Детонационные двигатели и некоторые другие вопросы

[Serge V Iz]

 в современных ВРД существует такая же проблема, помпаж двигателя

Там же есть решение в виде небольшой регулировки канала сжатия набегающего потока воздуха, которое работает в... наверное, в эксплуатационном плане, узком диапазоне скоростей и допустимых температур в сечении наибольшего сжатия.

 А в детонационных оно должно превратиться в стационарный процесс, где сжатие до нужной величины обеспечивается ударной волной, причем как повышение, так и снижение скорости распространения процесса  в узкой полосе сжатия-горения-расширения должны наталкиваться на какие-то естественные отрицательные обратные связи. Вроде так?

Откуда они возьмутся, эти обратные связи, черт его знает, но в природе все всегда упирается в какой-нибудь потолок, так что пусть будут. ) Вопрос только в том, чтобы обеспечить процесс совершенно равномерным поступлением свежей смеси, очень хорошо перемешанной, и таким же равномерным удалением продуктов. Тоже как-то тяготеет к моно- или узкорежимному двигателю?

[Hrono]

Владимир Шпирько пишет:
По ссылке - такого цикла нет. Там цикл состоящий из 4 ПРОЦЕССОВ, и только один из них 2-3 при постоянном об`еме - изохорный. Процесс, а не цикл.

 Термодинамический цикл Хемфри часто называют "изохорным циклом", это просто название.

[Hrono]

Zveruga пишет:
Американцы, вон, хотели на 10 М замахнуться, но температуру побороть не смогли, так это совсем другая проблема и выходит, что ВРД таки эффективен на таких скоростях.

 В том-то и дело, что ВРД на таких скоростях уже неэффективен, он проигрывает по эффективности ЖРД и происходит это потому, что тяга ЖРД не зависит от внешней среды.

[Serge V Iz]

ЖРД, вроде, они все должны проигрывать? Это, на сейчас, единственный химический двигатель, где достигаются такие плотности потоков энергии?

Американцы хотели замахнуться на ПВРД без торможения воздуха до дозвуковой скорости, и, возможно даже за счет этого не устраивая сопло с критическим сечением. Но как при этом обеспечить горящую смесь, не делая стометровую камеру сгорания - непонятно )

[Hrono]

Serge V Iz пишет:
ЖРД, вроде, они все должны проигрывать? Это, на сейчас, единственный химический двигатель, где достигаются такие плотности потоков энергии?

 Главным является то, что у ЖРД нет внешнего рабочего тела и он может лететь при произвольном сопротивлении внешней среды, а на ВРД приходится лететь при таком сопротивлении среды, когда получается достаточная тяга ВРД. С ростом скорости это приводит или к полёту при очень большом сопротивлении среды, или к увеличению сечения ВРД, а результат одинаковый, тяговооруженность аппарата падает, в результате чего от высокого удельного импульса ВРД остаётся избыточная составляющая меньше, чем при установке ЖРД.

Serge V Iz пишет:
Но как при этом обеспечить горящую смесь, не делая стометровую камеру сгорания - непонятно )

 Это другой аспект процесса использования внешнего рабочего тела, чем выше скорость, тем больше нужна мощность для создания определённой тяги, это выливается в торможение потока с растущей температурой нагрева потока или в создание очень длинной камеры сгорания, чтобы расширение газа успело воздействовать на аппарат за время взаимодействия с аппаратом.

[Алексей Любопытный]

Ладно, начну с самого начала. Тем более, что я обогатился новыми знаниями и моё понимание вопроса стало более широким.

Спойлер

1. Ударная волна - это обычная звуковая волна, волна сжатия вещества, в котором она распространяется. Если эта волна стоит на месте, то говорят о статической ударной волне или о скачке уплотнения.

Ударная волна кроме повышения давления там где она находится ещё и повышает температуру вещества.

Ударная волна может распространяться быстрее скорости звука. Именно это её необычное свойство является той возможностью, с помощью которой мы можем создать для двигателей сверхзвуковые камеры сжигания топлива.

Ударные волны большой энергетики перемещаются со скоростью быстрее скорости звука, но быстро теряют силу, замедляются и далее перемещаются со скоростью звука.

Ударные волны малой энергетики перемещаются быстрее скорости звука на относительно малых расстояниях, микрометры-сантиметры, а далее, также как и ударные волны большой энергетики, теряют силу и распространяются со скоростью звука.

Существует физическая зависимость, согласно которой, чем выше давление в ударной волне, тем быстрее она перемещается. Но волна распространяется по сфере и сила заключённая в скачке уплотнения с расстоянием распределяется по площади этой постоянно увеличивающейся сферы. От того сначала до скорости звука падает скорость распространения ударной волны и уменьшается давление в скачке уплотнения, а после достижения скорости звука падает только амплитуда - давление в скачке уплотнения.

