Детонационные двигатели и некоторые другие вопросы

[Старый]

Так какая нечистая сила даст энергию детонационному ЖРД?

[Алексей Любопытный]

Старый пишет:
Импульс за крайние лет 30 не рос. Энергия содержащаяся в химическом топливе используется практически полностью, дальше расти некуда.
Детонация добавит энергию из ниоткуда?

Причина не роста импульса не в пределе химической реакции, а в пределе конструкторских возможностей по повышению давления в камерах сгорания. Предел достигнут в НК-30 и ни кем не покорён.

[Старый]

И таки хотелось бы увидеть хоть один действующий детонационный ЖРД.

[Алексей Любопытный]

Старый пишет:
Подняв давление в разы удалось поднять УИ в вакууме ажно на 5% по сравнению с древним РД-108. Всё, дальше некуда, дальнейший рост давления не помогает.

Дальнейший рост давления нереален. Турбина тому причина. Подача топлива растёт, а прогорает топливо не полностью. КПД падает.

Нужен новый смеситель, пульсирующий подойдёт.

[Алексей Любопытный]

Старый пишет:
И таки хотелось бы увидеть хоть один действующий детонационный ЖРД.

ПуДД КБ Люльки.

[Алексей Любопытный]

Старый пишет:
Подняв давление в разы удалось поднять УИ в вакууме ажно на 5% по сравнению с древним РД-108. Всё, дальше некуда, дальнейший рост давления не помогает.

Приведу своё.

Из-за медленной скорости распространения горения топливная смесь прогорает не полностью и выходит в выхлоп с низким КПД. Чем быстрее подаётся топливная смесь тем сильнее падает КПД из-за ухудшения прогорания топлива. Для увеличения КПД в двигателях используют качественное смешение топлива с воздухом. Это и применение вихревых горелок в турборективных двигателях (так сделали в SAM146 для Суперджета, французский патент мать его), турбин в поршневых и ракетных двигателях, и т. п.

Устройство смешивания топлива с окислителем и его впрыска стало ключевым механизмом определяющим КПД двигателя. Патенты на такие устройства принадлежат в основном западным странам, по этой причине они держат лидерство в поршневом и турбореактивном двигателестроении. Например, для создания в России на ЯМЗ двигателя соответствующего экологическому стандарту Евро-5, пришлось привлечь Австрийцев, которым принадлежит патент на систему впрыска топлива высокого давления, которая также является частью механизма смешивания топлива с окислителем. Патент на лучшую конструкцию турбины для ракетного двигателя принадлежит России, по этому у нас лучшие ЖРД в мире. (познайте силу патентов и мирового заговора по их соблюдению между странами)

Но все эти устройства призваны решать только одну проблему - увеличение скорости дефлаграционного (медленного) горения. Американцы уже вот такое создали

для своего многоразового воздушно-космического самолёта. Устройство также призвано лучше смешивать топливо с окислителем для более тщательного прогорания и повышения КПД двигателя.

Пульсации топливной смеси позволяют улучшить смешивание топлива с окислителем в противовес вихревому смешиванию применяющемуся сейчас в турбинах.

Человечество уже 50 лет устраивает экономические войны благодаря имеющимся патентам на устройства смешивания топлива. Крутые турбореактивные двигатели, дизели, Евро-4, 5, всё это благодаря более эффективным устройствам перемешивания топлива с окислителем.

[Старый]

Zveruga пишет:

Старый пишет:
Подняв давление в разы удалось поднять УИ в вакууме ажно на 5% по сравнению с древним РД-108. Всё, дальше некуда, дальнейший рост давления не помогает.

Дальнейший рост давления нереален. Турбина тому причина. 

Дальнейший рост давления не приводит к дальнейшему росту УИ. Ты это способен понять? Турбина тут не при чём, тут закон сохранения энергии. 

Подача топлива растёт, а прогорает топливо не полностью. КПД падает.

Ой, блин! Ну ты и ляпнул! С чего это оно вдруг перестаёт полностью прогорать? И откуда ты такое "узнал"? Оттуда же откуда охлаждение солнечных батарей?

Нужен новый смеситель

Не нужен. Существующий отлично подходит.

[Алексей Любопытный]

Старый пишет:
Ты это способен понять? Турбина тут не при чём, тут закон сохранения энергии.

Попробую на пальцах. У вас есть килограмм керосина и килограмм кислорода. Требуется создать смеситель организующий полное перемешивание за 0,1 секунду. Сделаете? Думаю сделаете.

Теперь нужно повысить давление в камере сгорания. Для этого потребуется смешивать тонну кислорода и тонну керосина за 0,1 секунду. Сделаете? Я думаю да. Но весить он будет столько, что ни на какой ракете не полетит.

