Die bestehenden Antriebssysteme für Luftfahrt und Flugkörper zeigen sehr hohe Leistungen, sind aber an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit gestoßen. Um die Schubparameter weiter zu erhöhen, was eine Grundlage für die Entwicklung der Luftfahrtraketen- und Raumfahrtindustrie schafft, werden andere Triebwerke benötigt, inkl. mit neuen Arbeitsprinzipien. Große Hoffnungen werden auf die sog. Detonationsmotoren. Solche Pulsklassensysteme werden bereits in Labors und an Flugzeugen getestet.
Physikalische Prinzipien
Bestehende und betriebene Flüssigbrennstoffmotoren verwenden Unterschallverbrennung oder Deflagration. Eine chemische Reaktion mit Brennstoff und Oxidationsmittel bildet eine Front, die sich mit Unterschallgeschwindigkeit durch die Brennkammer bewegt. Diese Verbrennung begrenzt die Menge und Geschwindigkeit der reaktiven Gase, die aus der Düse strömen. Dementsprechend ist auch der maximale Schub begrenzt.
Detonationsverbrennung ist eine Alternative. In diesem Fall bewegt sich die Reaktionsfront mit Überschallgeschwindigkeit und bildet eine Stoßwelle. Dieser Verbrennungsmodus erhöht die Ausbeute an gasförmigen Produkten und sorgt für eine erhöhte Traktion.
Der Detonationsmotor kann in zwei Versionen hergestellt werden. Gleichzeitig werden Impuls- oder Pulsationsmotoren (IDD / PDD) und rotatorische / rotierende Motoren entwickelt. Ihr Unterschied liegt in den Prinzipien der Verbrennung. Der Rotationsmotor hält eine konstante Reaktion aufrecht, während der Impulsmotor durch aufeinanderfolgende "Explosionen" einer Mischung aus Brennstoff und Oxidationsmittel arbeitet.
Impulse bilden Schub
Theoretisch ist sein Design nicht komplizierter als ein herkömmliches Staustrahl- oder Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk. Es umfasst eine Brennkammer- und Düsenanordnung sowie Mittel zum Zuführen von Brennstoff und Oxidationsmittel. In diesem Fall werden der Festigkeit und Haltbarkeit der Struktur besondere Einschränkungen auferlegt, die mit den Besonderheiten des Motorbetriebs verbunden sind.
Im Betrieb versorgen die Injektoren den Brennraum mit Kraftstoff; das Oxidationsmittel wird unter Verwendung einer Lufteinlassvorrichtung aus der Atmosphäre zugeführt. Nach der Bildung des Gemisches erfolgt die Entzündung. Durch die richtige Auswahl der Kraftstoffkomponenten und Mischungsverhältnisse, das optimale Zündverfahren und die Gestaltung der Kammer entsteht eine Stoßwelle, die sich in Richtung Triebwerksdüse bewegt. Der aktuelle Stand der Technik ermöglicht es, eine Wellengeschwindigkeit von bis zu 2,5-3 km / s mit entsprechender Schuberhöhung zu erreichen.
IDD verwendet ein pulsierendes Funktionsprinzip. Das bedeutet, dass nach der Detonation und der Freisetzung von reaktiven Gasen die Brennkammer ausgeblasen, wieder mit einem Gemisch gefüllt wird – und eine neue „Explosion“folgt. Um einen hohen und stabilen Schub zu erhalten, muss dieser Zyklus mit einer hohen Frequenz von zehn bis tausend Mal pro Sekunde durchgeführt werden.
Schwierigkeiten und Vorteile
Der Hauptvorteil der IDD ist die theoretische Möglichkeit, verbesserte Eigenschaften zu erhalten, die eine Überlegenheit gegenüber bestehenden und zukünftigen Staustrahl- und Flüssigtreibstofftriebwerken bieten. So fällt der Impulsmotor bei gleichem Schub kompakter und leichter aus. Dementsprechend kann eine leistungsstärkere Einheit in den gleichen Abmessungen erstellt werden. Außerdem ist ein solcher Motor einfacher konstruiert, da er keinen Teil der Instrumentierung benötigt.
IDD ist in einem breiten Geschwindigkeitsbereich einsatzbereit, von Null (beim Start der Rakete) bis hin zu Hyperschall. Es kann in Raketen- und Raumfahrtsystemen sowie in der Luftfahrt Anwendung finden - im zivilen und militärischen Bereich. In allen Fällen ermöglichen es seine charakteristischen Merkmale, bestimmte Vorteile gegenüber herkömmlichen Systemen zu erzielen. Je nach Bedarf kann eine Raketen-IDD mit einem Oxidationsmittel aus einem Tank oder einem luftreaktiven, das Sauerstoff aus der Atmosphäre entnimmt, hergestellt werden.