2. Волна горения - область в которой происходит химическая реакция окисления горючего. Начинается эта область фронтом, а заканчивается тылом.

Спойлер

Эту терминологию придумал я. Она проста для понимания.

[свернуть]

Ширина фронта горения зависит от
а) скорости химической реакции,
б) скорости распространения фронта.

Обратите внимание, первый пункт влияет на скорость прохождения химической реакции, от состояния, когда компоненты ещё не реагировали, до состояния когда компонентов для реагирования больше нет. То есть это время горения. А вот последний пункт влияет на скорость расширения области горения. При этом бывают такие ситуации, когда фронт горения движется быстрее тыла. В такой ситуации область горения постоянно увеличивается, так как старые реагенты не успевают прогореть, а в реакцию вступают всё новые и новые. Такая проблема наблюдается в RDE двигателях, когда фронт волны горения достигает своего тыла, а свежее топливо ещё не подали и волна гаснет.

Фронт горения может распространятся по разным причинам. Такими причинами могут быть повышение температуры компонентов выше критической или даже их ионизация, а также повышение давления.

Уже реагирующие в процессе горения компоненты излучают кванты тепла. Эти фотоны перемещаются со скоростью света во всех направлениях. Их распространение в направлении уже прогоревшего топлива не имеет значения для распространения фронта горения, а вот распространение в направлении ещё непрореагировавшего топлива нагревает его частицы. Также прогоревшие горячие молекулы в результате конвекции сталкиваются с ещё непрореагировавшими молекулами топлива. Эти процессы повышают скорость молекул непрореагировавшего топлива, частоту столкновений между частицами и соответственно растёт вероятность столкновения молекул горючего с молекулами окислителя. Это повышает скорость химической реакции. То есть причина распространения горения в данном случае заключается в распространении по свежему топливу тепла от уже горящего топлива.

Также в ещё не прореагировавшем топливе вероятность столкновения частиц растёт с повышением давления. То есть чем выше давление, тем быстрее распространяется горение.

3. При обычном горении, дефлаграционном, фронт волны горения распространяется в основном по причине передачи тепла. Но есть способы переноса фронта горения с помощью повышения давления путём перемещения по топливу ударной волны. Ударная волна образует область повышенного давления в которой молекулы топлива охотнее вступают в реакцию. Такая волна горения называется детонационной. То есть детонационная волна это волна, в которой горение вызвано не передачей тепла, а передачей давления.

Когда говорят - ударная волна - имеют ввиду просто область пересжатия. Когда говорят - детонационная волна - имеют ввиду область пересжатия и горения вместе. Детонационная волна инициирует горение, это фронт волны горения. Ударная же волна может идти и по уже горящей и по уже прогоревшей смеси.

Обычная детонация происходит также и в дизельных двигателях и в прямоточных, но есть разница между тем что уже достигнуто инженерами и тем о чём идёт речь, когда говорят о детонационных двигателях. В дизельном двигателе сжатие топлива осуществляется поршнем. Согласно законам термодинамики, чем выше степень сжатия, тем выше КПД двигателя. Для дизельных двигателей это десятки атмосфер (до 40). Для идеального прямоточного сверхзвукового двигателя на скорости 3 М степень сжатия будет составлять 36,7 (для сравнения степень сжатия ТРД АЛ-31ФП = 23). Эти цифры на порядок меньше степени сжатия в современных ЖРД, которые достигли цифры в 259 атмосфер (РД-191). Поэтому когда говорят о перспективных детонационных двигателях имеют ввиду давления превышающие уже достигнутые величины. Детонационные волны позволяют достичь давления и в 400 атмосфер, что в 1,5 раза лучше чем в лучшем на данный момент ЖРД.

Но возникает вопрос, как получить такие ударные волны, с таким высоки давлением? И для этого учёные бросились изучать процессы детонации. Как оказалось повышение энергетики ударной волны получается путём банальной интерференции, когда ударная волна складывает свою силу с другой ударной волной или даже с самой собой. Для этого достаточно направить две волны малой мощности в направлении друг друга, или какого-то фокуса, чтобы получить новую волну большей мощности. Новая волна, обладая большей энергетикой будет обладать большим давлением в области пересжатия. И это в свою очередь повышает её скорость перемещения до момента, пока она не потеряла свою энергию. Вот так и получаются галопирующие волны, приводящие к взрывам и повреждению двигателей.

Вот тут видны области сжатия ударных волн, которые генерируют новые волны.

Обратите внимание на ударную волну, которая идёт вслед за детонационной.

