pionieri della direzione furono scienziati sovietici. In futuro, in diversi paesi, sono stati fatti ripetutamente tentativi per creare un IDD esperto, ma il loro successo è stato seriamente limitato dalla mancanza delle tecnologie e dei materiali necessari.
Il 31 gennaio 2008, l'agenzia DARPA del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti e l'Air Force Laboratory hanno iniziato a testare il primo laboratorio di volo con un IDD a respirazione d'aria. Il motore originale è stato installato su un aereo Long-EZ modificato di Scale Composites. La centrale comprendeva quattro camere di combustione tubolari con alimentazione di combustibile liquido e presa d'aria dall'atmosfera. Ad una frequenza di detonazione di 80 Hz, una spinta di ca. 90 kgf, che era sufficiente solo per un aereo leggero.
Questi test hanno mostrato l'idoneità fondamentale dell'IDD per l'uso nell'aviazione e hanno anche dimostrato la necessità di migliorare i progetti e aumentarne le caratteristiche. Nello stesso 2008, il velivolo prototipo è stato inviato al museo e la DARPA e le organizzazioni correlate hanno continuato a lavorare. È stata segnalata la possibilità di utilizzare l'IDD in sistemi missilistici promettenti, ma finora non sono stati sviluppati.
Nel nostro paese, il tema dell'IDD è stato studiato a livello di teoria e pratica. Ad esempio, nel 2017, sulla rivista Combustion and Explosion è apparso un articolo sui test di un motore a reazione a detonazione che funziona con idrogeno gassoso. Inoltre, continuano i lavori sui motori a detonazione rotativa. È stato sviluppato e testato un motore a razzo a propellente liquido, adatto per l'uso su missili. È allo studio il problema dell'utilizzo di tali tecnologie nei motori degli aerei. In questo caso, la camera di combustione a detonazione è integrata nel motore a turbogetto.
Prospettiva tecnologica
I motori a detonazione sono di grande interesse dal punto di vista della loro applicazione in vari campi e campi. A causa del previsto aumento delle caratteristiche principali, possono almeno spremere i sistemi delle classi esistenti. Tuttavia, la complessità dello sviluppo teorico e pratico non consente ancora loro di essere applicati nella pratica.
Tuttavia, negli ultimi anni sono state osservate tendenze positive. Motori a detonazione in generale, incl. pulsato, compaiono sempre più nelle cronache dai laboratori. Lo sviluppo di questa direzione continua e in futuro sarà in grado di dare i risultati desiderati, sebbene i tempi di comparsa di campioni promettenti, le loro caratteristiche e le aree di applicazione siano ancora in discussione. Tuttavia, i messaggi degli ultimi anni ci permettono di guardare al futuro con ottimismo.