Причина в том, что до сих пор процедура увеличения площади химической реакции осуществлялась с помощью повышения площади горения, которая увеличивалась благодаря турбулентным завихрениям. Вспомните как вы перемешиваете сметану в борще или какой другой аналогичный процесс. Два вещества в растворе при перемешивании образуют спирали из узких слоёв разного вещества. Граница между этими слоями и есть место контакта для дефлаграционного горения. И скорость реакции будет сопоставима с площадью взаимодействующих реагентов.

Но при росте давления необходимо нагнетать топливную смесь в двигатель. Самотёком она уже туда не идёт. А это требует создания более высокотемпературных и более высокооборотистых турбин. Отсюда вибрации (вспомните проблемы Протона, или того же НК-33 во времена создания лунной ракеты) и прогорание.
Достигли предела. Дальше турбины из имеющихся материалов неэффективны.
Пришло время повышать давление и качество смешивания топлива с окислителем с помощью пульсаций встречных ударных волн приводящих к детонации.

[Алексей Любопытный]

Старый пишет:
Ой, блин! Ну ты и ляпнул! С чего это оно вдруг перестаёт полностью прогорать? И откуда ты такое "узнал"? Оттуда же откуда охлаждение солнечных батарей?

Потому, что скорость подачи топливной смеси растёт с ростом давления в камерах сгорания. А скорость горения между слоями топлива и окислителя не превышает дефлаграционной.

[Старый]

Zveruga пишет:
Потому, что скорость подачи топливной смеси растёт с ростом давления в камерах сгорания. 

Ну ты, блин даёшь! Конечно нет. Скорость подачи топливной смеси не зависит от давления в камере сгорания, с какой хотят с такой и подают.
 Если ты не знал, скорость газов растёт только в сопле но не в камере сгорания. 

А скорость горения между слоями топлива и окислителя не превышает дефлаграционной.

А скорость горения чем больше давление тем выше. Но если бы она была постоянной то и это ничего бы не изменило. 

[Алексей Любопытный]

Старый пишет:
Если ты не знал, скорость газов растёт только в сопле но не в камере сгорания.

Старый пишет:
А скорость горения чем больше давление тем выше. Но если бы она была постоянной то и это ничего бы не изменило.

Вы забываете про количество тепла получаемого с помощью горения. Если вы будете подавать мало топлива в камеру сгорания, то количество тепла будет малым, а соответственно и импульс.

Скорость горения действительно зависит от давления. Но этому давлению уже достигли предел. Только детонационное давление способно далее повысить давление в химической реакции.

[avmich]

Зверюга, я, кажется, понимаю вопросы Старого, попробую сейчас объяснить.

Тут, как обычно, несколько факторов, которые нужно правильно понимать.

Сразу отмечу - сгорание горючего в современных ЖРД, как правило, неполное, и это делается специально. И улучшить это нельзя, потому что зато сгорание окислителя - полное. Горючего в смеси - больше, чем стехиометрическое соотношение, из-за того, что при этом получается более высокий УИ. То есть - несмотря на то, что сгорание горючего неполное, и улучшить это нельзя, по химическим соображениям.

Энергетика сгорания работает так. Существует запасённая в топливе и окислителе химическая энергия - по сравнению с таковой у продуктов сгорания. Этот избыток энергии преобразуется в тепло. Нельзя повысить этот избыток - потому что он определяется химическим составом того, что горит и того, до какого состояния оно горит, а сгорание в ЖРД достаточно полное (в смысле см. выше). Поэтому Старый и интересуется, в присущей ему интеллигентной манере, откуда берутся лишние дровишки в смысле закона сохранения энергии (ЗСЭ). Иными словами, поскольку ЗСЭ, и поскольку имеющаяся энергия уже вся используется на нагрев - непонятно, откуда взять ещё на ускорение струи.

Давление в камере сгорания не растёт. Самое большое давление во всей системе ТНА-ЖРД - сразу после насосов, потом оно постепенно падает по всей цепочке. Если бы удалось как-то повысить давление в камере, то тут же перестало бы топливо поступать в камеру - потому что давление мешает.

Я могу тут где-то и ошибаться или не учитывать что-то - например, может быть, тут существенно нестационарный процесс, и картина более сложная?

[Кубик]

avmich пишет:
Зверюга, я, кажется, понимаю вопросы Старого, попробую сейчас объяснить.
Тут, как обычно, несколько факторов, которые нужно правильно понимать.

Вполне нормальное обьяснение для тех, кто ждёт чудес, но их оно не устроит, боюсь...

