Применение пульсирующе-детонационного горения может снизить расход топлива и стоимость двигателей Стенли У. КАНДЕБО, Нью-Йорк
В настоящее время фирмы General Electric (GE), Pratt & Whitney (P&W) и Rolls-Royce (RR) работают над созданием двигателей, в которых используется принцип пульсирующе-детонационного горения топливной смеси. Такие двигатели могут быть более простыми конструктивно и дешевле в производстве, а их удельный расход топлива по крайней мере на 10% ниже, чем у существующих газотурбинных двигателей.
В центре ВМС в Чайна-Лэйк (шт. Калифорния) проведены испытания экспериментальной установки с пятью жаровыми трубами, компоновка которой соответствовала будущему двигателю PDE.
Создание гибридного газотурбинного двигателя, в котором компрессор высокого давления, камера сгорания и турбина высокого давления заменены пульсирующе-детонационной системой, вполне возможно. По словам Тома Бассинга, генерального директора расположенного в Сиэтле Авиационного научно-исследовательского центра P&W, такой двигатель за счет сокращения времени сгорания будет выбрасывать в окружающую среду меньше вредных веществ.
Принцип пульсирующе-детонационного горения по своей сути очень прост. Воздух и топливо подаются в начало жаровой трубы и взрываются, при этом обладающая высоким давлением взрывная волна распространяется внутри трубы со сверхзвуковой скоростью, обеспечивая сгорание рабочей смеси со скоростью нескольких тысяч метров в секунду. Отработанные продукты сгорания вылетают из противоположного конца трубы и процесс начинается снова. Из-за цикличности процесса такое детонационное горение называют также пульсационным, а двигатель — пульсирующе-детонационным (Pulse Detonation Engine, PDE).
"Рабочий цикл обычных газотурбинных двигателей — это цикл Брайтона постоянного давления, один из наименее эффективных из существующих термодинамических циклов. Использование современных материалов, методов расчета, основанных на трехмерной аэродинамике и т. п., позволяет компенсировать недостатки, присущие самому циклу. К сожалению, к настоящему времени мы практически исчерпали известные нам способы повышения эффективности газотурбинных систем", — поясняет Энтони Дин, возглавляющий в научно-исследовательском центре фирмы GE программу НИОКР по применению современных технологий в двигателестроении. "Так как же нам добиться большего?" — задает он риторический вопрос. Ответ, по мнению г-на Дина, может заключаться в использовании цикла Хэмфри с детонацией при постоянном объеме, или пульсирующей детонации.
На фирме Allison Advanced Development Co. (AADC, филиал Rolls-Royce) проведены исследования пульсирующе-детонационного горения в неподвижных трубах. В качестве последующего шага предполагается исследовать новую технологию в установке, состоящей из набора жаровых труб, закрепленных на вращающемся цилиндре. Принцип работы такого двигателя будет похож на принцип действия револьвера с его поворачивающимся при каждом выстреле барабаном. По словам руководителей AADC, в такой вращающейся установке обеспечивается стационарность газового потока во всех сечениях каждой трубы. Директор программы AADC по исследованию перспективных систем Линн Шнайдер отметил, что сама установка была разработана фирмой RR для возможного использования в качестве нагнетателя еще 20 лет тому назад и получила название волнового ротора.
Руководители RR заявили: комбинация волнового ротора и детонационного горения позволяет получить такой же стационарный газовый поток, как и в обычной газовой турбине.
При этом становится более простой система охлаждения. Как поясняют специалисты, воздух, подаваемый во вращающиеся трубы для сжигания, способствует их охлаждению, тем более что детонация каждый раз происходит в разных местах трубы. А в обычных PDE подрыв смеси всегда происходит в одном и том же месте трубы, указывает профессор Стив Хейстер, специалист в области астронавтики и аэронавтики из университета г. Пурду.
По словам руководителей AADC, властям штата Индиана, финансировавшим предыдущий этап работ над PDE, направлено предложение профинансировать и рассчитанную на два года программу работ над двигателем с волновым ротором, которая начинается в марте этого года. Индиана предоставляет из своего Фонда исследований и развития новых технологий XXI века 510 тыс. долл. Стендовые испытания двигателя предполагается провести во второй половине 2005 г.
При испытаниях, по-видимому, будет использоваться непосредственный впрыск предварительно испаренного топлива марки Jet A. На предыдущем этапе проводившихся AADC экспериментов по пульсирующе-детонационному горению в неподвижных трубах использовались этилен и пропан с целью избежать повышенных требований к экспериментальному оборудованию по качеству топлива. "При этом, — отмечает г-н Хейстер, — пропан близок по своим детонационным характеристикам к Jet A. В ходе предыдущего этапа испытаний мы добились надежной и многократно повторяющейся детонации. В отдельных испытаниях ее частота достигала 50 Гц".
Работы фирмы GE по двигателям с пульсирующе-детонационным горением основываются на исследованиях, проведенных четыре года назад совместно с Агентством оборонных перспективных исследований (DARPA). По словам руководителей фирмы, эти исследования первоначально были направлены на применение PDE на сверхмалых БПЛА. Но затем они трансформировались в программу создания работающего по этому принципу двигателя с тягой 5–10 кг.
В течение первых двух лет совместных исследований удалось разработать необходимое оборудование и, используя в качестве топлива газообразный водород, этилен и пропан, показать возможность реализации пульсирующе-детонационного горения в двигателе таких размеров.