При повышении скорости подачи топливной смеси эта ударная волна достигает такой энергетики, что отражаясь от верхней стенки канала интерферирует сама с собой генерирую новую волну с большей энергетикой. Эта новая волна приобретает скорость большую чем скорость детонационной волны. В итоге эта новая ударная волна обгоняет детонационную и становится новой детонационной волной, генерирующей фронт горения. Этот процесс называется галопирующая волна.

В галопирующей волне одна ударная волна постоянно сменяет другую. Они подобны коням скачущим галопом на перегонки друг другу.

Остаётся с помощью моделирования спроектировать такие конструкции камер сгорания, в которых путём интерференции ударных волн будут генерироваться нужные нам области пересжатия с нужным давлением и скоростью распространения. Существует несколько подходов к конструированию детонационных двигателей.

1. PDE - с пульсирующей детонационной волной.
2. CDE - со статичной детонационной волной.
3. RDE - с вращающейся детонационной волной.

Вот эту картинку я показывал выше. Это и есть ячейки детонации, или другими словами пузыри ударных волн - вид сбоку.

Вот начало процесса детонации - вид с фронта. Ячейки ещё маленькие. Пузыри обладают большой энергетикой и скоростью расширения.

А это уже вырождение детонации. Пузыри стали большими и медленными. В итоге процесс перейдёт в горение одним фронтом с обычной скоростью не превышающей скорость звука.

Вот модель генерации ячеистой детонации в канале.

А это сравнение математического аппарата с реальными экспериментами.


Ну и простейший пример генерации стоячей детонационной волны состоящей из одной ячейки.

Можете считать эту трубу простейшим CDE двигателем.

Рассмотрение работы вариантов детонационных двигателей это уже другая тема. Тут я хотел изложить только теорию детонации. Спасибо за внимание!

[свернуть]

[Serge V Iz]

А какова идея применения? Тут же, выше в тексте упоминалось огромное давление в КС ЖРД. Так вот, это самое давление, умноженное на объем камеры сгорания, грубо, и есть величина заключенной там энергии. Локальные уплотнения или разрежения могут лишь повлиять на пространственное распределение энергии внутри КС, изменить характеристики рабочего тела локально. К слову, один разрыв в ЖРД уже имеется - "ударная волна наоборот", когда газы, покидая КС и проходя через критическое сечение разгоняются до скорости звука, а потом, при расширении, и выше.

[Старый]

Hrono пишет: 
 Путём естественной или принудительной вентиляции, компрессор с большим повышением давления не нужен.
 Представьте себе, что вы произвели взрыв в трубе имеющей форму камеры сгорания, но с отверстием в верхней части камеры.
 В изохорном цикле можно не создавать область повышенного давления.

Как будет топливо и рабочее тело подаваться в камеру где давление повышено за счёт происходящей там детонации?

[Алексей Любопытный]

Serge V Iz пишет:
А какова идея применения? Тут же, выше в тексте упоминалось огромное давление в КС ЖРД. Так вот, это самое давление, умноженное на объем камеры сгорания, грубо, и есть величина заключенной там энергии. Локальные уплотнения или разрежения могут лишь повлиять на пространственное распределение энергии внутри КС, изменить характеристики рабочего тела локально. К слову, один разрыв в ЖРД уже имеется - "ударная волна наоборот", когда газы, покидая КС и проходя через критическое сечение разгоняются до скорости звука, а потом, при расширении, и выше.

Ну... в моём понимании вы верно мыслите. Можно создать такую камеру сгорания, в которой имеется фокус ударных волн или стоячая ударная волна высокой интенсивности, через которую проходит поток смеси топлива. Таким образом всё топливо будет реагировать в области пересжатия с особо высоким давлением. Выше чем позволяют достичь современные КС ЖРД.

Нужно пропустить всё топливо через фокус ударных волн или сфокусировать ударные волны в точке прохождения топлива. И не важно, что область высокого давления маленькая, всё равно всё топливо через неё пройдёт (мы так должны задумать конструкцию).

Старый пишет:
Как будет топливо и рабочее тело подаваться в камеру где давление повышено за счёт происходящей там детонации?

В КС давление будет низким. Высокое давление будет только в узкой области. Звук не видит особых препятствий, когда перемещается из одной области низкого давления в другую область низкого давления при этом перенося в себе область высокого давления.

[Алексей Любопытный]

По этой причине в этой теме я однажды сказал, что детонационный двигатель подобен обычному свистку, так как в нём тоже есть область генерации звуковых волн, которые фактически являются ударными волнами слабой интенсивности. Правда в свистке эти волны пульсируют в резонансе, а значит свисток это прообраз PDE двигателя.

