Os sistemas de propulsão existentes para aviação e mísseis apresentam desempenho muito alto, mas chegaram perto do limite de suas capacidades. Para aumentar ainda mais os parâmetros de empuxo, o que cria uma base para o desenvolvimento do foguete de aviação e da indústria espacial, outros motores são necessários, incl. com novos princípios de trabalho. Grandes esperanças estão depositadas nos chamados. motores de detonação. Esses sistemas de classe de pulso já estão sendo testados em laboratórios e em aeronaves.
Princípios físicos
Os motores de combustível líquido existentes e em operação usam combustão subsônica ou deflagração. Uma reação química envolvendo combustível e um oxidante forma uma frente que se move através da câmara de combustão em uma velocidade subsônica. Essa combustão limita a quantidade e a velocidade dos gases reativos que fluem para fora do bico. Consequentemente, o empuxo máximo também é limitado.
A combustão por detonação é uma alternativa. Nesse caso, a frente de reação se move a uma velocidade supersônica, formando uma onda de choque. Este modo de combustão aumenta o rendimento de produtos gasosos e fornece maior tração.
O motor de detonação pode ser feito em duas versões. Paralelamente, estão sendo desenvolvidos motores de impulso ou pulsante (IDD / PDD) e rotativos / rotativos. A diferença está nos princípios da combustão. O motor rotativo mantém uma reação constante, enquanto o motor de impulso opera por sucessivas "explosões" de uma mistura de combustível e oxidante.
Impulsos formam impulso
Em teoria, seu projeto não é mais complicado do que um ramjet tradicional ou um motor de foguete de propelente líquido. Inclui uma câmara de combustão e um conjunto de bocal, bem como meios para fornecer combustível e oxidante. Neste caso, são impostas restrições especiais à resistência e durabilidade da estrutura associadas às peculiaridades de funcionamento do motor.
Durante a operação, os injetores fornecem combustível para a câmara de combustão; o oxidante é fornecido da atmosfera por meio de um dispositivo de entrada de ar. Após a formação da mistura, ocorre a ignição. Devido à seleção correta dos componentes do combustível e das proporções da mistura, do método de ignição ideal e da configuração da câmara, uma onda de choque é formada, movendo-se na direção do bico do motor. O atual nível de tecnologia torna possível obter uma velocidade de onda de até 2,5-3 km / s com um aumento correspondente no empuxo.
O IDD usa um princípio de operação pulsante. Isso significa que, após a detonação e a liberação de gases reativos, a câmara de combustão é soprada e preenchida com uma mistura - e uma nova "explosão" se segue. Para obter um impulso alto e estável, este ciclo deve ser executado em alta frequência, de dezenas a milhares de vezes por segundo.
Dificuldades e vantagens
A principal vantagem do IDD é a possibilidade teórica de obter características aprimoradas que proporcionem superioridade sobre os motores ramjet e propelentes líquidos existentes e futuros. Assim, com o mesmo impulso, o motor de impulso passa a ser mais compacto e mais leve. Consequentemente, uma unidade mais poderosa pode ser criada nas mesmas dimensões. Além disso, esse motor é mais simples no projeto, uma vez que não precisa de uma parte da instrumentação.
O IDD está operacional em uma ampla faixa de velocidades, de zero (no início do foguete) a hipersônica. Pode encontrar aplicação em foguetes e sistemas espaciais e na aviação - em campos civis e militares. Em todos os casos, seus traços característicos permitem obter certas vantagens sobre os sistemas tradicionais. Dependendo das necessidades, é possível criar um IDD de foguete usando um oxidante de um tanque, ou um reativo a ar que retira oxigênio da atmosfera.
No entanto, existem desvantagens e dificuldades significativas. Assim, para dominar uma nova direção, é necessário realizar vários estudos e experimentos bastante complexos na junção de diferentes ciências e disciplinas. O princípio de operação específico impõe demandas especiais no projeto do motor e seus materiais. O preço do alto empuxo é o aumento de cargas que podem danificar ou destruir a estrutura do motor.
O desafio é garantir uma alta taxa de entrega de combustível e oxidante, correspondendo à frequência de detonação necessária, bem como realizar uma purga antes da entrega do combustível. Além disso, um problema de engenharia separado é o lançamento de uma onda de choque a cada ciclo de operação.
Deve-se destacar que, até o momento, o IDD, apesar de todos os esforços de cientistas e designers, não está pronto para ir além dos laboratórios e locais de teste. Projetos e tecnologias precisam de mais desenvolvimento. Portanto, ainda não é necessário falar sobre a introdução de novos motores na prática.
História da tecnologia
É curioso que o princípio de um motor de detonação pulsada foi proposto pela primeira vez não por cientistas, mas por escritores de ficção científica. Por exemplo, o submarino "Pioneer" do romance de G. Adamov "O Mistério de Dois Oceanos" usou IDD em uma mistura de gás hidrogênio-oxigênio. Idéias semelhantes figuraram em outras obras de arte.
As pesquisas científicas sobre o tema dos motores de detonação começaram um pouco mais tarde, nos anos 40, e os pioneiros dessa direção foram os cientistas soviéticos. No futuro, em diferentes países, foram feitas tentativas repetidas de criar um IDD experiente, mas seu sucesso foi seriamente limitado pela falta de tecnologias e materiais necessários.
Em 31 de janeiro de 2008, a agência DARPA do Departamento de Defesa dos Estados Unidos e o Laboratório da Força Aérea começaram a testar o primeiro laboratório voador com um IDD do tipo que respira ar. O motor original foi instalado em uma aeronave Long-EZ modificada da Scale Composites. A usina incluía quatro câmaras de combustão tubular com suprimento de combustível líquido e entrada de ar da atmosfera. A uma frequência de detonação de 80 Hz, um impulso de aprox. 90 kgf, o que era suficiente apenas para uma aeronave leve.
Esses testes mostraram a adequação fundamental do IDD para uso na aviação, e também demonstraram a necessidade de melhorar os projetos e aumentar suas características. No mesmo 2008, o protótipo da aeronave foi enviado ao museu, e a DARPA e organizações relacionadas continuaram a trabalhar. Foi relatado a possibilidade de usar IDD em sistemas de mísseis promissores - mas até agora eles não foram desenvolvidos.
No nosso país, o tema do IDD foi estudado ao nível da teoria e da prática. Por exemplo, em 2017, um artigo sobre testes de um motor ramjet de detonação funcionando com hidrogênio gasoso apareceu na revista Combustion and Explosion. Além disso, o trabalho continua em motores de detonação rotativos. Um motor de foguete de propelente líquido, adequado para uso em mísseis, foi desenvolvido e testado. A questão do uso de tais tecnologias em motores de aeronaves está sendo estudada. Neste caso, a câmara de detonação de combustão é integrada ao motor turbojato.
Perspectiva de Tecnologia
Os motores de detonação são de grande interesse do ponto de vista de sua aplicação em vários campos e campos. Devido ao aumento esperado nas características principais, podem, pelo menos, espremer os sistemas das classes existentes. No entanto, a complexidade do desenvolvimento teórico e prático ainda não permite que eles venham a ser usados na prática.
No entanto, tendências positivas têm sido observadas nos últimos anos. Motores de detonação em geral, incl. pulsada, cada vez mais aparecem nas notícias dos laboratórios. O desenvolvimento desta direção continua, e no futuro será capaz de dar os resultados desejados, embora o momento do aparecimento de amostras promissoras, suas características e áreas de aplicação ainda sejam questionados. No entanto, as mensagens dos últimos anos permitem-nos olhar para o futuro com otimismo.