[mihalchuk]

mihalchuk пишет:

Zveruga пишет:

mihalchuk пишет:

Позже теоретические выводы и оценки Зельдовича были подтверждены термодинамическими и многомерными газодинамическими расчетами. Так, термодинамические расчеты показали, что КПД цикла Зельдовича (так сегодня называют цикл с детонационным горением) может на 20%–30% превышать КПД цикла с горением при постоянном давлении, а многомерные газодинамические расчеты рабочего процесса в жидкостном ракетном двигателе с детонационном горением дают превышение КПД на 13%–15% по сравнению с обычным жидкостным ракетным двигателем.

Что такое горение при постоянном давлении? Это то, что происходи в КС ЖРД? Не верю в 20-30%, им неоткуда взяться. КПД современных ЖРД зависит от степени расширения сопла и переваливает за 70%. Что такое обычный ЖРД в смысле расширения сопла?

Вот та научная работа, которая доказала эффективность детонационного горения по сравнению с дефлаграционным.
 http://www.frolovs.ru/pdf/2015-22-rus.pdf
Двигатель получился на 6-7% эффективней и при этом в четыре раза дешевле.

Читаем:

Аннотация: Создан испытательный стенд для огневых испытаний стендовых де-
монстрационных образцов ракетных двигателей нового типа с непрерывно-дето-
национным горением. На малоразмерных стендовых демонстрационных образ-
цах ракетных двигателей с кольцевой камерой сгорания внешнего диаметра 50
и 100 мм с кольцевым зазором 5 мм, работающих на водородно-кислородной
смеси , впервые экспериментально доказано, что термодинамический цикл Зель-
довича с непрерывно-детонационным горением водородно-кислородной смеси
соответственно на 6%–7%и 7%–8%эффективнее, чем термодинамический цикл
с непрерывным горением той же смеси при прочих равных условиях. В серии
испытаний стендового демонстрационного образца c камерой диаметром 100 мм
на метанокислородной смеси с коэффициентом избытка горючего от 0,95 до 1,4
получены только режимы с непрерывно-детонационным горением, а режимы
с непрерывным горением вообще не наблюдались. Ввиду того, что в проведен-
ных испытаниях давление в испытуемых камерах сгорания было относительно
низким (ниже 3 атм), а конструкции камер сгорания и сопел были неоптимизи-
рованы, полученные значения удельного импульса оказались низкими (до 160 с).

Против Зельдовича, собственно, никто и не возражал. Вопрос был в реальном его воплощении в ЖРД. УИ 160 с для кислородно-водородной пары - не тот диапазон, чтобы можно было о чём-то разговаривать. Давление в КС - несерьёзное (менее 3 атм), тут действительно не нужен ТНА. Кольцевое сопло никого не насторожило?

Уважаемые! В ответ на это вы накидали много ссылок, не проясняющих сути дела. Но думать-то когда начнём сами?
Вообще я за то, чтобы сеанс магии заканчивался разоблачением. Так вот, я не зря обратил внимание на то, что авторы неграмотно называли кольцевым соплом. На самом деле имеет место кольцевая камера сгорания и коническое сверхзвуковое сопло внешнего расширения. Чем такие сопла отличаются? Правильно, в них нет области перерасширения, на стенках давление выше или равно атмосферному. Это происходит потому, что когда давление расширяющейся струи на стенки доходит до атмосферного, дальше струю к соплу прижимает сама атмосфера. То, что у испытателей давление в камере не дотягивает до 3 атмосфер, означает 1,5 атмосферы в критическом сечении, если речь идёт об абсолютном давлении, и 1 атмосферу, если об избыточном. Что это значит? А то, что внешнее сопло практически не работает, большая часть тяги определяется дозвуковым соплом. Это вообще близко к режиму запирания сопла, может быть так и есть, учитывая малые размеры камеры и трение смеси. На это ка бы намекает и величина удельного импульса - 160 с, в то время как в водородниках в критическом сечении она далеко за 200. И вот тут импульсная работа как раз идёт на пользу - она заставляет работать большую площадь сверхзвукового сопла (если вообще не всё сопло) при прохождении волны давления, а при прохождении волны разряжения режим перерасширения обрубается атмосферой.
А теперь представьте, что мы подаём в КС давление 50 атм. Тогда большая часть сверхзвукового сопла будет работать, импульс давления даст небольшую прибавку, а волна разрежения - отнимет импульс. В целом, если и получим прибавку, то она будет мала.
Думаю, авторы эксперимента прекрасно это представляют, и в поисках денег/внимания специально выбрали столь низкое давление, чтобы иметь видимый результат. Давление-то неприлично низкое, они, небось, газы велосипедным насосом качали, даже автомобильный электрический, который есть как минимум у каждого второго из них, даст заметно больше.