[Алексей Любопытный]

Можно теперь объяснить отличие пульсирующего двигателя от детонационного пульсирующего (ПуВРД от ПуДВРД). Если интенсивность пульсирующих волн в ПуВРД ниже чем требуется для поджига топлива, тогда пульсирующие ударные волны в таком двигателе не превращаются в детонационные. То есть за ними не образуется фронт горения топлива.

Горение топлива в ПуВРД в основном распространяется переносом тепла. Горение топлива в ПуДВРД в основном распространяется переносом давления.

[Serge V Iz]

То есть, возвращаясь к КС ЖРД, создать в ней что-то вроде кумулятивного эффекта, направив симметричную волну примерно "от стенок в район оси камеры и в сторону выхода из"? Наверное, такое может сработать, если это суметь ) Но тогда режим точно придется делать пульсирующим. )

[Алексей Любопытный]

Serge V Iz пишет:
То есть, возвращаясь к КС ЖРД, создать в ней что-то вроде кумулятивного эффекта, направив симметричную волну примерно "от стенок в район оси камеры и в сторону выхода из"? Наверное, такое может сработать, если это суметь ) Но тогда режим точно придется делать пульсирующим. )

Да. Но режим не обязательно может быть пульсирующим. Можно на основе кумуляции ударной волны сделать не только PDE, но и CDE двигатель. А вот с RDE проблема и этой проблемой я только занялся.

Павел Булат и многие инженеры до него тоже пытались решить эту задачу, но безуспешно. Дело в том, что в RDE продукты горения неохотно покидают КС. Ударная волна сделав оборот успевает достигнуть не обновлённую сгоревшую топливную смесь и гаснет. Для решения проблемы необходимо повышать диаметр кольца камеры, а это в свою очередь понижает энергомассовые характеристики RDE по сравнению с традиционными КС ЖРД.

[Alex GU]

Zveruga пишет:
Ладно, начну с самого начала. ...
...
Остаётся с помощью моделирования спроектировать такие конструкции камер сгорания, в которых путём интерференции ударных волн будут генерироваться нужные нам области пересжатия с нужным давлением и скоростью распространения. Существует несколько подходов к конструированию детонационных двигателей.

...

Рассмотрение работы вариантов детонационных двигателей это уже другая тема. Тут я хотел изложить только теорию детонации. Спасибо за внимание!

Есть и у нас варианты ...

[dmdimon]

Serge V Iz пишет:
То есть, возвращаясь к КС ЖРД, создать в ней что-то вроде кумулятивного эффекта, направив симметричную волну примерно "от стенок в район оси камеры и в сторону выхода из"? Наверное, такое может сработать, если это суметь ) Но тогда режим точно придется делать пульсирующим. )

Полветки назад меня за это пытались сжечь )

[Hrono]

Старый пишет:
Как будет топливо и рабочее тело подаваться в камеру где давление повышено за счёт происходящей там детонации?

 В пульсирующей версии детонационного ВРД всё просто, в камере сгорания внешнее давление, это давление набегающего потока, или атмосферное, если набегающего потока нет, топливо подаётся топливным насосом через форсунки. После пульсации всё выдувается и камера сгорания наполняется рабочим телом через воздухозаборник.
 Как то же самое собираются делать в детонационном ЖРД не знаю.

[Serge V Iz]

Полветки назад меня за это пытались сжечь )

Ну а чего. Пока не видно с какой стороны даже подходить. Там же мало один раз мощно плюнуть сфокусированной детонационной волной, надо еще как-то ее след, всю ту смесь, по которой она прошла удалить и заменить свежей. Если рассчитывать на (только) звуковые волны или гидродинамические эффекты, типа, просто стационарные разогнанные потоки в одной точке столкнуть, то это ПВРД в чистом виде, даже если его удастся запилить внутри камеры сгорания.

[Алексей Любопытный]

Serge V Iz пишет:
Там же мало один раз мощно плюнуть сфокусированной детонационной волной, надо еще как-то ее след, всю ту смесь, по которой она прошла удалить и заменить свежей.

Крутятся у меня в голове кое какие схемы, но их нужно обмозговать.

[dmdimon]

Serge V Iz пишет:

Полветки назад меня за это пытались сжечь )

Ну а чего. Пока не видно с какой стороны даже подходить. Там же мало один раз мощно плюнуть...

Вот как раз за один раз плюнуть в принципе )))

[Serge V Iz]

Не, ну никто еще не знает как ) Но сама перспектива поиметь скорости истечения порядка десятков км/с? ) Хотя бы для устройства чего-то промежуточного между СПД/ДМТ и настоящими ЖРД? ))