Els sistemes de propulsió existents per a l’aviació i els míssils presenten un rendiment molt alt, però s’han apropat al límit de les seves capacitats. Per augmentar encara més els paràmetres d’empenta, cosa que crea una base per al desenvolupament de la indústria espacial i de coets d’aviació, es necessiten altres motors, incl. amb nous principis de treball. En els anomenats hi ha grans esperances. motors de detonació. Aquests sistemes de classe d’impulsos ja s’estan provant en laboratoris i en avions.
Principis físics
Els motors de combustible líquid existents i en funcionament utilitzen combustió subsònica o deflagració. Una reacció química que implica combustible i un oxidant forma un front que es mou a través de la cambra de combustió a una velocitat subsònica. Aquesta combustió limita la quantitat i la velocitat dels gasos reactius que surten del broquet. En conseqüència, l’empenta màxima també és limitada.
La combustió per detonació és una alternativa. En aquest cas, el front de reacció es mou a una velocitat supersònica, formant una ona de xoc. Aquest mode de combustió augmenta el rendiment de productes gasosos i proporciona una major tracció.
El motor de detonació es pot fabricar en dues versions. Al mateix temps, s’estan desenvolupant motors d’impulsos o polsants (IDD / PDD) i rotatius / rotatius. La seva diferència rau en els principis de la combustió. El motor rotatiu manté una reacció constant, mentre que el motor d’impulsos funciona mitjançant successives “explosions” d’una barreja de combustible i oxidant.
Els impulsos formen empenta
En teoria, el seu disseny no és més complicat que un motor coet ramjet o propulsor líquid tradicional. Inclou una càmera de combustió i un conjunt de broquets, a més de mitjans per subministrar combustible i oxidant. En aquest cas, s’imposen restriccions especials a la resistència i durabilitat de l’estructura associades a les peculiaritats del funcionament del motor.
Durant el funcionament, els injectors subministren combustible a la cambra de combustió; l'oxidant es subministra des de l'atmosfera mitjançant un dispositiu d'entrada d'aire. Després de la formació de la mescla, es produeix la ignició. A causa de la selecció correcta dels components del combustible i de les proporcions de la barreja, el mètode d’encesa òptim i la configuració de la cambra, es forma una ona de xoc que es mou en la direcció del broc del motor. El nivell actual de tecnologia permet obtenir una velocitat d’ona de fins a 2,5-3 km / s amb el corresponent augment de l’empenta.
IDD utilitza un principi de funcionament palpitant. Això vol dir que després de la detonació i l'alliberament de gasos reactius, la càmera de combustió s'expulsa, es torna a omplir amb una mescla i es produeix una nova "explosió". Per obtenir un impuls elevat i estable, aquest cicle s’ha de dur a terme a una freqüència elevada, de desenes a milers de vegades per segon.
Dificultats i avantatges
El principal avantatge de l’IDD és la possibilitat teòrica d’obtenir característiques millorades que proporcionin superioritat als motors ramjet i propel·lents líquids existents i potencials. Així, amb la mateixa empenta, el motor d’impulsos resulta ser més compacte i lleuger. En conseqüència, es pot crear una unitat més potent en les mateixes dimensions. A més, aquest motor té un disseny més senzill, ja que no necessita una part de la instrumentació.
IDD està operatiu en una àmplia gamma de velocitats, des de zero (a l'inici del coet) fins a la hipersònica. Pot trobar aplicacions en sistemes espacials i de coets i en aviació, en camps civils i militars. En tots els casos, els seus trets característics permeten obtenir certs avantatges respecte als sistemes tradicionals. Depenent de les necessitats, és possible crear un coet IDD mitjançant un oxidant d’un tanc o un reactiu a l’aire que prengui oxigen de l’atmosfera.
