Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

THE PROBLEM OF CREATING DETONATION ENGINE

Bulat M.V. 1 Ilina Т.E. 2
1 «SEC Dynamics» ltd
2 «KB Dynamics» ltd
The main directions of development of civil jet engines. It is shown that the improvement will go towards the introduction of innovative components in engines, built on the traditional pattern, as well as through the creation of hybrid rocket motors. The latter can combine a traditional gas turbine and electric drive, gas generators operating in accordance with the different thermodynamic cycles. The peak of this work is to bring together in a single engine design capable of working both in the atmosphere and in space. It is shown that the folding market conditions may allow such innovative designs appear in the coming years. Are described market segments for initial introduction of perspective engines and companies that can provide new solutions.
hybrid jet engine
the thermodynamic cycle
the turbine
business aviation
commercial space travel
1. Smirnova O.S., Bulat P.V., Prodan N.V. Primenenie upravljaemyh gazo- i gidrostaticheskih podshipnikov v turbonasosnyh agregatah mnogorazovyh kombinirovannyh ZhRD, Fundamentalnye issledovanija, 2013, no. 4(2), pp. 335–339. Available at: http://www.rae.ru/fs/478-r31193.
2. «Transport-2011»: perspektivnomu samoletu byt! PRESS-RELIZ CAGI. 14 marta 2012 g. Zhukovskij, MO.
3. Uskov V.N., Bulat P.V. Ob issledovanii kolebatelnogo dvizhenija gazovogo podvesa rotora turboholodilnyh i detandernyh mashin. Chast I. Postanovka zadachi. Vestnik MAH. 2012, no. 3, pp. 3–7.
4. Uskov V.N., Bulat P.V. Ob issledovanii kolebatelnogo dvizhenija gazovogo podvesa rotora turboholodilnyh i detandernyh mashin. Chast II. Kolebanija davlenija v soplah pitajushhej sistey na sverhkriticheskom rezhime raboty. Vestnik MAH. 2012, no. 1, pp. 57–60.
5. Aviation week. Vol. 174, no. 42, november, 2012.
6. Dr. Dale Carlson. GE Aviation: Perspectives on Clean, Efficient Engines. May 7, 2013.
7. G.A. Hill, S.A. Brown, and K.A. Geiselhart. NASA Langley Research Center, Hampton, V.A. 23681 C.M. Burg. Aerospace Systems Design Lab, Georgia Institute of Technology, Atlanta, G.A. 30332. Integration of Propulsion-Airframe-Aeroacoustic Technologies and Design Concepts for a Quiet Blended- Wing-Body Transport.
8. John M. Morgenstern, Michael Buonanno and Nicole Nordstrud Lockheed Martin Aeronautics Company, Palmdale, CA 93599. N + 2 Low Boom Wind Tunnel Model Design and Validation. 30th AIAA Applied Aerodynamics Conference 25–28 June 2012, New Orleans, Louisiana AIAA 2012–3217.
9. John Whurr. Chief Project Engineer, Future Programmes of RR. Future Civil Aeroengine Architectures & Technologies.
10. Mark F. Mangelsdorf Chief Engineer (Acting) Environmentally Responsible Aviation (ERA) Project. Overview of ERA’s Advanced Vehicle Concepts NRA. N + 2 Advanced Vehicle Concepts & Quick-Starts NRA Pre-Proposal Meeting February 19, 2010.
11. Max Mach Hypersonic Goes Global. Aviationweek&space nechnology. Nov 26, 2012.

Суммарный объем годового финансирования, направляемый в мире на исследования в области силовых установок для сверхзвукового и гиперзвукового полета, оценивается [11] более чем в 1 млрд $. Работы в области модернизации воздушно-реактивных двигателей (ВРД) оцениваются еще в 1,4 млрд $ в год. Конкуренция на этом рынке ведется всеми исследовательскими центрами в мире, прежде всего, за государственные гранты, заказы и бюджеты поисковых НИР ведущих корпораций. Только на обзоры будущего авиации и гражданского двигателестроения и только НАСА в 2010–2011 гг. выделено [10] 17,1 млн $. Все работы можно разделить на две большие группы [5]: совершенствование узлов двигателей традиционных схем; создание комбинированных двигателей.