По мере развития проекта, работы по которому завершились в прошлом году, расширялись и его цели, охватывая двигатели все больших размеров. При этом решались две задачи: замена форсажных камер двигателей аппаратов военного назначения системами с детонационным горением и замена внутреннего контура обычных газотурбинных двигателей военных и гражданских самолетов на PDE.
Специалисты GE утверждают, что подход фирмы к использованию пульсирующе-детонационного горения существенно отличается от подхода ее конкурентов. По словам Харви Маклина, отвечающего в компании GE за маркетинг новых технологий и правительственные программы, другие фирмы используют механические системы клапанов, которые ограничивают частоту детонации, тогда как GE применяет аэродинамические системы.
Еще одним отличием является использование жидкого топлива типа Jet A вместо газообразного. "Это значительное достижение, позволяющее потенциальным эксплуатантам использовать сложившуюся инфраструктуру поставок топлива", — говорит г-н Маклин. GE оказалась способной создать "аппарат приемлемых размеров, работающий на жидком топливе и развивающий тягу свыше 45 кг, а использованный подход дает возможность наращивать размеры". При этом фирме удалось избежать применения клапанов на воздушной части труб.
Следующий этап исследований фирмы будет связан с переходом от разработки отдельных компонентов к разработке двигателей для конкретного применения. Новая технология может использоваться не только для самолетных, но и для наземных силовых установок.
В планах GE и участие в программе Национального аэрокосмического агентства США (NASA) по изучению совместимости PDE и газовых турбин (PDE TIP), стоимость которой составляет 500 тыс. долл. По словам руководителей GE, специалисты NASA провели математическое моделирование влияния PDE на работу турбины, и программа PDE TIP позволит ученым проверить правильность полученных расчетных результатов.
Все три двигателестроительные фирмы принимают также участие в проекте разработки двигателя с циклом горения топлива при постоянном объеме (CVCCE), начатом в конце прошлого года. Этот амбициозный, рассчитанный на шесть лет проект предполагает создание опытного образца гибридного двигателя и является частью более широкой программы NASA по исследованию альтернативных силовых установок с низкими показателями эмиссии (LEAP). Гибридный двигатель, вероятно, будет готов к проведению испытаний в 2009 г.
Специалисты P&W оценили потенциальные возможности силовой установки, работающей на принципе пульсирующе-детонационного горения, в 2000 г. В 2001 г. P&W приобрела Центр аэродинамических исследований фирмы Adroit Aeronautical Systems в Сиэтле. В этом центре с 1992 г. велись работы по созданию PDE. Специалисты P&W интенсивно занимаются исследованиями новой технологии. Разработана программа исследований — от создания отдельных компонентов и обеспечения надежности их работы до строительства опытного образца двигателя. "Эта технология может коренным образом изменить соотношение сил в игре", — считает руководитель программы разработки PDE на P&W Стив Спенглер.
Помимо участия в программе НАСА LEAP, P&W в настоящее время совместно с фирмой Boeing работает над созданием PDE для ракет с дальностью полета в несколько сотен миль на скорости 2–4 числа Маха. Эти работы ведутся для ВМС США.
В рамках данной программы на стенде в центре ВМС в Чайна-Лэйк (шт. Калифорния) P&W испытала полномасштабный демонстрационный образец с частотой пульсации детонации, необходимой в полете. Длившиеся в течение года испытания закончились в конце 2003 г. Испытуемый двигатель состоял из пяти труб; детонация топливной смеси в каждой из них происходила с частотой 80 Гц. Диаметр труб равнялся 10,1 см (4 дюйма), длина — 76,2 см (30 дюймов). Двигатель способен создавать тягу до 680 кг на высоте 15 км.
Фирма P&W недавно завершила также стендовые испытания сопла для PDE, так называемого составного сужающегося сопла с перепадом больше критического. По словам специалистов, этот компонент двигателя обеспечивает эффективное расширение газообразных продуктов горения до атмосферного давления. "Расширение является очень важным элементом применения нового принципа горения, поскольку вы имеете дело с нестационарным процессом. Чтобы полностью использовать возможности системы, в которой происходят процессы при постоянном объеме, расширение должно осуществляться с максимальной эффективностью", — поясняет г-н Бассинг.
В этом году фирма продолжит работы по оптимизации характеристик нового сопла на том же стенде в Чайна-Лэйк, где проводились предыдущие испытания. Кроме того, в течение предстоящих двух лет будет проведен комплекс работ по повышению надежности двигателя.
Руководители P&W считают, что верхний предел скорости, которого можно достичь при использовании "чистой" технологии PDE на углеводородном топливе, примерно соответствует числу Маха, равному 4. Использование в качестве топлива водорода позволит достигнуть более высоких скоростей. Многие технические решения, используемые в двигателе, работающем только на принципе детонационного горения, являются точно такими же, какие необходимы и для создания гибридных двигателей.
По словам руководителей фирмы, "и та и другая система должны иметь эффективные средства воспламенения смеси, систему клапанов, уплотнения, сопла и систему терморегулирования, которые могут быть одинаковыми".
К 2010 г., по мнению г-на Бассинга, может быть построен образец PDE, пригодный для летных испытаний на корабельных ракетах. Но сроки проведения работ зависят от потребностей ВМС и их возможностей финансирования программы.