No obstant això, hi ha inconvenients i dificultats importants. Per tant, per dominar una nova direcció, és necessari dur a terme diversos estudis i experiments força complexos a la unió de diferents ciències i disciplines. El principi de funcionament específic exigeix especialment el disseny del motor i els seus materials. El preu de l’empenta elevada és l’augment de les càrregues que poden danyar o destruir l’estructura del motor.
El repte és assegurar una elevada taxa de subministrament de combustible i oxidants, que correspongui a la freqüència de detonació requerida, així com realitzar una purga abans del lliurament de combustible. A més, un problema d'enginyeria independent és el llançament d'una ona de xoc a cada cicle d'operació.
Cal tenir en compte que fins ara, els IDD, malgrat tots els esforços de científics i dissenyadors, no estan preparats per anar més enllà de laboratoris i llocs de proves. Els dissenys i les tecnologies necessiten més desenvolupament. Per tant, encara no cal parlar de la introducció de nous motors a la pràctica.
Història de la tecnologia
És curiós que el principi d’un motor de detonació polsada no fos proposat per primera vegada pels científics, sinó pels escriptors de ciència ficció. Per exemple, el submarí "Pioneer" de la novel·la de G. Adamov "El misteri de dos oceans" va utilitzar IDD en una barreja de gasos hidrogen-oxigen. Idees similars figuraven en altres obres d’art.
La investigació científica sobre el tema dels motors de detonació va començar una mica més tard, als anys quaranta, i els pioners de la direcció van ser científics soviètics. En el futur, en diferents països, es van intentar repetidament crear un IDD amb experiència, però el seu èxit es va veure greument limitat per la manca de tecnologies i materials necessaris.
El 31 de gener de 2008, l'agència DARPA del Departament de Defensa dels Estats Units i el Laboratori de la Força Aèria van començar a provar el primer laboratori volador amb un IDD tipus respiració d'aire. El motor original es va instal·lar en un avió Long-EZ modificat de Scale Composites. La central elèctrica incloïa quatre cambres de combustió tubulars amb subministrament de combustible líquid i entrada d’aire de l’atmosfera. A una freqüència de detonació de 80 Hz, un impuls d’aprox. 90 kgf, que era suficient només per a un avió lleuger.
Aquestes proves van mostrar la idoneïtat fonamental de l'IDD per al seu ús en aviació, i també van demostrar la necessitat de millorar els dissenys i augmentar les seves característiques. El mateix 2008, el prototip d’avió es va enviar al museu i DARPA i organitzacions relacionades van continuar treballant. Es va informar sobre la possibilitat d'utilitzar IDD en prometedors sistemes de míssils, però fins ara no s'han desenvolupat.
Al nostre país, el tema de les IDD es va estudiar a nivell de teoria i pràctica. Per exemple, el 2017 va aparèixer a la revista Combustion and Explosion un article sobre les proves d’un motor ramjet de detonació que funcionava amb hidrogen gasós. A més, es continua treballant en motors de detonació rotatius. S'ha desenvolupat i provat un motor de coet de combustible líquid, apte per a ús en míssils. S'està estudiant la qüestió de l'ús d'aquestes tecnologies en motors d'avions. En aquest cas, la cambra de combustió de detonació està integrada al motor turborreactor.
Perspectiva tecnològica
Els motors de detonació són de gran interès des del punt de vista de la seva aplicació en diversos camps i camps. A causa de l'augment esperat de les principals característiques, poden, com a mínim, esprémer els sistemes de les classes existents. Tot i això, la complexitat del desenvolupament teòric i pràctic encara no els permet utilitzar-los a la pràctica.
No obstant això, s’han observat tendències positives en els darrers anys. Motors de detonació en general, incl. polsades, apareixen cada vegada més a les notícies dels laboratoris. El desenvolupament d'aquesta direcció continua i, en el futur, podrà donar els resultats desitjats, tot i que encara es qüestiona el moment de l'aparició de mostres prometedores, les seves característiques i àrees d'aplicació. Tot i això, els missatges dels darrers anys ens permeten mirar el futur amb optimisme.
