rodziny silników odrzutowych dających nadzieję na o wiele większą sprawność a co za tym idzie, efektywniejszych od tych wykorzystujących spalanie deflagracyjne. Do zastosowania również w rakietnictwie-link na dole.
Na pewno większość z Was była smutnym świadkiem rozerwania się silnika rakietowego na wyrzutni, część z Was z pewnością też z otwartymi ustami obserwowała CATO kiedy to w mgnieniu oka głowicowa, górna, oderwana część rakiety wzbiła się na sporą wysokość. Przecież efektywność zastosowanego paliwa, kiedy działa kierunkowo i w strumieniu przez dany czas jest lepsza a jednak ...kawałek rakiety osiąga dość dużą wysokość. Drapiąc się w główkę myślimy wtedy , że tylko jakiś niewielki procent dostępnej energii sprawił nie tylko ból rozrywanej, robionej mozolnie konstrukcji ale też wyniósł nie opłakane jeszcze szczątki w górę. W takich momentach niektórym z Was przychodzą do głowy pomysły „skanalizowania” tej energii i użycia jej w zaplanowany sposób, po czym następuje krótka kalkulacja. Myślimy sobie, że energia wzrasta wraz z masą ale też z kwadratem prędkości , warto się skupić właśnie na prędkości, to bardziej optymalny czynnik. Przy spalaniu deflagracyjnym prędkość i masa ukierunkowanych gazów wylotowych z dyszy jest mniejsza , za to trwa dłużej niż energia z CATO, nie rozprasza się wokół polaryzując ciąg i dając przyśpieszenie rakiecie...ale czy w każdym przypadku? Odpowiadając na to pytanie warto przyjrzeć się zjawisku wybuchu, do którego zaliczyć też można własnie deflagrację, czyli spalanie niedetonacyjne. Wybuch o prędkości w zakresie do prędkości dźwięku w danym ośrodku nazywamy deflagracją, przekraczając tę barierę tworzy detonację. Jak widać energia wywołana detonacją jest o wiele większa. W większości wypadków proces spalania w CATO jest deflagracją, nie wyzwala aż tak wielkich energii, lecz czasem zdarza się wypchnięcie dyszy, zatyczki powodując ukierunkowanie energii dając efekt w postaci wysokiego wyrzutu.
Silniki typu S- używane do wczesnych Polskich rakiet badawczych operowały w bardzo krótkim czasie, rzędu 1-2s a ich praca przypominała „ukierunkowane CATO”. Warto mieć świadomość tego, że kiedy czas wyzwolonej porcji energii zbliża się do zera, wartość całkowita tej porcji zbliża się do określonej nieskończoności. Zzerowanie się czasu nie jest możliwe z matematycznego i praktycznego punktu widzenia w Newtonowskiej , euklidesowej rzeczywistości.
Staramy się zatem skrócić czas wyzwalanej porcji energii zawartej w porcji paliwa do minimum.
Powstało kilka koncepcji silników detonacyjnych, czyli bazujących na doskonałości wyzwalania porcji energii , sumy energii kinetycznej oraz cieplnej (generowany jest też niewielki impuls EM). Najprostszym silnikiem spalania detonacyjnego jest silnik typu PDE, impulsowy silnik spalania detonacyjnego. Podobnie jak klasyczny silnik pulsacyjny posiada cykl pracy lecz w ramach już nie konkretnej częstotliwości lecz dającym się sterować ciągiem. Łatwo wywnioskować, że w odróżnieniu od pracy ciągłej, jest to ciąg definiowany ze zbioru dyskretnego
nie jest funkcją zdefiniowaną dla ciągłego przedziału argumentów w postaci liniowej porcji energii-w tym tkwi właśnie definicja tego rodzaju pracy, warto to zrozumieć. Idąc dalej powstały koncepcje silników klasy CDES o aktywnej ciągłej, specyficznej fali detonacyjnej (jeśli kogoś interesuje opiszę przy innej okazji). Trzeba wspomnieć o Polskim wkładzie w prace nad detonacją w silnikach odrzutowych, Politechnika Warszawska wraz z firmą zewnętrzną „
Numerical Mechanics” pracują nad tak zwaną wirującą falą detonacyjną dla silnika klasy ODWE. Ci sprytni przedsiębiorcy uzyskali model matematyczny metodą objętości skończonych (o ile mnie oczy nie mylą nie ma plastrów 2D jak dla MES a udostępniony obraz modelu celowo nie jest zbyt dokładny)dla komory z wirująćą fala detonacyjną bez stosowania spirali Shelkina przechodząc od deflagracji do detonacji. Cieszy mnie postęp, ale nie popieram praktyki zlecania poza uczelnią badań, które prowadzą te same osoby, następuje swoiste rozdwojenie jaźni, nie wspominając o wypływie pieniędzy z budżetu uczelni co nie oznacza braku poszanowania dla alterego badaczy.
