Детонационные двигатели и некоторые другие вопросы

[SONY]

В статье говориться о вращающемся детонационном двигателе. Над этой идеей работают в США, РФ и в Китае. В таком двигателе: "При детонации продукты горения расширяются со сверхзвуковой скоростью, что теоретически на 25 % более эффективно, чем обычное дефлаграционное сгорание.
Более высокая эффективность двигателя может обеспечить значительную экономию топлива."

Я как-то разговаривал с разработчиками одного из вариантов детонационного двигателя. Он был на паре водород-кислород, и для него был заявлен удельный импульс 350 секунд. Диалог примерно такой:
- В чём преимущество детонационного двигателя?
- Он как минимум на 20% эффективнее обычного.
- А в чём это выражается, ведь удельный импульс ниже, чем у обычного?
- Удельный импульс у него минимум на 20% выше, чем у обычного!
- Но как же?.. Ведь его удельный импульс даже для простых керосиновых двигателей достижим, а для водородных так и вообще мизерный...
- А откуда вы знаете, какой у него удельный импульс?
- Так вот же, на табличке написано...
- Да?.. А, ну это лабораторный образец, у конечного изделия будет выше.
- Ну а сколько конкретно?
- А сколько обычно у водородных ЖРД?
- Где-то 450 секунд.
- Вот у нас будет на 20% выше! Сколько там получается?.. 540 секунд.

Хотелось бы отдельно отметить, что удельный импульс в 540 секунд просто фундаментально невозможен, т.к. соответствует удельной кинетической энергии более 14 МДж/кг, а это превосходит (низшую) энергия сгорания смеси водорода с кислородом, т.е. требует КПД более 100%.

Так что заявления про "на 25 % более эффективно" - это не понятно, о чём вообще. Причём, похоже, не понятно даже самим разработчикам...

У детонационных двигателей реальное преимущество может быть в том, что при работе в атмосфере удельный импульс ракетного двигателя зависит от давления в камере сгорания, а детонационный двигатель может иметь давление в 10 атмосфер с точки зрения насосного агрегата, но 10 000 атмосфер - с точки зрения удельного импульса. За счёт того, что разгон газа происходит в той точке, где детонация, а подача топлива происходит в той точке, где она уже закончилась. Ну или по времени процессы разнесены.
Однако 20% или, тем более, 25% прирост по сравнению с классическим ЖРД закрытого цикла, имеющим давление в камере сгорания типа 250 атмосфер, получить совершенно невозможно.
Может быть улучшение не по удельному импульсу или тепловому КПД, а по габаритам и массе, например - это да. Но это, во-первых, ещё нужно показать, а во-вторых, 25% снижения массы двигателя не так чтобы принципиально повлияют на параметры ракеты-носителя в целом.

[Tcheluskin]

Детонационный двигатель, же не может, в ПРИНЦИПЕ, как то улучшить характеристики ЖРД

Как раз таки могут.
Пульсирующие двигатели при испытаниях демонстрируют "аномальный" прирост тяги вплоть до 300%.
В статьях называется: прирост тяги за счет присоединения масс газа в колебательном рабочем процессе.
Как я понял, некий аэродинамический эффект более полного использования энергии истекающего газа или окружающей атмосферы.

[Sembler]

...
Так что заявления про "на 25 % более эффективно" - это не понятно, о чём вообще. Причём, похоже, не понятно даже самим разработчикам...

Если Ваш собеседник не придавал значение УИ, то, возможно, он из автомобильных двигателистов. У детонационного двигателя есть аналогии с дизелем, например, взрывной характер воспламенения смеси, более высокая температура сгорания. А у дизеля в авто КПД выше, чем у карбюраторного - из этого может происходить утверждение о большей эффективности ДД по сравнению с привычными ЖРД.
Подождем-посмотрим, что получится в реальности. Чем-то же идея детонационного двигателя привлекает исследователей из разных стран.

[SONY]

У детонационного двигателя есть аналогии с дизелем, например, взрывной характер воспламенения смеси, более высокая температура сгорания. А у дизеля в авто КПД выше, чем у карбюраторного - из этого может происходить утверждение о большей эффективности ДД по сравнению с привычными ЖРД.

В дизеле точно также происходит постепенное горение топлива, а не взрывное. А КПД выше из-за более высокой степени сжатия, который равен геометрическому коэффициенту расширения. В аналогии с ракетными двигателями дизель имеет сопло с более высоким коэффициентом расширения.
Разумеется, детонация (т.е. именно "взрывной характер") может повысить КПД ДВС. Но именно из-за роста эффективного коэффициента расширения, а того же эффекта можно достичь удлинив сопло. Об этом я ранее неоднократно писал.
Разумеется, в атмосфере удлинять сопло, повышать его коэффициент расширения, бессмысленно. И вот тут детонационные двигатели уже могут получить недостижимый для традиционных ЖРД результат. Но не такой, чтобы аж на 20-25% удельный импульс выше стал. О чём я, опять таки, уже писал выше.

