Разработка методологических основ, технических решений и элементов технологий в обеспечение создания отечественных двигателей, энергетических и технологический установок, использующих пересжатые детонационные волны

Мероприятие 1.3, очередь 09, Лот №1

Тема проекта: Разработка методологических основ, технических решений и элементов технологий в обеспечение создания отечественных двигателей, энергетических и технологический установок, использующих пересжатые детонационные волны.

Сроки проведения работ: 2017-2019 гг

Соглашение № 14.577.21.0277 от «26» сентября 2017 г. на период 2017 - 2020 гг.
ПНИЭР осуществляется при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации

Общий объем бюджетного финансирования: 54 млн. руб.

Уникальный идентификатор ПНИЭР: RFMEFI57717X0277

Цели и задачи проекта:
Получение значимых научных результатов по созданию элементов двигателей летательных аппаратов,
в том числе гиперзвуковых, отличающихся от сегодняшних образцов:

уменьшением массы и количества деталей – не менее, чем на 20%;
увеличением удельного импульса – на 12-15%;
снижением удельного расхода топлива на соответствующих режимах – на 25-30%;
стабильной энергетически эффективной работой на скоростях полета до М=6-8.

Ожидаемые результаты проекта:
В результате выполнения ПНИЭР планируется разработать алгоритмы, математические модели, методики проектирования и расчета целого семейства технологий и узлов перспективных детонационных двигателей.
В том числе будут разработаны:

Концепция системы принудительного инициирования детонации в детонационном двигателе со сверхзвуковым горением.
Концепция системы многоочагового розжига стримерным СВЧ разрядом камеры сгорания с дозвуковым горением.
Экспериментальный стенд, предназначенный для проведения исследовательских испытаний элементов и узлов системы инициирования детонации.
Экспериментальный стенд, предназначенный для экспериментальных исследований взаимодействия ударных волн в реагирующей среде с элементами конструкций и металлическими поверхностями.
Экспериментальный образец лабораторного макета газогенератора с многоочаговым розжигом стримерным СВЧ разрядом камеры сгорания с дозвуковым горением.
Экспериментальный образец лабораторного макета камеры сгорания с многоочаговым розжигом.
Экспериментальный образец технологической детонационной установки.

Перспективы практического использования

Возможность освоить выпуск принципиально новой продукции, которая не производится нигде в мире:
- Детонационные ракетные двигатели ориентации для космических аппаратов.
- Детонационные воздушно-реактивные двигатели для разгонных блоков средств выведения спутников на орбиту.
- Детонационные камеры сгорания ГТД.
Улучшение потребительских свойств существующей продукции. Будут разработаны СВЧ системы, которые могут быть применены для улучшения потребительских качеств:
- форсирование авиационных ДВС по частоте вращения за счет применения объемного многоочагового СВЧ зажигания.
- доработка камер сгорания ДВС и ГТД с целью придания им свойств малоэмиссионных.
- доработка камер сгорания и форсажных камер авиационных ГТД и вспомогательных силовых установок с целью придания им возможности работы с экстремально бедными топливными смесями.

Индустриальные партнеры:

Московский радиотехнический институт Российской академии наук
ООО «Альфа-стил»
ООО «ВНХ-Механика»

Проект поддержан технологической платформой «Авиационная мобильность и авиационные технологии»

Проект поддержан предприятиями промышленности:

ПАО «Туполев»
Концерн радиостроения «Вега»

Подробная информация о результатах проекта содержится на странице НИЛ "ГЭК" в Facebook

На первом этапе ПНИЭР был проведен аналитический обзор научной литературы по проблемам разработки детонационных двигателей, детонационных технологических установок, ударно-волновых технологий. Выполнено исследование патентной активности в области детонационных двигателей, детонационных технологических установок, ударно-волновых технологий.

Определено направление исследований, заключающееся в использовании способа создания бегущей пересжатой волной детонации при помощи стримерных СВЧ разрядов. Предлагаемый подход является свежим и обещает прорыв в разработках, но теория, лежащая в его основе, разработана только в самых общих чертах, поэтому требуется проведение тщательных расчетно-аналитических и экспериментальных исследований. Для этого на данном этапе выполнена разработка инженерных методов расчетов интерференции и рефракции газодинамических разрывов с тепловыделением и высокоточного численного метода расчета течений с сильными газодинамическими разрывами.

3D-модель разработанного экспериментального стенда, предназначенного для проведения исследовательских испытаний элементов и узлов системы инициирования детонации

На втором этапе выполнены теоретические, численные и аналитические исследования интерференция и рефракция разрывов в инертной и реагирующей топливной смеси, в том числе, с учетом тепловыделения в результате химической реакции. Проведены дополнительные патентные исследования в направлении поиска устройств, силовых установок и двигателей, использующих пересжатую детонацию и ударно-волновые устройства сжатия. На основе полученных в ходе теоретических, численных и аналитических исследований интерференции и рефракции результатов, а также по итогам актуализации патентных исследований разработана концепция дозвуковой камеры сгорания с многоочаговым розжигом, выполнена её численно – аналитическая оптимизация; разработан, изготовлен, теоретически и экспериментально исследован лабораторный макет газогенератора такой камеры. Выполнены исследования процессов воспламенения в камерах сгорания различной формы, для чего были спроектированы и изготовлены элементы объектов экспериментальных исследований. Создана концепция принудительного инициирования детонации в сверхзвуковом потоке. В интересах разработки детонационной технологической установки спроектирован и изготовлен лабораторный макет камеры сгорания и изготовлен экспериментальный стенд, в составе которого она может быть испытана. Проведены исследовательские испытания экспериментального стенда и макета камеры сгорания с многоочаговым розжигом.