Совершенствование узлов двигателей традиционных схем

Работы идут в двух направлениях: резкое (в 3–5 раз) удешевление конструкции двигателей при сохранении удельных параметров; улучшение на 20–25 % топливной экономичности и снижение на 20 % удельного веса двигателей. Первое направление представлено исследованиями в области новых термодинамических циклов. Второе направление включает в себя как традиционное увеличение степени двухконтурности, так и внедрение новых схем [9]:

● открытый ротор (10 % топливной экономичности);

● закапотированный винто-вентилятор (5 % топливной экономичности);

● промежуточное охлаждение воздуха между ступенями компрессора (4 % топливной экономичности);

● турбина с противоположным вращением ступеней (полностью уравновешенный ротор);

● управляемая камера сгорания, работающая на сверхбедной топливной смеси (5 % топливной экономичности, снижение выбросов NOx на 50 %);

● легкий композитный компрессор;

● элементы турбины, изготовленные с использованием матричных композитов.

Новые схемы интеграции силовой установки и планера

Отдельным направлением является более полная интеграция двигателей и планера. Это позволяет создать идеальную циркуляцию вектора скорости вокруг профиля (рис. 1) за счет утилизации пограничного слоя в двигателе. Выравнивание профиля скорости за летательным аппаратом существенно снижает индуктивное сопротивление и, соответственно, экономит топливо. И в этой сфере возможно использование, например, детонационного горения как совершенно нечувствительной к неравномерностям на входе газодинамической системы. Естественным следующим шагом в данном направлении видится распределенная силовая установка [7], в которой может быть множество газогенераторов (рис. 2), либо множество движителей (сопел и вентиляторов), превосходящее количество газогенераторов (рис. 3).

pic_2.tif

Рис. 1. Выравнивание профиля скорости за летательным аппаратом существенно снижает индуктивное сопротивление

pic_3.tif

Рис. 2. Распределенная силовая установка с множеством газогенераторов

Активно рассматриваются вопросы безмаслянных трасмиссий и безконтактных опор ротора ВРД [1, 3, 4]. Так, например, Hypermach Aerospace Ltd. для своего проекта SonicStar (рис. 4) разрабатывает двигательную установку, которая будет сочетать в себе элементы традиционного ВРД и инновационного электрического двигателя, приводящего во вращение компрессор. Предполагается, что двигатель будет иметь переменную степень двухконтурности и электромагнитные опоры ротора. Для управления обтеканием будут использоваться электромагнитные поля, создаваемые магнитами на сверхпроводящих элементах.

pic_4.tif

Рис. 3. Распределенная силовая установка с числом движителей, превосходящим количество газогенераторов

pic_5.tif

Рис. 4. Проект SonicStar фирмы Hypermach Aerospace Ltd

Развитие концепции гибридных (комбинированных) реактивных двигателей

Развитие комбинированных двигателей стирает грань между космонавтикой и авиацией. Ряд схем таких силовых установок позволяет летательному аппарату (ЛА) взлетать как обычному самолету и выходить за пределы стратосферы. Тенденции изменения удельного импульса по мере увеличения числа Маха полета для двигателей различных схем показаны на рис. 5. Нельзя не упомянуть в этой связи фирму ReactionEngines (http://www.reactionengines.co.uk/). Фирма создана в 1989 г. легендарным Аланом Бондом. Он слывет в Британии «чудиком», говорят, что у его проектов всего один недостаток – чертежи существуют только в голове Алана. Тем не менее компания регулярно получает финансирование из разных фондов Евросоюза на развитие проекта космического космоплана Scylon, на гиперзвуковой самолет Lapcat, на новаторские турборакетные и гибридные двигатели.

pic_6.tif

Рис. 5. Сравнение удельного импульса Isp реактивных двигателей различных типов

Самым ярким представителем данного направления является проект комбинированного ВРД Scimitar, рассчитанного на число Маха полета М = 5[1]. В конструкции последнего используются такие прогрессивные решения, как эжекторное сопло с большой степенью расширения, турбина во внешнем контуре, эффективный теплообменник, охлаждающий воздух перед компрессором.