[AlexNB]

Детонационный двигатель, же не может, в ПРИНЦИПЕ, как то улучшить характеристики ЖРД

Как раз таки могут.
Пульсирующие двигатели при испытаниях демонстрируют "аномальный" прирост тяги вплоть до 300%.
В статьях называется: прирост тяги за счет присоединения масс газа в колебательном рабочем процессе.
Как я понял, некий аэродинамический эффект более полного использования энергии истекающего газа или окружающей атмосферы.

Мы же говорим о ЖРД, если говорить о комбинированных двигателях, то есть более простые и эффективные варианты использующие присоединенную массу, чем детонационные, плюс более легкие. Насчет пульсирующих, после Фау1 они использовались очень редко в силу своих недостатков. Чаще как расходный материал для мишеней.

[Александр Геннадьевич Шлядинский]

Тут вот одному человеку надоело ждать и он сделал... Что сделал, то сделал. Оно конечно работает, но из-за отсутствия каких либо измерений понять, что у него получилось, пока нельзя.
https://youtu.be/kOFPwkZF1RA?si=ivN46R8yPRNpe-kS

[Владимир Шпирько]

Тут вот одному человеку надоело ждать и он сделал... Что сделал, то сделал. Оно конечно работает, но из-за отсутствия каких либо измерений понять, что у него получилось, пока нельзя.
https://youtu.be/kOFPwkZF1RA?si=ivN46R8yPRNpe-kS

Да ерунда получилась... есть много ляпов, как технологических, так и термодинамических.  я думаю на уровне V-1 (фау-1).

[Дем]

В статье говориться о вращающемся детонационном двигателе. Над этой идеей работают в США, РФ и в Китае. В таком двигателе: "При детонации продукты горения расширяются со сверхзвуковой скоростью, что теоретически на 25 % более эффективно, чем обычное дефлаграционное сгорание.

Ну вот только скорость газов на выходе из ЖРД - порядка 3000 км/с, десять звуков.

[Дем]

Пульсирующие двигатели при испытаниях демонстрируют "аномальный" прирост тяги вплоть до 300%.
В статьях называется: прирост тяги за счет присоединения масс газа в колебательном рабочем процессе.

Для мелких движков - может быть. А вот для тех которые на ракете - расход топлива тонны в секунду, а кубометр воздуха весит всего килограмм. Так что прибавкой можно пренебречь.

[SONY]

Ну вот только скорость газов на выходе из ЖРД - порядка 3000 км/с, десять звуков.

Скорость звука нужно смотреть не относительно воздуха в комнате, а относительно газа в двигателе. Там в камере сгорания движение вообще дозвуковое, а на выходе из сопла хоть и сверхзвуковое, но не десять скоростей звука.

[Владимир Шпирько]

Ну вот только скорость газов на выходе из ЖРД - порядка 3000 км/с, десять звуков.

Скорость звука нужно смотреть не относительно воздуха в комнате, а относительно газа в двигателе. Там в камере сгорания движение вообще дозвуковое, а на выходе из сопла хоть и сверхзвуковое, но не десять скоростей звука.

Так в "детонационном" двигателе скорость истечения вообще не имеет никакого отношения к скорости детонации.  Скорость детонации это скорость распространения "процесса горения", вот она как раз выше местной скорости звука. А дальше тоже самое - расширение нагретого газа.  И лишней энергии взяться не откуда.  Это чистая химия.  Т.е если сгорело всё, то газ нагрелся также, и истекать будет с той же скоростью. 

[Александр Геннадьевич Шлядинский]

Тут вот одному человеку надоело ждать и он сделал... Что сделал, то сделал. Оно конечно работает, но из-за отсутствия каких либо измерений понять, что у него получилось, пока нельзя.
https://youtu.be/kOFPwkZF1RA?si=ivN46R8yPRNpe-kS

Да ерунда получилась... есть много ляпов, как технологических, так и термодинамических.  я думаю на уровне V-1 (фау-1).

Да, я посмотрел внимательно. Это однозначно в основе двигатель от Фау-1. Но у Фау-1 делали предварительный разгон, дабы двигатель начал работать. Этого в гараже не сделаешь, нужна аэродинамическая труба. Посему чел поставил сначала вентилятор, а потом компрессор, чем усложнил конструкцию и увеличил ее вес. Темп работы камер у него такой, что учетверение их количества тоже ничего, кроме лишнего веса не дает. Ну а про тягу вообще говорить нечего. Двигатель стоит в гараже и направлен на стену, у которой стоят полки с инструментами. И, как не странно, полки целы. Так что он не то, что себя сдвинуть не может, а просто иногда плюется пламенем. Это даже не газовые горелки, которые регулярно показывают энтузиасты строительства в гараже ЖРД.
Главное - ни каким детонационным двигателем тут не пахнет.

