Детонационные двигатели и некоторые другие вопросы

[blik]

Zveruga пишет:
И соответственно удельный импульс вычисляемый по этой формуле
 
растёт при увеличении температуры и давления в камере сгорания.

Вот почему УИ растёт при росте давления и температуры.

Проблема в том, что апологеты ДЖРД подставляют в формулу неправильные значения давления, а именно пиковые значения давления в детонационной волне.
Мысленный эксперимент. В центре камеры расположена компактная емкость из кварковой мембраны, внутри которой водород с давлением 1 млн атм. и 10 млн градусов с нейтронной плотностью и ингибитором реакции синтеза. Водород проникая сквозь мембрану расширяется и создает давление на стенках камеры в 200 атм.
Хотя внутри камеры есть давление в 1 Матм, Вы же не будете подставлять его в формулу УИ, так как давление в емкости не совершает полезной работы (не разгоняет ракету). Разгоняет ракету только давление на стенках (давление на верхнем торце разгоняет, на нижнем замедляет), а именно 200 атм. Еще давление на сопле учитываем. Так почему для определения УИ в ДЖРД Вы вставляете значение давления в детонационной волне, ведь давление в волне тоже не может совершать полезную работу. Хуже того, в отличие от мысленного эксперимента, в ДЖРД за счет концентрации плотности и давления в детонационной волне уменьшается давление на торцевых стенках. То есть детонация ТОЛЬКО ВРЕДИТ УИ и не дает НИКАКИХ ПРЕИМУЩЕСТВ для ЖРД.

[blik]

mihalchuk пишет:
Я вижу 2 варианте применения ДЖРД:
1. В системе построения ориентации разгонных блоков. Эта процедура выполняется 1-2, иногда 3-4 раза, и много топлива не требует. Если удастся сделать простые и лёгкие движки, работающие на основных компонентах и давлении наддува баков, пусть и с менюшим УИ, то они будут конкурентоспособны.
2. Дешёвый стартовый ускоритель на первый десяток или менее километров полёта. Главное здесь - соотношение цена/тяга, только тяга не двигателя, а ускорителя. Большой УИ также не нужен, лишнего керосина дольём. Но УИ может быть и приличный, если ДЖРД будет цеплять порции воздуха.
Беда в том, что разработчики идут иными тропами, анонсируют другие свойства, и потому могут погубить всё дело.

Вы значительно урезали осетра, но по прежнему не понятно, за счет каких преимуществ в Ваших вариантах использования ДЖРД будет востребован. ЖРД на вытесниловке и так очень прост, у ДЖРД будут значительно толще стенки всегда. В качестве гибрида ЖРД +ВРД преимущества ДЖРД тоже непонятны.
Степень сжатия в детонационной волне никак не работает, как сжалось так и разжалось в обоих случаях бесполезно. 

[Алексей Любопытный]

blik пишет:
Мысленный эксперимент .

Прежде чем разобраться в детонационном горении, нужно сначала понять, что такое обычное горение.

Вот формула горения. Мы рассматриваем обычное горение.
Н2 + 1/2 О2 = Н20 (пар) + 241 кДж.
Что такое 241 кДж и какой температуры будет получен пар?

[dmdimon]

blik пишет:
ведь давление в волне тоже не может совершать полезную работу.

blik пишет:
как сжалось так и разжалось

такое ощущение, что вы рассматриваете "сферическую детонационную волну в вакууме"

[Кубик]

Zveruga пишет: У сгорания есть свой КПД, который зависит от условий прохождения процесса.

КПД - степень использования выделенной энергии для получения конечного результата - механической работы, и это характеристика устройства, а не процесса горения в нём..Сколько чего сожгли при стехиометрии, столько энергии по типовым формулам и получите, как ни изгаляйтесь...А вот как вы её преобразуете - тут само горение вовсе ни при чём..

[Алексей Любопытный]

Кубик пишет:
и это характеристика устройства, а не процесса горения в нём

Так в том-то и дело, что blik рассматривает идеальный случай. Он считает, что в результате сгорания кубик увеличится на столько-то процентов. А я утверждаю, что в реальности кубик не увеличится на столько процентов, так как
1. часть энергии уйдёт в виде излучения
2. часть энергии уйдёт в стенки кубика в результате столкновений молекул газа со стенками кубика
3. часть топлива вообще не сгорит
4. в случае применения сложноуглеродных молекул, а не чистого водорода, часть молекул не до конца распадётся и вступит в иные химические реакции с другой энергетикой.

Детонация позволяет провести химический процесс горения с большим выходом полезного КПД, благодаря проведению процесса с более высоким давлением, чем реализуется в современных камерах сгорания.

Вот в чём суть детонации.

[Алексей Любопытный]

Мы-то живём в реальности, а не в идеальном мире. У нас нет двигателей идеально проводящих горение. по этому и кубик у нас не увеличивается на столько на сколько считает blik.