[mihalchuk]

Zveruga пишет:

mihalchuk пишет:
Эти знания нуждаются в проверке. То, что вы описали, как взаимодействие двух волн - поставьте на линии/поверхности взаимодействия стенку. Чем процесс будет отличаться?

Именно так и поступают некоторые исследователи. Но такие генераторы детонаций получаются менее эффективными, так как для детонации на статичной стенке требуется более высокая энергия набегающего потока топливной смеси.

Причём тут стенки-препятствия на картинках, которые вы привели? Повторяю вопрос: если по границе взаимодействия волн проложить стенку, как изменится процесс? Почему?

[Danila Rom]

Кубик пишет:

avmich пишет:
Зверюга, я, кажется, понимаю вопросы Старого, попробую сейчас объяснить.
Тут, как обычно, несколько факторов, которые нужно правильно понимать.

Вполне нормальное обьяснение для тех, кто ждёт чудес, но их оно не устроит, боюсь...    

Я вам сейчас расскажу про чудеса.

Хотим получить электроэнергию из дров. 

Кидаем поленья в топку, далее кипятим воду, пар на турбину и т.д. Получаем низкий КПД из-за низкой температуры пара.

Идем дальше, превращаем наши дрова в опилки и сжигаем их и т.д. Температура выше - КПД повысился.

А можем получить из дров CO и H2 и сжечь их в ГТД. И получить очень высокий КПД на парогазовой электростанции.

Можно еще вместо паровой турбины  использовать CO2 турбину.

А можно получить электроэнергию из CO и H2 на топливных ячейках.

Вот такие вот чудеса.
-------------------------------------------------
Детонационное сгорание для ракетных двигателей не даст высокий удельный импульс, зато может сильно его упростить и сделать его дешевле.

Также возможно сделать прямоточный ДД для первой ступени, что сильно снизит её вес и стоимость.
-------------------------------------------------
Перейдем к Ротационным Детонационным Двигателям (RDE). 

Давление там пиковое только рядом с детонационной волной. Там давление на дно большое и топливо не поступает в камеру. А далее после нее уже давление падает и топливо начинает поступать.

[Старый]

avmich пишет:
Если бы удалось как-то повысить давление в камере, то тут же перестало бы топливо поступать в камеру - потому что давление мешает.

Ну он же намекает на импульсную работу двигателя. В камеру сгорания под низким давлением распыляется топливо, какимто образом там перемешивается, поджигается, БАХ!, происходит детонация и под огромным давлением газы вылетают через сопло. В камере опять пусто и можно опять чтото впрыснуть. 
 Вот так он понимает. 

[mihalchuk]

Zveruga пишет:

mihalchuk пишет:
Если есть какое-то перемешивание реактивной струи, то в ней возникают вихри, которые забирают энерргию - эффективность термодинамического процесса падает.

Как вам вот такие вихри?
 

Они перемешивают не закручиванием (увеличением площади контакта), а просачиванием материала двух волн сквозь друг друга (увеличением концентрации в ограниченном объёме).

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагентов. По этому для увеличения скорости реакции выгодно повысить давление реагирующей смеси.

Но повышение давление довольно энерго- и конструкционно- затратный процесс. Использование ударных волн позволяет понизить затраты на ускорение хим. реакции.

Любые вихри если они есть, чем бы они не занимались, отбирают энергию. Безвихревое течение даст на выходе больший УИ. В ЖРД нет проблемы несгорания топлива, всё давно решено измельчены форсунки и оптимизарована длина КС. Если что можно выиграть, то 0,1-0,2%.

[Старый]

Что интересно он не различает понятия "давление во фронте ударной волны" и "давление в камере сгорания". Он считает что ударная волна не проходит через камеру сгорания а занимает весь её объём, что весь газ в камере находится под давлением и температурой фронта ударной волны и с такими параметрами направляется в сопло.

[mihalchuk]

Zveruga пишет:

Danila Rom пишет:
МГД генератор на ротационных ДД (RDE)

Можно получать электроэнергию без дополнительных узлов - удешевление ракет и т.д.
Так же тут пишут что на RDE возможно получить импульс более 500с - возможная замена текущим ЖРД, которая будет стоить в разы дешевле и будет намного надежнее.

 https://www.netl.doe.gov/File%20Library/Events/2014/MHD/2-6-MPGW-AC-GMeholic-10012014.pdf

Я тоже об этом думал. Детонация позволяет достичь небывалых температур химической реакции, до образования плазмы.

Детонация этого не позволяет. Температура химической реакции слабо привязана к локально высокой температуре, которую можно локально достичь за счёт эффекта кумуляции.