[AlexNB]

Тут вот одному человеку надоело ждать и он сделал... Что сделал, то сделал. Оно конечно работает, но из-за отсутствия каких либо измерений понять, что у него получилось, пока нельзя.
https://youtu.be/kOFPwkZF1RA?si=ivN46R8yPRNpe-kS

Да ерунда получилась... есть много ляпов, как технологических, так и термодинамических.  я думаю на уровне V-1 (фау-1).

Да, я посмотрел внимательно. Это однозначно в основе двигатель от Фау-1. Но у Фау-1 делали предварительный разгон, дабы двигатель начал работать. Этого в гараже не сделаешь, нужна аэродинамическая труба. Посему чел поставил сначала вентилятор, а потом компрессор, чем усложнил конструкцию и увеличил ее вес.

Осталось поставить турбину, от дизельных турбонагнетателей, которая работает в пульсирующем режиме и получим пульсирующий ТРД .

[Sembler]

Так в "детонационном" двигателе скорость истечения вообще не имеет никакого отношения к скорости детонации.  Скорость детонации это скорость распространения "процесса горения", вот она как раз выше местной скорости звука. А дальше тоже самое - расширение нагретого газа.  И лишней энергии взяться не откуда.  Это чистая химия.  Т.е если сгорело всё, то газ нагрелся также, и истекать будет с той же скоростью.

Скорость сгорания в данном объеме выше => выше Давление, Температура =>выше скорость истечения хотя бы части газа?

[DiZed]

Скорость сгорания в данном объеме выше => выше Давление, Температура =>выше скорость истечения хотя бы части газа?

если вы задали объем и плотность, и процесс адиабатический - то каким образом они будут выше? они определяются термодинамикой горения топливной пары. а более высокая скорость истечения части газа только ухудшит удельный импульс, поскольку этот "быстрый" газ унесет с собой непропорционально бОльшую часть энергии, уменьшив интегральный импульс - ввиду того что энергия от скорости квадратична, а импульс - линеен. предельный случай этого эффекта - вся энергия, уносимая излучением, вносит исчезающе малый вклад в импульс

[Stak]

А кто-нибудь вообще в курсе, какова температура в зоне детонации для распространённых топливных пар (кислород-водород, кислород-метан и кислород-керосин)?
Т.к. для разных ВВ в статье  "ТЕМПЕРАТУРА ДЕТОНАЦИОННОГО ФРОНТА ЭМУЛЬСИОННОГО ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА" есть цифры до 7500 K, что почти вдвое больше, чем в КС кислородно-керосинового ЖРД.

"Но несмотря на методические сложности, для многих гетерогенных ВВ, от низкоскоростного предохранительного ВВ, низкоплотных тротила и тэна до прессованных гексогена и октогена, были измерены яркостные температуры Tb детонационного фронта, равные 2 350 ÷ 7 500 K [3, 4, 7–12]. Опытные данные для одного и того же ВВ могут значительно различаться в зависимости от применяемой методики, например, для тэна при плотности ≈1.6 г/см3 температура детонации составляет от 4 250 K [8] до 6 300 K"

[DiZed]

в принципе это возможно; если ударная волна адиабатически сжала и нагрела в своем фронте топливную пару до температуры скажем ~1500 K - то запущенная температурой химическая реакция разогреет его еще на ~3500 К. Но это локальный нагрев, продукты реакции - расширяясь - отдадут на сжатие и поддержание скачка давления во фронте ударной волны ровно столько, сколько получили от нее, интегральное энергосодержание в камере не изменится, поэтому из наличия в ней "перегретых" молекул однозначно следует наличие "перехолажденных". а это означает, что мгновенное распределение энергии становится нетермодинамическим, неравновесным, и - если в процессе расширения и формирования исходящей реактивной струи оно не успеет релаксировать - как я выше писал,  "перегретые" молекулы бесполезно утащат (плюс излучат) непропорционально их массе/импульсу бОльшую энергию, снижая удельный импульс. "..кроме мордобития - никаких чудес.."

[Владимир Шпирько]

....если ударная волна адиабатически сжала и нагрела в своем фронте топливную пару до температуры скажем ~1500 K - то запущенная температурой химическая реакция разогреет его еще на ~3500 К. Но это локальный нагрев, продукты реакции - расширяясь - отдадут на сжатие и поддержание скачка давления во фронте ударной волны ровно столько, сколько получили от нее...

Конечно в ударной волне после волны сжатия идет волна разряжения.   При этом "площадь под графиком"  волны сжатия равна площади волны разряжения.  Т.к. амплитуда всплеска  сжатия выше чем разряжения, то волна разряжения длиннее.

[Гусев_А]

Наверно, детонационное горение имеет разумный смысл применять только для прямоточных ВРД, на гиперзвуковых скоростях. Когда медленное горение просто не будет успевать поджигать весь объем смеси. Ну или для обработки поверхности каких нибудь материалов детонационной волной. А пока только для боезарядов. От него проблем больше чем получишь выигрыша.