La US Navy prevede di aggiornare in futuro le centrali elettriche a turbina a gas attualmente installate sui suoi aerei e navi, sostituendo i tradizionali motori a ciclo Brighton con motori rotativi a detonazione. A causa di ciò, si prevede che il risparmio di carburante ammonterà a circa $ 400 milioni all'anno. Tuttavia, l'uso seriale delle nuove tecnologie è possibile, secondo gli esperti, non prima di un decennio.
Lo sviluppo di motori rotativi rotanti o rotanti in America viene effettuato dall'US Navy Research Laboratory. Secondo le prime stime, i nuovi motori saranno più potenti e anche circa un quarto più economici dei motori convenzionali. Allo stesso tempo, i principi di base del funzionamento della centrale rimarranno gli stessi: i gas del combustibile bruciato entreranno nella turbina a gas, ruotando le sue pale. Secondo il laboratorio della US Navy, anche in un futuro relativamente lontano, quando l'intera flotta americana sarà alimentata dall'elettricità, le turbine a gas saranno ancora responsabili della generazione di energia, in una certa misura modificata.
Ricordiamo che l'invenzione del motore a reazione pulsante risale alla fine del XIX secolo. L'inventore era l'ingegnere svedese Martin Wiberg. Le nuove centrali elettriche si diffusero durante la seconda guerra mondiale, sebbene fossero significativamente inferiori nelle loro caratteristiche tecniche ai motori aeronautici esistenti a quel tempo.
Va notato che in questo momento la flotta americana ha 129 navi, che utilizzano 430 motori a turbina a gas. Ogni anno, il costo per fornire loro carburante è di circa $ 2 miliardi. In futuro, quando i motori moderni verranno sostituiti da nuovi, la quantità di costi del carburante cambierà.
I motori a combustione interna attualmente in uso funzionano sul ciclo di Brighton. Se definisci l'essenza di questo concetto in poche parole, tutto si riduce alla successiva miscelazione dell'ossidante e del carburante, all'ulteriore compressione della miscela risultante, quindi - incendio doloso e combustione con l'espansione dei prodotti della combustione. Questa espansione viene utilizzata solo per guidare, spostare pistoni, ruotare una turbina, cioè eseguire azioni meccaniche, fornendo una pressione costante. Il processo di combustione della miscela di carburante si muove a una velocità subsonica - questo processo è chiamato dufflagrazione.
Per quanto riguarda i nuovi motori, gli scienziati intendono utilizzare la combustione esplosiva, ovvero la detonazione, in cui la combustione avviene a velocità supersonica. E sebbene al momento il fenomeno della detonazione non sia stato ancora completamente studiato, è noto che con questo tipo di combustione si verifica un'onda d'urto, che si propaga attraverso una miscela di combustibile e aria, provoca una reazione chimica, il cui risultato è il rilascio di una quantità abbastanza grande di energia termica. Quando l'onda d'urto passa attraverso la miscela, si riscalda, il che porta alla detonazione.
Nello sviluppo di un nuovo motore, si prevede di utilizzare alcuni sviluppi ottenuti nel processo di sviluppo di un motore pulsante a detonazione. Il suo principio di funzionamento è che una miscela di carburante precompressa viene immessa nella camera di combustione, dove viene accesa e fatta esplodere. I prodotti della combustione si espandono nell'ugello, svolgendo azioni meccaniche. Quindi l'intero ciclo viene ripetuto dall'inizio. Ma lo svantaggio dei motori pulsanti è che la frequenza di ripetizione dei cicli è troppo bassa. Inoltre, la progettazione di questi stessi motori diventa più complessa in caso di aumento del numero di pulsazioni. Ciò è dovuto alla necessità di sincronizzare il funzionamento delle valvole, che sono responsabili dell'alimentazione della miscela di carburante, nonché direttamente dai cicli di detonazione stessi. I motori pulsanti sono anche molto rumorosi, richiedono una grande quantità di carburante per funzionare e il lavoro è possibile solo con un'iniezione dosata costante di carburante.
Se confrontiamo i motori rotativi a detonazione con quelli pulsanti, il principio del loro funzionamento è leggermente diverso. Pertanto, in particolare, i nuovi motori prevedono una detonazione continua e costante del carburante nella camera di combustione. Questo fenomeno è chiamato spin o detonazione rotante. È stato descritto per la prima volta nel 1956 dallo scienziato sovietico Bogdan Voitsekhovsky. E questo fenomeno è stato scoperto molto prima, nel 1926. I pionieri furono gli inglesi, che notarono che in alcuni sistemi appariva una "testa" luminosa e incandescente, che si muoveva a spirale, invece di un'onda di detonazione piatta.
Voitsekhovsky, usando un registratore fotografico da lui stesso progettato, ha fotografato il fronte d'onda, che si muoveva in una camera di combustione anulare in una miscela di carburante. La detonazione dello spin differisce dalla detonazione piana in quanto in essa sorge una singola onda trasversale d'urto, seguita da un gas riscaldato che non ha reagito, e già dietro questo strato c'è una zona di reazione chimica. Ed è proprio un'onda del genere che impedisce la combustione della camera stessa, che Marlene Topchiyan ha chiamato "una ciambella appiattita".