[blik]

Zveruga пишет:
Детонация позволяет провести химический процесс горения с большим выходом полезного КПД, благодаря проведению процесса с более высоким давлением, чем реализуется в современных камерах сгорания.

Вот в чём суть детонации.

Кажется до меня дошло о чем Вы пишите. Есть параметр для двигателя "коэффициент полноты сгорания топлива". Для современных ЖРД он от 98-99%. Даже если детонация обеспечит 100% (что сомнительно), выигрыш в УИ будет не более 1%. Ради такой мелочи городить огород с ДЖРД не имеет смысла.

[Алексей Любопытный]

blik пишет:
Есть параметр для двигателя "коэффициент полноты сгорания топлива"

Посчитаем, что вы ответили на вопрос номер 4. Как быть с остальными?

1. часть энергии уйдёт в виде излучения
2. часть энергии уйдёт в стенки кубика в результате столкновений молекул газа со стенками кубика
3. часть топлива вообще не сгорит
4. в случае применения сложноуглеродных молекул, а не чистого водорода, часть молекул не до конца распадётся и вступит в иные химические реакции с другой энергетикой.

[Алексей Любопытный]

Но даже в вопросе № 4 есть подвох. Чтобы обеспечить полноту сгорания в современных поршневых и авиационных двигателях требуется высокая степень сжатия избытка воздуха. Иногда применяют так называемое турбирование. Но у перечисленных двигателей окислитель халявный. У ЖРД такой роскоши нет, так как приходится возить тонны окислителя с собой.

[Алексей Любопытный]

Стехиометрическое соотношение воздуха к топливу в поршневых двигателях 14,7 к 1. А в ракете?

[blik]

Zveruga пишет:

blik пишет:
Есть параметр для двигателя "коэффициент полноты сгорания топлива"

Посчитаем, что вы ответили на вопрос номер 4. Как быть с остальными?

1. часть энергии уйдёт в виде излучения
2. часть энергии уйдёт в стенки кубика в результате столкновений молекул газа со стенками кубика
 3. часть топлива вообще не сгорит
4. в случае применения сложноуглеродных молекул, а не чистого водорода, часть молекул не до конца распадётся и вступит в иные химические реакции с другой энергетикой.

Изначально Вы не оформили это как вопросы.
1. Конечно. Вполне считается. Как это помогает реабилитировать ДЖРД?
2. В приводимом мною примере, можно сдвинуть стенки кубика настолько быстро, что теплообмен газа и стенок будет несущественнен. Если рассматривать реальный двигатель, то теплопотери через стенки обязательный пункт расчета двигателя.
3, 4 Уже ответил на оба, так как "коэффициент полноты сгорания топлива" считается по энергии и учитывает оба процесса Вами упомянутых. ДЖРД здесь нечего ловить, так как этот коэффициент в текущих двигателях и так очень хорош.

[Acent]

Вопрос к специалистам:
Учитывается ли такой факт, что детонирующий объём, заключённый в
твёрдую оболочку, оказывает на неё не только метательное, но и
бризантное(дробящее) действие?
Что будет с этой самой оболочкой(камерой сгорания)?

[Алексей Любопытный]

blik, 
1. А как вы думаете, для чего повышают давление в камерах сгорания? ДЖРД проводит процесс горения при более высоком давлении чем обычный ЖРД и тем самым повышается выход полезных горячих молекул.
2. Ваш пример идеален. В реальности такие стенки не существуют.
3, 4 В современных двигателях топливо сгорает при избытке кислорода и даже это не помогает. По этому не просто так придумывают стандарты Евро 2-6.

[Алексей Любопытный]

Acent пишет:
Что будет с этой самой оболочкой(камерой сгорания)?

Для этого нужно умело посчитать ход ударной волны и применить особые материалы и конструкционную прочность там где это опасно.

[Acent]

Приведу известный мне пример:
Перед самой войной(ВОВ) один молодой "специалист", узнав, что артиллерийские
стволы внутри "мягкие", предложил наркомату обороны их закаливать. Но, неожиданно
для себя, узнал, что калёные стволы от выстрелов крошатся. Его спасла неразбериха
начала войны.
      Никто не применяет для метания снарядов бризантные ВВ. Ствол был бы разорван,
а снаряд, скорее всего, даже не вылетел бы.

[mihalchuk]

blik пишет:

mihalchuk пишет:
Я вижу 2 варианте применения ДЖРД:
1. В системе построения ориентации разгонных блоков. Эта процедура выполняется 1-2, иногда 3-4 раза, и много топлива не требует. Если удастся сделать простые и лёгкие движки, работающие на основных компонентах и давлении наддува баков, пусть и с менюшим УИ, то они будут конкурентоспособны.
2. Дешёвый стартовый ускоритель на первый десяток или менее километров полёта. Главное здесь - соотношение цена/тяга, только тяга не двигателя, а ускорителя. Большой УИ также не нужен, лишнего керосина дольём. Но УИ может быть и приличный, если ДЖРД будет цеплять порции воздуха.
Беда в том, что разработчики идут иными тропами, анонсируют другие свойства, и потому могут погубить всё дело.

