Die US Navy plant, die derzeit in ihren Flugzeugen und Schiffen installierten Gasturbinenkraftwerke in Zukunft zu modernisieren und konventionelle Brighton-Zyklus-Motoren durch Detonations-Rotationsmotoren zu ersetzen. Aus diesem Grund werden jährlich Kraftstoffeinsparungen von etwa 400 Millionen US-Dollar erwartet. Der serielle Einsatz neuer Technologien ist jedoch nach Expertenmeinung frühestens in einem Jahrzehnt möglich.
Die Entwicklung von Rotations- oder Rotations-Rotationsmotoren in Amerika wird vom US Navy Research Laboratory durchgeführt. Nach ersten Schätzungen werden die neuen Motoren leistungsstärker und zudem rund ein Viertel sparsamer als herkömmliche Motoren sein. Gleichzeitig bleiben die Grundprinzipien des Kraftwerksbetriebs gleich - die Gase aus dem verbrannten Brennstoff treten in die Gasturbine ein und drehen ihre Schaufeln. Nach Angaben des US-Marine-Labors werden auch in relativ ferner Zukunft, wenn die gesamte amerikanische Flotte elektrisch betrieben wird, Gasturbinen, teilweise modifiziert, noch für die Stromerzeugung verantwortlich sein.
Denken Sie daran, dass die Erfindung des pulsierenden Düsentriebwerks bis ins späte 19. Jahrhundert zurückreicht. Erfinder war der schwedische Ingenieur Martin Wiberg. Während des Zweiten Weltkriegs verbreiteten sich neue Kraftwerke, die jedoch in ihren technischen Eigenschaften den damals existierenden Flugzeugtriebwerken deutlich unterlegen waren.
Es sei darauf hingewiesen, dass die amerikanische Flotte zu diesem Zeitpunkt 129 Schiffe umfasst, die 430 Gasturbinenmotoren verwenden. Die Kosten für die Treibstoffversorgung betragen jedes Jahr etwa 2 Milliarden US-Dollar. In Zukunft, wenn moderne Motoren durch neue ersetzt werden, wird sich die Höhe der Kraftstoffkosten ändern.
Derzeit verwendete Verbrennungsmotoren arbeiten nach dem Brighton-Zyklus. Wenn Sie die Essenz dieses Konzepts in wenigen Worten definieren, kommt es auf das sukzessive Mischen von Oxidationsmittel und Brennstoff, weitere Kompression des resultierenden Gemischs, dann - Brandstiftung und Verbrennung mit der Expansion von Verbrennungsprodukten an. Diese Expansion wird nur verwendet, um Kolben anzutreiben, zu bewegen, eine Turbine zu drehen, dh mechanische Aktionen auszuführen und konstanten Druck bereitzustellen. Der Verbrennungsprozess des Kraftstoffgemisches verläuft mit Unterschallgeschwindigkeit - dieser Vorgang wird als Dufflagration bezeichnet.
Bei den neuen Motoren beabsichtigen die Wissenschaftler, in ihnen eine explosive Verbrennung zu verwenden, dh eine Detonation, bei der die Verbrennung mit Überschallgeschwindigkeit erfolgt. Und obwohl das Phänomen der Detonation derzeit noch nicht vollständig untersucht ist, ist bekannt, dass bei dieser Art der Verbrennung eine Stoßwelle auftritt, die sich durch ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft ausbreitet, eine chemische Reaktion auslöst, deren Ergebnis ist die Freisetzung einer ziemlich großen Menge thermischer Energie. Wenn die Stoßwelle das Gemisch durchdringt, erwärmt es sich, was zur Detonation führt.
Bei der Entwicklung eines neuen Triebwerks ist geplant, bestimmte Entwicklungen zu verwenden, die bei der Entwicklung eines Detonationspulsationstriebwerks gewonnen wurden. Das Funktionsprinzip besteht darin, dass ein vorverdichtetes Kraftstoffgemisch in den Brennraum geleitet wird, wo es gezündet und gezündet wird. Verbrennungsprodukte dehnen sich in der Düse aus und führen mechanische Aktionen aus. Dann wird der ganze Zyklus von Anfang an wiederholt. Der Nachteil pulsierender Motoren ist jedoch, dass die Wiederholrate der Zyklen zu gering ist. Außerdem wird die Konstruktion dieser Motoren selbst bei einer Erhöhung der Pulsationszahl komplexer. Dies liegt an der Notwendigkeit, den Betrieb der Ventile, die für die Zufuhr des Kraftstoffgemischs verantwortlich sind, sowie direkt durch die Detonationszyklen selbst zu synchronisieren. Pulsierende Motoren sind zudem sehr laut, benötigen zum Betrieb viel Kraftstoff und arbeiten nur mit konstant dosierter Kraftstoffeinspritzung.
Wenn wir Detonations-Rotationsmotoren mit pulsierenden vergleichen, ist das Funktionsprinzip etwas anders. So sorgen insbesondere die neuen Motoren für eine ständige kontinuierliche Detonation des Kraftstoffs im Brennraum. Dieses Phänomen wird Spin oder rotierende Detonation genannt. Es wurde erstmals 1956 von dem sowjetischen Wissenschaftler Bogdan Voitsekhovsky beschrieben. Und dieses Phänomen wurde schon viel früher, im Jahr 1926, entdeckt. Die Pioniere waren die Briten, die bemerkten, dass in bestimmten Systemen statt einer flachen Detonationswelle ein hell leuchtender "Kopf" auftauchte, der sich spiralförmig bewegte.