Эксперименты продемонстрировали возможность многоочагового поджига пропан-воздушной газовой смеси в диэлектрической трубке импульсным стримерным СВЧ разрядом с поверхностно-развитой плазменной стримерной структурой.

Поджигание топливной смеси стримерным разрядом в кварцевой трубке

На третьем, заключительном этапе выполнены теоретические, расчетно-аналитические исследования взаимодействия ударных волн в реагирующей среде с элементами конструкций и металлическими поверхностями, численно-аналитические исследования узлов, разработанных в обеспечение создания отечественных двигателей, энергетических и технологических установок, использующих пересжатые детонационные волны, численные исследования и оптимизация рабочей камеры детонационных технологических установок обработки сложных поверхностей. Разработан и изготовлен стенд для экспериментальных исследований взаимодействия ударных волн в реагирующей среде с элементами конструкций и металлическими поверхностями.

Проведены экспериментальные исследования динамики и нестационарных ударно-волновых процессов в газовых трактах перспективных технологических установок и экспериментальные исследования узлов, разработанных в обеспечение создания отечественных двигателей, энергетических и технологических установок, использующих пересжатые детонационные волны.

Экспериментальные исследования динамики горения горючей смеси при ее поджиге стримерным СВЧ разрядом

Разработана и изготовлена рабочая камера макета экспериментальной детонационной установки.

Конструкция рабочей камеры макета экспериментальной установки

Разработана, изготовлена и испытана экспериментальная технологическая детонационная установка.

Экспериментальная детонационная установка Пульсар

По итогам выполнения проекта можно сделать следующие выводы и обобщения.

Разработанные высокоточные методы расчета течений с газодинамическими разрывами позволили с высокой надежностью выполнять численные эксперименты. Можно констатировать, что численные и натурные эксперименты по инициированию детонации СВЧ и искровым разрядом, распространению фронтов быстрого, медленного и детонационного горения показали совпадение результатов с точностью, сопоставимой с повторяемостью результатов в ходе натурных экспериментов. Этот факт является значительным научным достижением, учитывая, что все расчеты выполнялись не на суперкомпьютерах, а на стандартной вычислительной технике.

Разделение стадий расчетов по физическим процессам позволило раздельно учитывать влияние таких явлений, как ударно-волновые превращения, химические реакции, ионизация и диссоциация.
Аналитические модели и модели, сведенные к обыкновенным дифференциальным уравнениям, позволили досконально изучить стримерные СВЧ разряды, разработать и включить в численные методы модели выделения энергии стримерным разрядом.

Применение высокоточных методов, в которых ударные волны выделялись явно, позволило «разобрать» на элементарные процессы ударно-волновые превращения и сделать выводы о процессах, которые происходят в RDE.

Разработанный и изученный в ходе численных и натурных экспериментов метод поджигания газовой топливной смеси в замкнутом металлическом цилиндре, по размерам, сопоставимым с цилиндром двигателя Камаз, продемонстрировал следующие преимущества:

Затраты энергии при зажигании на порядок меньше, чем при исковом зажигании.
При воспламенении в сосуде постоянного объема по сравнению со стандартным точечным искровым зажиганием получено увеличение скорости подъема давления до 500 бар/сек, что в 2-5 (в зависимости от начального давления) раз больше, чем при точечном зажигании.
По сравнению с многоточечным искровым зажиганием, сопоставимым по энергии, подведенной к разрядом, КПД СВЧ зажигания в десятки раз выше, скорость роста давления в камере выше на 20-30%, максимальное давление выше, не менее, чем на 25%; время распространения фронта горения также меньше на 25-30%.
Скорость распространения фронта пламени (порядка сотен м/сек) и время достижения максимума давления (порядка 20-30 мс) сопоставимо со временем индукции, что позволяет использовать цикл горения при постоянном объеме как в газотурбинной технике, так и в поршневой, т.к. характерное время полученных газодинамических процессов сопоставимо с периодом вращения высокобортных валов.

Расчеты, в которых не учитывалось влияние жесткого УФ излучения, показали, что, вопреки ожиданиям, влияние этого фактора на скорость и глубину сгорания оказалось несущественным.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что благодаря высокой температуре в разряде и высокой плотности подводимой энергии, при прокачивании топливной смеси непосредственно через область разряда, топливная смесь загорается при скорости порядка км/сек. Соответственно, при обращенном движении, если перемещать разряд по неподвижной топливной смеси, можно организовать принудительную детонацию.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства Образования и науки Российской Федерации (соглашение № 14.577.21.0277, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57717X0277).