Вы значительно урезали осетра, но по прежнему не понятно, за счет каких преимуществ в Ваших вариантах использования ДЖРД будет востребован. ЖРД на вытесниловке и так очень прост, у ДЖРД будут значительно толще стенки всегда. В качестве гибрида ЖРД +ВРД преимущества ДЖРД тоже непонятны.
Степень сжатия в детонационной волне никак не работает, как сжалось так и разжалось в обоих случаях бесполезно.

Все преимущества вилами писаны, эти применения только обозначают направления возможных исследований, не более.

[blik]

Zveruga пишет:
blik ,
1. А как вы думаете, для чего повышают давление в камерах сгорания? ДЖРД проводит процесс горения при более высоком давлении чем обычный ЖРД и тем самым повышается выход полезных горячих молекул.

Неверно. Никакого увеличения количества быстрых молекул не происходит, так как теплота сгорания топлива не зависит от давления.
Рассмотрим этапы работы двигателя в энергетическом разрезе.
а) Топливо сгорает и выделяется тепловая энергия. За эффективность этого параметра ответственен "коэффициент полноты сгорания топлива". Здесь ловить ДЖРД нечего, так как коэффициент для современных ЖРД достиг практического потолка 0,98-0,99 и ДЖРД здесь ничего улучшить не может.
б) тепловая энергия преобразуется в кинетическую энергию движения продуктов сгорания и ракеты. Базовым фактором на этом этапе является термодинамический цикл. Для турбины он близок к циклу Брайтона, для камеры с соплом к циклу Ленуара. В обоих циклах важнейшим параметром для кпд является степень расширения, которая лимитируется внешним давлением (неполезно расширять газ до давления ниже внешнего). Цель повышения давление (если сгорание почти полное) - увеличить КПД второго этапа за счет увеличения степени расширения. В вакууме КПД цикла Ленуара близко к  100%, так как возможно практически бесконечное расширение, вне зависимости от давления в камере. Поэтому в вакуумных движках повышают давление для уменьшения геометрических размеров двигателя (это может сопровождаться понижением массы).
В расчете кпд термодинамических циклов участвует внутреннее давление газа, но участвует не пиковое значение в детонационной волне, а значение среднее по торцевым стенкам. Таким образом, на этом этапе ДЖРД проигрывает, так как в нем часть энергии преобразована в направленную детонационную волну (она всегда направлена) и не участвует (или участвует минимально) в обеспечении давления в камере.
в) различные потери, причем для подавляющей части потерь ДЖРД хуже ЖРД.
Теплоотвод на стенки у ДЖРЖ больше из-за большей поверхности коаксильной геометрии.
Вибрационные нагрузки – в ДЖРД приходится пускать несколько детонационных волн, что бы уменьшить биения (но только уменьшить). То есть на этом этапе ДЖРД опять проигрывает.
Дополнительный нагрев стенок в ДЖРД из-за периодической деформации стенок в зоне касания стенок с детонационной волной. Дополнительный нагрев стенок в ДЖРД  за счет вязкого трения со сверхзвуковыми слоями детонационной волны. Ну и до кучи у ДЖРД значительно толще стенки всегда.
В этой теме встречался аргумент - ДЖРД может повысить КПД за счет снижения мощности ТНА или вообще исключить ТНА. Но в этом варианте, мы попадаем на ухудшение УИ за счет этапа Б) так как более низкое давление на стенках камеры понизит кпд темодинамического цикла или получим большие размеры и существенно больший вес (из-за толстых стенок) в вакуумном варианте.
То есть для маршевых двигателей  ДЖРД никак не подходит.

PS нужно копать детонацию в ГПВРД там преимущества очевидны

[Алексей Любопытный]

blik пишет:
так как теплота сгорания топлива не зависит от давления.

А что такое по вашему теплота сгорания. Я задавал вопрос,

Zveruga пишет:
Что такое 241 кДж и какой температуры будет получен пар?

но ответа на него пока не получил.

[vlad7308]

Zveruga пишет:
У сгорания есть свой КПД

У "сгорания" нет КПД.
КПД бывает у устройств.
Термодинамический КПД хорошего ЖРД  -  ~90%, плюс-минус немного в зависимости от конкретной модели и условий.
Поэтому даже "идеальный" ЖРД не даст прироста УИ больше, чем, скажем, ~5-7% от реально летающих.

И дело тут вовсе не чудесных камерах и менделееве-клапейроне, а в удельной теплоте сгорания топлива и молярной массе продуктов сгорания.
Которые есть ровно такие, какие они есть. См. соответствующие справочники.