Группа Кажикатра Кайласаната (Kazhikathra Kailasanath) из Военно-морской исследовательской лаборатории (США) рассматривает в качестве альтернативы газовым турбинам — основным двигателям американского флота — пульсирующие детонационные двигатели. В этих двигателях горение топливной смеси происходит в режиме детонации: горючее в камере сгорания попросту взрывается.
 

Теоретическое моделирование показало возможность достижения новыми двигателями термического КПД в 89%. Получится ли нечто подобное на практике? (Иллюстрация USN NRL.)

Новые турбины радикально отличаются от нынешних, в которых происходит дефлаграция по циклу Брайтона, имеющая место при горении топливно-воздушных смесей во всех сегодняшних серийных турбинах. Дефлаграцией называют процесс дозвукового горения, при котором образуется быстро перемещающийся фронт химических превращений. При ней передача энергии от зоны реакции в направлении движения фронта происходит за счёт переноса тепла. А вот во время детонации зона превращений распространяется со сверхзвуковой, а не дозвуковой скоростью, и за передачу энергии отвечает ударное сжатие — значительно более быстрое, чем теплопередача. Благодаря тому, что сгорание в этом случае происходит при постоянном объёме и резко возрастающем давлении, детонационный пульсирующий двигатель должен иметь термический КПД более высокий, чем у любой турбины, используемой сегодня на американском флоте. Кроме того, такой двигатель должен быть дешевле в производстве, чем обычный турбинный, — примерно как ДВС сходной мощности. Опять же, такие двигатели и вовсе могут не иметь движущихся частей, что резко снижает эксплуатационный износ и расходы.

Стоп-стоп, скажет читатель, где-то я это уже видел, причём не в лучшем свете… А как же «Фау-1»? Там, кажется, сходный принцип уже опробовали (Argus As 109-014) и, в целом, скорее неуспешно? Полученные шум и вибрации (детонация — детонация и есть) сделали двигатель несовместимым с использованием где-либо, кроме одноразового беспилотника. И это не говоря уже о том, что детонационные волны от предыдущего микровзрыва здорово мешали сдетонировать следующую порцию топлива, что, разумеется, снижало КПД.

Именно поэтому, из-за шума и вибрации, ВМС США и заинтересовались разновидностью пульсирующего ДД — ротационным детонационным двигателем. Он отличается кольцевой камерой сгорания, в которую микроинжекторы впрыскивают топливо и воздух. Сначала топливо поджигается, вслед за этим сверхзвуковая детонационная волна начинает «ходить» по кольцеообразной камере. Детонация не прерывается, поэтому её предыдущий цикл не мешает следующему, что примерно вот так (процесс показан с 1:10) повышает эффективность установки в целом:



Нечто подобное испытывается (независимо от военных) и в Техасском университете в Остине (США), хотя здесь разработка зовётся «двигателем непрерывной детонации»:



Моделирование и проработка двигателя у флотских учёных прошли первую фазу. Согласно её итогам, использование ротационных детонирующих двигателей постоянной детонации приведёт (при сохранении массы и габаритов нынешних турбин, работающих по циклу Брайтона) к росту мощности на 10% и снижению расхода топлива — за счёт увеличения термического КПД — на 25%. Более того, моделирование показало, что в идеальных условиях такой цикл может иметь термический КПД до 85–89% (при углеводородном топливе). Готовые ДУ планируется использовать не столько на новых кораблях, сколько для ретрофиттинга, модернизации уже существующих судов с газовыми турбинами. Сегодня таких кораблей у ВМС США 129, всего на них 430 турбин, и каждая съедает почти по $5 млн ежегодно только в виде топлива.

Эсминец УРО типа «Арли Бёрк» — один из наиболее массовых американских кораблей с газотурбинной двигательной установкой. (Фото USN / Mass Communication Specialist 1st Class Tommy Lamkin.)

Пока главной проблемой нового двигателя является теория: какие именно процессы происходят при путешествии по кругу детонационной волны, понятно лишь в самых общих чертах, что затрудняет оптимизацию разработки.

Если исследователи из Военно-морской лаборатории «подтянут» теорию (со всеми вытекающими), речь будет идти о настоящем прорыве. Забудем о ВМС с их жалкими $2 млрд в год, только американские авиакомпании тратят $50 млрд (2011 год), и это скорее верхушка айсберга. Турбины ведь, среди прочего, используются не только на транспорте, включая авиацию, но и в энергетике, где повышение КПД может дать ещё больший эффект.

Копаст: compulenta.ru