Es gibt jedoch erhebliche Nachteile und Schwierigkeiten. Um eine neue Richtung zu meistern, ist es daher notwendig, verschiedene ziemlich komplexe Studien und Experimente an der Schnittstelle verschiedener Wissenschaften und Disziplinen durchzuführen. Das spezifische Wirkprinzip stellt besondere Anforderungen an das Motordesign und seine Materialien. Der Preis für hohen Schub sind erhöhte Belastungen, die die Triebwerksstruktur beschädigen oder zerstören können.
Die Herausforderung besteht darin, eine hohe Brennstoff- und Oxidationsmittelzufuhr entsprechend der erforderlichen Detonationsfrequenz sicherzustellen sowie vor der Brennstoffzufuhr eine Spülung durchzuführen. Darüber hinaus besteht ein separates technisches Problem darin, dass bei jedem Betriebszyklus eine Stoßwelle ausgelöst wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass das IDD trotz aller Bemühungen von Wissenschaftlern und Designern bis heute nicht bereit ist, über Labore und Teststandorte hinauszugehen. Designs und Technologien müssen weiterentwickelt werden. Über die Einführung neuer Motoren in die Praxis muss daher noch nicht gesprochen werden.
Geschichte der Technologie
Es ist merkwürdig, dass das Prinzip eines gepulsten Detonationsmotors zuerst nicht von Wissenschaftlern, sondern von Science-Fiction-Autoren vorgeschlagen wurde. Zum Beispiel verwendete das U-Boot "Pioneer" aus dem Roman von G. Adamov "The Mystery of Two Oceans" IDD auf einem Wasserstoff-Sauerstoff-Gasgemisch. Ähnliche Ideen fanden sich in anderen Kunstwerken.
Die wissenschaftliche Forschung zum Thema Detonationsmotoren begann etwas später, in den vierziger Jahren, und die Pioniere der Richtung waren sowjetische Wissenschaftler. In der Zukunft wurde in verschiedenen Ländern immer wieder versucht, ein erfahrenes IDD zu schaffen, aber ihr Erfolg wurde durch das Fehlen der notwendigen Technologien und Materialien stark eingeschränkt.
Am 31. Januar 2008 begann die DARPA-Agentur des US-Verteidigungsministeriums und das Air Force Laboratory mit der Erprobung des ersten fliegenden Labors mit einem luftatmenden IDD. Der ursprüngliche Motor wurde in ein modifiziertes Long-EZ-Flugzeug von Scale Composites eingebaut. Das Kraftwerk umfasste vier röhrenförmige Brennkammern mit Flüssigbrennstoffversorgung und Luftansaugung aus der Atmosphäre. Bei einer Detonationsfrequenz von 80 Hz wird ein Schub von ca. 90 kgf, was nur für ein Leichtflugzeug ausreichte.
Diese Tests zeigten die grundsätzliche Eignung des IDD für den Einsatz in der Luftfahrt sowie die Notwendigkeit, die Konstruktionen zu verbessern und ihre Eigenschaften zu erhöhen. Im selben Jahr 2008 wurde der Prototyp des Flugzeugs an das Museum geschickt, und die DARPA und verwandte Organisationen arbeiteten weiter. Es wurde über die Möglichkeit des Einsatzes von IDD in vielversprechenden Raketensystemen berichtet – aber bisher wurden sie nicht entwickelt.
In unserem Land wurde das Thema IDD auf der Ebene von Theorie und Praxis studiert. 2017 erschien beispielsweise in der Zeitschrift Combustion and Explosion ein Artikel über Tests eines mit gasförmigem Wasserstoff betriebenen Detonations-Staustrahltriebwerks. Auch die Arbeit an Rotationsdetonationsmotoren wird fortgesetzt. Ein für den Einsatz an Flugkörpern geeigneter Flüssigtreibstoff-Raketenmotor wurde entwickelt und getestet. Die Frage des Einsatzes solcher Technologien in Flugzeugtriebwerken wird untersucht. In diesem Fall ist die Detonationsbrennkammer in das Turbojet-Triebwerk integriert.
Technologieperspektive
Detonationsmotoren sind im Hinblick auf ihre Anwendung in verschiedenen Bereichen und Gebieten von großem Interesse. Aufgrund der zu erwartenden Zunahme der Hauptmerkmale können sie zumindest die Systeme bestehender Klassen verdrängen. Die Komplexität der theoretischen und praktischen Entwicklung lässt jedoch noch keine Anwendung in der Praxis zu.
In den letzten Jahren sind jedoch positive Trends zu beobachten. Detonationsmotoren allgemein, inkl. gepulst, erscheinen zunehmend in den Nachrichten aus den Labors. Die Entwicklung dieser Richtung geht weiter und wird in Zukunft die gewünschten Ergebnisse liefern können, obwohl der Zeitpunkt des Erscheinens vielversprechender Muster, deren Eigenschaften und Anwendungsgebiete noch fraglich sind. Die Botschaften der letzten Jahre lassen uns jedoch optimistisch in die Zukunft blicken.