Va notato che i motori di detonazione sono già stati utilizzati in passato. In particolare, si tratta del motore a getto d'aria pulsante, utilizzato dai tedeschi alla fine della seconda guerra mondiale sui missili da crociera V-1. La sua produzione era abbastanza semplice, il suo utilizzo era abbastanza facile, ma allo stesso tempo questo motore non era molto affidabile per risolvere problemi importanti.
Inoltre, nel 2008, il Rutang Long-EZ, un aereo sperimentale dotato di un motore a detonazione pulsante, ha preso il volo. Il volo è durato solo dieci secondi a un'altitudine di trenta metri. Durante questo periodo, la centrale sviluppò una spinta dell'ordine di 890 Newton.
Il prototipo sperimentale del motore, presentato dal laboratorio americano della US Navy, è una camera di combustione a forma di cono anulare avente un diametro di 14 centimetri dal lato di alimentazione del carburante e 16 centimetri dal lato dell'ugello. La distanza tra le pareti della camera è di 1 centimetro, mentre il "tubo" è lungo 17,7 centimetri.
Una miscela di aria e idrogeno viene utilizzata come miscela di carburante, che viene fornita alla camera di combustione a una pressione di 10 atmosfere. La temperatura della miscela è di 27,9 gradi. Si noti che questa miscela è riconosciuta come la più conveniente per studiare il fenomeno della detonazione dello spin. Ma, secondo gli scienziati, nei nuovi motori sarà possibile utilizzare una miscela di carburante costituita non solo da idrogeno ma anche da altri componenti combustibili e aria.
Studi sperimentali su un motore rotativo hanno mostrato la sua maggiore efficienza e potenza rispetto ai motori a combustione interna. Un altro vantaggio è il notevole risparmio di carburante. Allo stesso tempo, durante l'esperimento è stato rivelato che la combustione della miscela di carburante nel motore rotativo "di prova" non è uniforme, quindi è necessario ottimizzare il design del motore.
I prodotti della combustione che si espandono nell'ugello possono essere raccolti in un getto di gas tramite un cono (questo è il cosiddetto effetto Coanda), e quindi questo getto può essere inviato alla turbina. La turbina ruoterà sotto l'influenza di questi gas. Pertanto, parte del lavoro della turbina può essere utilizzata per azionare le navi e in parte per generare energia, necessaria per le apparecchiature navali e vari sistemi.
I motori stessi possono essere prodotti senza parti mobili, il che semplificherà notevolmente il loro design, il che, a sua volta, ridurrà il costo della centrale elettrica nel suo insieme. Ma questo è solo in prospettiva. Prima di lanciare nuovi motori nella produzione in serie, è necessario risolvere molti problemi difficili, uno dei quali è la selezione di materiali resistenti al calore durevoli.
Si noti che al momento, i motori a detonazione rotativa sono considerati uno dei motori più promettenti. Sono anche in fase di sviluppo da parte di scienziati dell'Università del Texas ad Arlington. La centrale elettrica che hanno creato è stata chiamata "motore a detonazione continua". Nella stessa università sono in corso ricerche sulla selezione di vari diametri di camere anulari e varie miscele di combustibili, che includono idrogeno e aria o ossigeno in diverse proporzioni.
Lo sviluppo in questa direzione è in corso anche in Russia. Così, nel 2011, secondo l'amministratore delegato dell'associazione di ricerca e produzione Saturn I. Fedorov, gli scienziati del Centro scientifico e tecnico di Lyulka stanno sviluppando un motore a getto d'aria pulsante. Il lavoro viene svolto in parallelo con lo sviluppo di un promettente motore chiamato "Prodotto 129" per il T-50. Inoltre, Fedorov ha anche affermato che l'associazione sta conducendo ricerche sulla creazione di velivoli promettenti della fase successiva, che dovrebbero essere senza equipaggio.
Allo stesso tempo, la testa non ha specificato che tipo di motore pulsante fosse in questione. Al momento sono noti tre tipi di tali motori: senza valvola, valvola e detonazione. È generalmente accettato, nel frattempo, che i motori pulsanti sono i più semplici ed economici da produrre.
Oggi, diverse grandi aziende della difesa stanno conducendo ricerche su motori a reazione pulsanti ad alte prestazioni. Tra queste aziende ci sono le americane Pratt & Whitney e General Electric e la francese Snecma.
Pertanto, si possono trarre alcune conclusioni: la creazione di un nuovo motore promettente presenta alcune difficoltà. Il problema principale al momento è in teoria: cosa succede esattamente quando l'onda d'urto della detonazione si muove in un cerchio è noto solo in termini generali e questo complica notevolmente il processo di ottimizzazione dei progetti. Pertanto, la nuova tecnologia, sebbene sia molto attraente, è difficilmente realizzabile sulla scala della produzione industriale.
Tuttavia, se i ricercatori riusciranno a risolvere le questioni teoriche, sarà possibile parlare di una vera svolta. Dopotutto, le turbine sono utilizzate non solo nei trasporti, ma anche nel settore energetico, in cui un aumento dell'efficienza può avere un effetto ancora più forte.
