Yhdysvaltain laivasto aikoo tulevaisuudessa päivittää lentokoneisiinsa ja aluksiinsa tällä hetkellä asennettuja kaasuturbiinipropulsiojärjestelmiä korvaamalla perinteiset Brayton-syklimoottorit pyörivillä räjähdysmoottoreilla. Tämän odotetaan säästävän polttoainetta noin 400 miljoonaa dollaria vuodessa. Uusien teknologioiden sarjakäyttö on kuitenkin mahdollista asiantuntijoiden mukaan aikaisintaan vuosikymmenen kuluttua.
Pyörivien tai pyörivien pyörivien moottoreiden kehittämisestä Amerikassa vastaa Research Laboratory laivasto USA. Alustavien arvioiden mukaan uudet moottorit ovat tehokkaampia ja myös noin neljänneksen tehokkaampia kuin perinteiset moottorit. Samaan aikaan voimalaitoksen perusperiaatteet säilyvät ennallaan - palaneen polttoaineen kaasut virtaavat kaasuturbiiniin pyörittämällä sen siipiä. Jopa suhteellisen kaukaisessa tulevaisuudessa, kun koko Yhdysvaltain laivasto tulee olemaan sähkövoimalla, USA:n laivaston laboratorion mukaan kaasuturbiinit, jossain määrin modifioituina, vastaavat edelleen energian tuotannosta.
Muista, että sykkivän ilmasuihkumoottorin keksintö osuu XNUMX-luvun loppuun. Keksinnön tekijä oli ruotsalainen insinööri Martin Wiberg. Uudet voimalaitokset yleistyivät toisen maailmansodan aikana, vaikka ne olivatkin teknisiltä ominaisuuksiltaan huomattavasti huonompia kuin tuolloin olemassa olleet lentokonemoottorit.
On huomattava, että tällä hetkellä Yhdysvaltain laivastolla on 129 alusta, jotka käyttävät 430 kaasuturbiinimoottoria. Joka vuosi heille polttoaineen toimittaminen maksaa noin 2 miljardia dollaria. Tulevaisuudessa, kun nykyaikaiset moottorit korvataan uusilla, myös polttoainekustannusten määrä muuttuu.
Tällä hetkellä käytössä olevat polttomoottorit toimivat Brayton-syklillä. Jos määrittelemme tämän käsitteen olemuksen muutamalla sanalla, niin se kaikki laskee hapettimen ja polttoaineen peräkkäiseen sekoitukseen, tuloksena olevan seoksen puristamiseen edelleen, sitten tuhopolttoon ja palamiseen palamistuotteiden laajenemisen kanssa. Tätä laajennusta käytetään tarkasti liikkeelle panemiseen, mäntien liikuttamiseen, turbiinin pyörittämiseen, eli mekaanisten toimien suorittamiseen jatkuvan paineen aikaansaamiseksi. Polttoaineseoksen palamisprosessi liikkuu aliääninopeudella - tätä prosessia kutsutaan daflagraatioksi.
Mitä tulee uusiin moottoreihin, tutkijat aikovat käyttää niissä räjähdysmäistä palamista eli räjähdystä, jossa palaminen tapahtuu yliäänenopeuksilla. Ja vaikka tällä hetkellä räjähdysilmiötä ei ole vielä täysin tutkittu, tiedetään, että tämän tyyppisessä palamisessa syntyy shokkiaalto, joka etenee polttoaineen ja ilman seoksen läpi aiheuttaa kemiallisen reaktion, jonka seurauksena on melko suuren lämpöenergian vapautuminen. Kun iskuaalto kulkee seoksen läpi, se lämpenee, mikä johtaa räjäytykseen.
