Гиперзвуковой двигатель преодолел главный барьер на пути к более низким скоростям: заработал при 3–4 скоростях звука
В Университете Нагои разработали детонационный воспламенитель, который запустил и стабилизировал горение водорода в модели сверхзвукового прямоточного двигателя при условиях полёта со скоростью М = 3–4
Учёные Университета Нагои продемонстрировали способ воспламенения и стабилизации горения в скрамджете — сверхзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе — при скоростях, соответствующих полёту с числом Маха 3–4. Для этого они создали вращающийся детонационный воспламенитель (RD torch), который непрерывно подаёт горячие продукты детонационного горения в камеру двигателя.
В эксперименте водород удалось воспламенить и удерживать его горение, при этом основной поток воздуха в камере оставался сверхзвуковым.
Скрамджеты рассматриваются для гиперзвукового транспорта, поскольку рассчитаны на работу при скоростях выше М=5. Однако на меньших скоростях температура воздуха, поступающего в двигатель, снижается, и воспламенить топливо становится значительно сложнее. При М=3–4 самовоспламенение смеси не ожидается, поэтому для запуска горения требуется внешний источник энергии. В результате между диапазоном работы турбореактивно-прямоточных двигателей, способных работать примерно до М=3–4, и скрамджетов, рассчитанных на более высокие скорости, остаётся промежуток.
Команда решила не увеличивать максимальную скорость первого типа двигателей, а попробовать снизить минимальную скорость работы скрамджета. Для этого исследователи выбрали воспламенитель на основе детонации. В его цилиндрической камере детонационная волна непрерывно движется вдоль внутренней стенки и сжигает смесь топлива и кислорода. Образующиеся горячие газы затем поступают в полость камеры скрамджета и должны обеспечить воспламенение основного топлива.
Ранее подобные детонационные камеры требовали слишком большого расхода газа для использования в качестве воспламенителя. Поэтому специалисты Университета Нагои разработали компактную версию устройства: диаметр рабочей части составил 10 мм, длина — 173 мм. В качестве топлива использовался этилен, а в качестве окислителя — кислород. Их общий расход составлял 4,07 ± 0,23 г/с, а расчётная тепловая мощность устройства — 20,5–21,0 кВт, что сопоставимо с обычным факельным воспламенителем, применявшимся в подобных экспериментах.
Испытания провели в установке для изучения сверхзвукового горения. Воздух подавался в модель двигателя со скоростью М=2,8, температурой 682 ± 40 К и расходом 684 ± 24 г/с. Такое сочетание параметров соответствовало условиям полёта на высоте 18 км при скорости М=3–4. Основным топливом скрамджета был водород, который впрыскивался непосредственно в сверхзвуковой воздушный поток.
Внутри воспламенителя детонационная волна устойчиво распространялась со скоростью 2,07–2,14 км/с. Частота её распространения составляла 65–68 кГц. При этом сгорание смеси внутри устройства практически завершалось до выхода продуктов в камеру двигателя, а горячие газы непрерывно поступали в её полость. Авторы также обнаружили, что устройство сохраняло работу при внешних возмущениях, а короткая зона детонационного горения и окружное движение выхлопных газов могли способствовать смешению топлива с воздухом.
Хемилюминесценция пламени по всей камере модели скрамджета во время теста S-13.
После стабилизации работы воспламенителя в поток подавали основной водород. При его расходе около 1,1 г/с учёные зафиксировали устойчивое воспламенение и удержание пламени. При этом поток воздуха внутри модели двигателя оставался сверхзвуковым, то есть эксперимент проходил именно в режиме, характерном для работы скрамджета. При увеличении расхода водорода примерно до 2,5 г/с ситуация изменилась: из-за интенсивного выделения тепла возникло тепловое запирание, и поток в камере перестал оставаться сверхзвуковым.
Главный результат эксперимента заключается в том, что детонационный воспламенитель обеспечил устойчивое горение водорода в сверхзвуковом потоке при условиях, соответствующих скоростям М=3–4. Это позволяет рассматривать такой источник воспламенения как способ расширить область работы скрамджетов в сторону меньших скоростей и тем самым сократить разрыв между традиционными прямоточными и гиперзвуковыми воздушно-реактивными двигателями. Работа опубликована в Journal of Propulsion and Power.