Dwa lata temu miała się odbyć konferencja LSAMP z wnioskami i wynikami badań nad tymi silnikami, lecz niestety nie odbyła się w terminie i nie mogłem w niej uczestniczyć. Ośrodek w Polsce nie jest jedynym pracującym nad tym zagadnieniem, sponsorowany przez LSAMP program badań Uniwersytetu Texańśkiego bada różne rodzaje dawek paliwa , ciśnienia podania dla wodoru i tlenu lub powietrza, dzięki czemu uzyskali kilka spiral spalania detonacyjnego w silniku. Jak widać stosowany utleniacz nie musi być koniecznie czymś innym niż powietrze atmosferyczne. Badacze opatentowali też zawory z ultradokładnym sterowaniem do zastosowań w PDE, warto się zapoznać, bardzo sprytne rozwiązanie, wykorzystujące próżnię. Można oczywiście stosować zawory mechaniczne do cyklu około 100Hz jak podaje laboratorium lub silniki bezzaworowe, które jednak nie są aż tak sprawne jak zaworowe.
Jeśli chodzi o podział ze względu na częstotliwości, widać, żę istnieją silniki niskich, średnich oraz ultradźwiękowych cykli. Te ostatnie są mało jeszcze zbadane i na dzień dzisiejszy nie trafiłem na żaden ośrodek który się tym czynnie zajmuje posiadając program badawczy.
Istnieje wiele problemów z tego typu rozwiązaniami, jednym z ważniejszych to zapoczątkowania detonacji. Aby detonacja zaistniała należy zastosować silny impuls początkowy co realizowane jest silnym łukiem elektrycznym lecz istnieją dwa modele przejścia deflagracji w detonację DDT(S), pozwala to na znaczne zmniejszenie energii początkowej korzystając z faktu nadania wstępnej energii poprzez zwykłe spalanie. Traci się część efektu zyskuje się natomiast obniżenie energii pobudzenia. Moim zdaniem zastosowanie substratów łatwiej detonujących zlikwidowało by problem wielkich energii pobudzenia. Myślę, że tlenek etylenu połączony z mononitroglikolem lub nitrometanem dostarczony wtryskiem o średnicy mniejszej od średnicy krytycznej detonacji obniżyły by tę energię. Zazwyczaj paliwem jest metan, wodór
Przeglądając prace nad tym rodzajem silników nie zauważyłem większych badań nad detonacją w procesie ciągłym. Koncepcyjny wtrysk z warunkami spalania mieszaniny fosforowodoru lub nitrometanu w mieszance z tlenkiem etylenu dla około 90bar jest do przemyśleń jeśli kogoś to interesuje. Warunki brzegowe nasycenia i prędkości przepływu do energii zapłonu dla detonacji w tubie średnicy 50mm
acetylenu, gazu o bardzo szerokim zakresie wybuchowości są elastyczne. Każdy może spróbować we własnym zakresie wykonać model komory spalania
Liczę na kontynuowanie wątku po tym wstępnym zarysie zagadnienia.
Poniżej najprostszy z PDE :
Kilka linków:
University of Queensland- start rakiety kilka ładnych lat temu z silnikiem PDE, ciekawy odgłos pracy: http://www.youtube.com/watch?gl=PL&v=vHLYoKIsLuQ
Próba dla 25Hz : http://www.youtube.com/watch?v=rYxsilgR ... re=related
Różnica między deflagracją i detonacją: http://www.youtube.com/watch?v=D-dLjHJu ... re=related
1. The Pulse Detonation Rocket Induced MHD Ejector (PDRIME) Concept, Cambier, J.-L., Roth, T., Zeineh, C., and Karagozian, A. R., 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Paper AIAA-2008-4688, July, 2008. 2. Pulse Detonation Engine Simulations with Alternative Geometries and Reaction Kinetics, He, X. and Karagozian, A. R., Journal of Propulsion and Power, Vol. 22, No. 4, pp. 852-861, 2006. 3. Performance and Noise Characteristics of Pulse Detonation Engines, AIAA Paper AIAA-2004-0469, 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting, January, 2004. 4. Numerical Simulation of Pulse Detonation Engine Phenomena, He, X. and Karagozian, A. R., Journal of Scientific Computing, Vol. 19, Nos. 1-3, pp.201-224, December, 2003. 5. Detonation Engine Simulations with Alternative Reaction Kinetics and Geometrical Features, He, X. and Karagozian, A. R., Paper 03F-70, Western States Section/The Combustion Institute Fall Meeting, UCLA, October, 2003. 6. Reactive Flow Phenomena in Pulse Detonation Engines, He, X. and Karagozian, A. R., Paper no. AIAA-2003-1171, 41st AIAA Aerospace Sciences Meeting, January, 2003. 7. Numerical Resolution of Pulsating Detonation Waves, Hwang, P., Fedkiw, R. P., Merriman, B., Aslam, T. D., Karagozian, A. R., and Osher, S. J., Combustion Theory and Modelling, Vol. 4, No. 3, pp. 217-240, September, 2000.