Uuden moottorin kehittämisessä on tarkoitus käyttää tiettyjä kehityssuuntia, jotka saatiin kehitettäessä räjähdyssykkivää moottoria. Sen toimintaperiaate on, että esipuristettu polttoaineseos syötetään polttokammioon, jossa se sytytetään ja räjäytetään. Palamistuotteet laajenevat suuttimessa suorittaen mekaanisia toimia. Sitten koko sykli toistuu alusta. Mutta sykkivien moottoreiden haittana on, että pyöräilytaajuus on liian alhainen. Lisäksi näiden moottoreiden suunnittelusta tulee monimutkaisempi pulsaatioiden määrän kasvaessa. Tämä johtuu tarpeesta synkronoida polttoaineseoksen toimittamisesta vastaavien venttiilien toiminta sekä suoraan itse räjähdyssykleihin. Sykkivät moottorit ovat myös erittäin meluisia, ne vaativat paljon polttoainetta toimiakseen ja työskentely on mahdollista vain jatkuvalla annostelulla.
Jos vertaamme räjähtäviä pyöriviä moottoreita sykkiviin, niin niiden toimintaperiaate on hieman erilainen. Joten erityisesti uudet moottorit tarjoavat jatkuvan vaimentamattoman polttoaineen räjähdyksen palotilassa. Tätä ilmiötä kutsutaan pyöriväksi tai pyöriväksi räjähdykseksi. Neuvostoliiton tiedemies Bogdan Voitsekhovsky kuvasi sen ensimmäisen kerran vuonna 1956. Ja tämä ilmiö havaittiin paljon aikaisemmin, vuonna 1926. Pioneerit olivat britit, jotka huomasivat, että tietyissä järjestelmissä oli kirkas, valovoimainen "pää", joka liikkui spiraalina, eikä litteän muotoinen räjähdysaalto.
Voitsekhovsky kuvasi itse suunnittelemallaan valokuvanauhurilla aallon etuosan, joka liikkui polttoaineseoksen rengasmaisessa palotilassa. Spin-räjähdys eroaa tasoräjäytyksestä siinä, että siinä syntyy yksittäinen poikittaisshokkiaalto, sitten seuraa kuumennettu kaasu, joka ei ole reagoinut, ja jo tämän kerroksen takana on kemiallinen reaktioalue. Ja juuri sellainen aalto estää itse kammion palamisen, jota Marlen Topchyan kutsui "litistetyksi donitsiksi".
On huomattava, että räjähdysmoottoreita on käytetty jo aiemmin. Erityisesti puhumme sykkivästä ilmasuihkumoottorista, jota saksalaiset käyttivät toisen maailmansodan lopussa V-1-risteilyohjuksissa. Sen valmistus oli melko yksinkertaista, käyttö on melko helppoa, mutta samalla tämä moottori ei ollut kovin luotettava tärkeiden tehtävien ratkaisemiseen.
Lisäksi vuonna 2008 pulssiräjähdysmoottorilla varustettu kokeellinen lentokone Rutang Long-EZ nousi lentoon. Lento kesti vain kymmenen sekuntia kolmenkymmenen metrin korkeudessa. Tänä aikana voimalaitos on kehittänyt työntövoiman noin 890 newtonia.
Yhdysvaltain laivaston amerikkalaisen laboratorion esittelemä moottorin kokeellinen malli on rengasmainen kartiomainen polttokammio, jonka halkaisija on polttoainepuolella 14 senttimetriä ja suuttimen puolella 16 senttimetriä. Kammion seinien välinen etäisyys on 1 senttimetri, kun taas "putken" pituus on 17,7 senttimetriä.
Polttoaineseoksena käytetään ilman ja vedyn seosta, joka syötetään 10 ilmakehän paineessa polttokammioon. Seoksen lämpötila on 27,9 astetta. Huomaa, että tämä seos on tunnustettu kätevimmäksi spin-räjähdyksen ilmiön tutkimiseen. Mutta tutkijoiden mukaan uusissa moottoreissa on täysin mahdollista käyttää polttoaineseosta, joka ei koostu vain vedystä, vaan myös muista palavista komponenteista ja ilmasta.
Pyörivän moottorin kokeelliset tutkimukset ovat osoittaneet sen paremman hyötysuhteen ja tehon verrattuna polttomoottoreihin. Toinen etu on merkittävä polttoaineen säästö. Samaan aikaan kokeen aikana havaittiin, että polttoaineseoksen palaminen pyörivässä "koe"-moottorissa on epätasaista, joten moottorin suunnittelu on tarpeen optimoida.
