ГПВРД начинаются только на 5 Махах, турбоПВРД заканчиваются на 4 Махах — между ними есть промежуток. Японская команда теперь хочет закрыть его.
Исследовательская группа из Университета Нагоя, Университета Тохоку и японского космического агентства Jaxa протестировала воспламенитель для прямоточных воздушно-реактивных двигателей, который мог бы закрыть ранее незаполненный разрыв в скорости между турбо-ПВРД и ГПВРД.
Подробности читайте после рекламы
В ходе испытаний модельной горелки удалось успешно зажечь водород и стабилизировать пламя в условиях, соответствующих полету со скоростью от 3 до 4 Маха на высоте 18 километров. Результаты появились в Журнал движения и мощности АИАА; Автор-корреспондент — Дзиро Касахара из Университета Нагои.
Проблема, которую решает группа, — это техническое узкое место в гиперзвуковых полетах: ГПВРД — прямоточные воздушно-реактивные двигатели, в которых сгорание происходит на сверхзвуковых скоростях — работают только со скоростью выше 5 Маха. ТурбоПВРД, которые предназначены для ускорения самолета там, заканчивают работу на скорости от 3 до 4 Маха.
Между ними есть пропасть. Вместо того, чтобы сделать ПВРД более быстрыми, команда пытается сделать ГПВРД более медленными. Подвох: если скорость полета падает, общая температура входящего воздуха также падает. По мнению авторов, самовозгорания топлива не следует ожидать при скорости ниже 5 Маха. Поэтому требуется мощный внешний воспламенитель.
Детонация вместо горения
Предыдущие подходы варьируются от свечей зажигания и свечей накаливания до лазеров и плазменных горелок, импульсных детонаторов и так называемых дефлаграционных горелок, которые сжигают топливо и кислород по всей камере сгорания и направляют горячий газ в основную камеру сгорания. Однако в большинстве этих исследований рассматривались более высокие числа Маха; По мнению авторов, характеристики зажигания на нижнем диапазоне остались неясными.
Вместо этого японская группа использовала цилиндрическую вращающуюся детонационную горелку, которую она называет «факел RD». В его камере по внутренней стенке непрерывно циркулирует детонационная волна — волна горения, движимая ударной волной со сверхзвуковой скоростью. Технология изучается во всем мире, прежде всего, как ракетный двигатель.
Подробности читайте после рекламы
Однако одним из препятствий на пути реализации был размер. В более раннем подходе цилиндрическая детонационная горелка, содержащая этилен и кислород, требовала массового расхода не менее 22 граммов в секунду — примерно в четыре раза больше, чем у обычной дефлаграционной горелки. Поэтому команда сократила внутренний диаметр вдвое до 10 миллиметров, что вдвое уменьшило площадь поперечного сечения.
Готовая горелка имеет длину 173 миллиметра и работает на расходе этилен-кислородной смеси 4,07 ± 0,23 грамма в секунду при коэффициенте эквивалентности 1,09 ± 0,09. Потребляемая мощность составляла от 20,5 до 21,0 кВт, массовый расход составлял 0,60 процента от основного расхода воздуха.
Эксперименты в аэродинамической трубе и в вакууме
Сверхзвуковые испытания проходили в аэродинамической трубе с прямым соединением Института гидродинамики Университета Тохоку. Основной воздух поступал в камеру сгорания со скоростью 684±24 грамма в секунду при общей температуре 682±40 Кельвина и 2,8 Маха.
Основным топливом был газообразный водород с расходом 1,134 и 2,511 грамма в секунду соответственно, что соответствует глобальным эквивалентным коэффициентам 0,06 и 0,12. Кроме того, испытания проводились в вакуумной камере в Нагое, где высокоскоростные камеры смогли смотреть в камеру в осевом направлении со скоростью до 727 272 изображений в секунду — в аэродинамической трубе это было невозможно из-за нехватки места.
Детонационная волна распространялась с частотой от 65 до 68 килогерц, что соответствует скорости от 2,07 до 2,14 километров в секунду. Это от 85 до 88 процентов теоретической скорости Чепмена-Жуге и от 158 до 163 процентов скорости звука в сгоревшем газе — свидетельство того, что на самом деле это были детонации, а не более медленные фронты пламени.
Воспламенение и поддержание пламени основного водорода могут быть достигнуты повторяемо. Доказательством послужили фотографии свечения пламени: высота и ширина пламени увеличились примерно на три-пять миллиметров при впрыске водорода и оставались стабильными до тех пор, пока не была отключена подача кислорода.
При нижнем потоке водорода 1,1 грамма в секунду основной поток оставался сверхзвуковым, то есть настоящим режимом работы ГПВРД. Согласно параллельной работе Кацумуры и его коллег, при более высоком значении 2,5 грамма в секунду произошла термическая блокировка с дозвуковым потоком.
Три особенности, отличающие горелку
Из кривых давления авторы выводят три характеристики. Во-первых, зона горения короткая: она заканчивается примерно в 20 миллиметрах за поверхностью впрыска, тогда как для дефлаграционной горелки требуется вся длина камеры. Поэтому горелку можно было сделать короче.
Во-вторых, существовала определенная нечувствительность к внешним возмущениям. При малом расходе водорода повышение давления из основной камеры сгорания мигрировало в горелку, но не достигало зоны детонации; скорость волны осталась неизменной. При большом расходе водорода воздействие проникало в зону детонации и повышало частоту – сгорание в горелке было еще практически полным, как показало сравнение измеренного и теоретически рассчитанного давлений в камере сгорания.
В-третьих, исследователи обнаружили компонент окружного завихрения в выхлопной струе, хотя впрыск не имеет какой-либо геометрии, создающей завихрение. Светимость выхлопной струи колебалась точно с той же частотой, что и детонационная волна. Это объясняется эффектами трения и прочности стенки, что Савада и его коллеги уже измерили на кольцевых детонационных горелках.
Авторы рассматривают эксперименты как свидетельство того, что вращающаяся детонационная горелка может надежно воспламенять водород и поддерживать пламя в условиях ГПВРД при низких числах Маха.
Однако до работоспособного двигателя концепция далека: тестировалась модель камеры сгорания без активного охлаждения; сама горелка загорелась от заряда дымного пороха. Работа финансировалась японским научным агентством JST в рамках программы K.