Следующим шагом в этом направлении является турборакетный двигатель SABRE для воздушно-космического самолета[2]. В нем использованы такие радикальные решения, как сжижение атмосферного воздуха и подача его в камеру сгорания кислородно-водородного ЖРД. На атмосферном участке двигатель работает как комбинированный. Окислителем выступает кислород воздуха, а горючим жидкий водород. А вот за пределами атмосферы это уже чистый жидкостный ракетный двигатель.

Рынок для первоочередного внедрения перспективных двигателей

Ведущие мировые производители реактивных двигателей прогнозируют внедрение радикально новых решений после 2030 г. [6]. Тем не менее существует ряд рынков, на которых появление новинок стоит ожидать гораздо раньше.

Рынок деловой авиации интересен тем, что он менее консервативен с точки зрения внедрения технических новшеств. Здесь вполне по силам небольшой инжиниринговой компании выйти на рынок с проектом новых силовых установок.

Прогнозируется и появление рынка сверхзвуковой деловой авиации [2]. Так, компания Aerion (http://aerioncorp.com) продвинулась дальше всех в разработке проекта сверхзвукового самолета. Она уже приступила к подготовке сертификации своего сверхзвукового бизнес-джета (рис. 6), который должен выйти на рынок в конце десятилетия. Этот корпоративный самолет будет рассчитан на перевозку 8–12 пассажиров. Самолет оптимизирован на скорости 0,95 и 1,5 М. Компания Aerion сообщает, что у них уже есть около 50 потенциальных заказов на сверхзвуковой бизнес-джет.

Перспективы данного сегмента рынка связаны с успехами или неудачами в решении двух принципиальных проблем: снижение уровня звукового удара на местности; радикальное улучшение экономичности силовой установки на сверхзвуковых скоростях.

pic_7.tif

Рис. 6. Сверхзвуковой бизнес-джет фирмы Aerion

Первая проблема близка к разрешению [8]. Для решения второй необходим переход к комбинированным двигателям или новым термодинамическим циклам сжигания топлива.

Чрезвычайно перспективным представляется рынок частной и коммерческой космонавтики. Лидером тут являются США, где в творческой и свободной от рутины и государственной бюрократии атмосфере растут такие компании, как «SpaceX», «XCOR Aerospac», «Virgin Galactic».

Заключение

Таким образом, можно констатировать, что отрасль аэрокосмического двигателестроения стоит на пороге технологической революции. Эволюционное развитие традиционных ВРД и жидкостных ракетных двигателей привело к тому, что их технические характеристики вплотную приблизились к теоретическому пределу. Дальнейшее совершенствование дается ценой огромных затрат и не приводит к существенным улучшениям потребительских свойств летательного аппарата. Выход видится специалистами во внедрении инновационных узлов и разработке двигателей, совмещающих термодинамические циклы разного вида.

Рецензенты:

Пеленко В.В., д.т.н., профессор, заместитель директора по учебной работе Института Холода и Биотехнологий, ФГБОУ «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург;

Цветков О.Б., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Теоретические основы тепло- и хладотехники» Института Холода и Биотехнологий, ФГБОУ «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург.

Работа поступила в редакцию 17.10.2013.


[1] http://www.reactionengines.co.uk/lapcat.html

[2] http://www.reactionengines.co.uk/sabre_howworks.html