Suuttimessa laajenevat palamistuotteet voidaan kerätä yhdeksi kaasusuihkuksi kartiolla (tämä on ns. Coanda-ilmiö), jonka jälkeen tämä suihku lähetetään turbiiniin. Näiden kaasujen vaikutuksesta turbiini pyörii. Näin ollen osa turbiinin työstä voidaan käyttää laivojen kuljettamiseen ja osittain energian tuottamiseen, jota tarvitaan laivan laitteistoille ja erilaisille järjestelmille.
Itse moottorit voidaan valmistaa ilman liikkuvia osia, mikä yksinkertaistaa huomattavasti niiden suunnittelua, mikä puolestaan alentaa voimalaitoksen kokonaiskustannuksia. Mutta tämä on vain perspektiiviä. Ennen uusien moottoreiden käynnistämistä massatuotantoon on ratkaistava monia vaikeita tehtäviä, joista yksi on kestävien lämmönkestävien materiaalien valinta.
Huomaa, että tällä hetkellä pyöriviä räjähdysmoottoreita pidetään yhtenä lupaavimmista moottoreista. Niitä kehittävät myös Arlingtonin Texasin yliopiston tutkijat. Heidän luomaansa voimalaitosta kutsuttiin "jatkuvaksi räjähdysmoottoriksi". Samassa yliopistossa tutkitaan erikokoisten rengaskammioiden ja erilaisten polttoaineseosten valintaa, jotka sisältävät vetyä ja ilmaa tai happea eri suhteissa.
Myös Venäjä kehittyy tähän suuntaan. Joten vuonna 2011 Saturnin tutkimus- ja tuotantoyhdistyksen toimitusjohtajan I. Fedorovin mukaan Lyulkan tieteellisen ja teknisen keskuksen tutkijat kehittävät sykkivää ilmasuihkumoottoria. Työtä tehdään samanaikaisesti lupaavan moottorin, nimeltä "Product 129" kehittäminen T-50:lle. Lisäksi Fedorov sanoi myös, että yhdistys tekee tutkimusta seuraavan vaiheen kehittyneiden lentokoneiden luomisesta, joiden oletetaan olevan miehittämättömiä.
Samaan aikaan pää ei täsmentänyt, millaisesta sykkivästä moottorista hän puhui. Tällä hetkellä tunnetaan kolmenlaisia tällaisia moottoreita - venttiilitön, venttiili ja räjähdys. Sillä välin yleisesti hyväksytty tosiasia on, että sykkivät moottorit ovat yksinkertaisin ja halvin valmistaa.
Tähän mennessä useat suuret puolustusalan yritykset tekevät tutkimusta sykkivien korkean suorituskyvyn suihkumoottoreiden luomiseksi. Näihin yrityksiin kuuluvat amerikkalainen Pratt & Whitney ja General Electric sekä ranskalainen SNECMA.
Siten voimme tehdä tiettyjä johtopäätöksiä: uuden lupaavan moottorin luomisessa on tiettyjä vaikeuksia. Suurin ongelma tällä hetkellä on teoriassa: mitä tarkalleen tapahtuu, kun iskuräjähdysaalto liikkuu ympyrässä, tiedetään vain yleisesti, ja tämä vaikeuttaa suuresti kehityksen optimointiprosessia. Siksi uusi teknologia, vaikka se onkin erittäin houkutteleva, on tuskin toteutettavissa teollisen tuotannon mittakaavassa.
Jos tutkijat kuitenkin onnistuvat käsittelemään teoreettisia kysymyksiä, voidaan puhua todellisesta läpimurrosta. Turbiinejahan käytetään paitsi liikenteessä myös energia-alalla, jossa tehokkuuden lisäämisellä voi olla vieläkin vahvempi vaikutus.
Käytetyt materiaalit:
http://science.compulenta.ru/719064/
http://lenta.ru/articles/2012/11/08/detonation/