Voitsekhovsky fotografierte mit einem selbst konstruierten Fotorekorder die Wellenfront, die sich in einer ringförmigen Brennkammer in einem Kraftstoffgemisch bewegte. Die Spindetonation unterscheidet sich von der ebenen Detonation dadurch, dass in ihr eine einzige Stoßtransversalwelle entsteht, gefolgt von einem erhitzten Gas, das nicht reagiert hat, und bereits hinter dieser Schicht befindet sich eine chemische Reaktionszone. Und genau eine solche Welle verhindert die Verbrennung der Kammer selbst, die Marlene Topchiyan „einen abgeflachten Donut“nannte.
Anzumerken ist, dass bereits in der Vergangenheit Detonationsmotoren verwendet wurden. Die Rede ist insbesondere vom pulsierenden Luftstrahltriebwerk, das von den Deutschen am Ende des Zweiten Weltkriegs bei den V-1-Marschflugkörpern verwendet wurde. Seine Herstellung war recht einfach, seine Verwendung war einfach, aber gleichzeitig war dieser Motor nicht sehr zuverlässig, um wichtige Probleme zu lösen.
2008 hob die Rutang Long-EZ, ein Versuchsflugzeug mit pulsierendem Detonationstriebwerk, in die Luft. Der Flug dauerte nur zehn Sekunden in einer Höhe von dreißig Metern. In dieser Zeit entwickelte das Kraftwerk einen Schub in der Größenordnung von 890 Newton.
Der vom amerikanischen Labor der US Navy vorgestellte Versuchsprototyp des Triebwerks ist eine ringkegelförmige Brennkammer mit einem Durchmesser von 14 Zentimetern auf der Kraftstoffzufuhrseite und 16 Zentimetern auf der Düsenseite. Der Abstand zwischen den Wänden der Kammer beträgt 1 Zentimeter, während die „Röhre“17,7 Zentimeter lang ist.
Als Brennstoffgemisch wird ein Gemisch aus Luft und Wasserstoff verwendet, das mit einem Druck von 10 Atmosphären der Brennkammer zugeführt wird. Die Mischungstemperatur beträgt 27,9 Grad. Beachten Sie, dass diese Mischung als die geeignetste gilt, um das Phänomen der Spindetonation zu untersuchen. In den neuen Motoren wird es laut Wissenschaftlern jedoch möglich sein, ein Kraftstoffgemisch zu verwenden, das nicht nur aus Wasserstoff, sondern auch aus anderen brennbaren Bestandteilen und Luft besteht.
Experimentelle Studien eines Rotationsmotors haben seine höhere Effizienz und Leistung im Vergleich zu Verbrennungsmotoren gezeigt. Ein weiterer Vorteil ist die erhebliche Kraftstoffeinsparung. Gleichzeitig stellte sich während des Experiments heraus, dass die Verbrennung des Kraftstoffgemisches im Rotations-"Test"-Motor ungleichmäßig ist, daher ist es notwendig, die Motorkonstruktion zu optimieren.
Verbrennungsprodukte, die sich in der Düse ausdehnen, können über einen Konus in einem Gasstrahl gesammelt werden (das ist der sogenannte Coanda-Effekt) und dieser Strahl kann dann der Turbine zugeführt werden. Unter dem Einfluss dieser Gase dreht sich die Turbine. So kann ein Teil der Turbinenarbeit zum Antrieb von Schiffen verwendet werden, zum anderen aber auch zur Energieerzeugung, die für Schiffsausrüstungen und verschiedene Systeme benötigt wird.
Die Motoren selbst können ohne bewegliche Teile hergestellt werden, was ihre Konstruktion erheblich vereinfacht, was wiederum die Kosten des gesamten Kraftwerks senkt. Aber das ist nur perspektivisch. Bevor neue Motoren in Serie gehen, müssen viele schwierige Probleme gelöst werden, darunter die Auswahl langlebiger hitzebeständiger Materialien.
Beachten Sie, dass Rotationsdetonationsmotoren derzeit als einer der vielversprechendsten Motoren gelten. Sie werden auch von Wissenschaftlern der University of Texas in Arlington entwickelt. Das von ihnen geschaffene Kraftwerk wurde "Dauerdetonationsmaschine" genannt. An derselben Universität wird an der Auswahl verschiedener Durchmesser von Ringkammern und verschiedenen Brennstoffgemischen geforscht, die Wasserstoff und Luft oder Sauerstoff in unterschiedlichen Anteilen enthalten.
Auch in Russland wird in diese Richtung entwickelt. So entwickeln Wissenschaftler des Wissenschafts- und Technikzentrums Lyulka im Jahr 2011 nach Angaben des Geschäftsführers des Saturn-Forschungs- und Produktionsverbundes I. Fedorov ein pulsierendes Luftstrahltriebwerk. Die Arbeiten laufen parallel zur Entwicklung eines vielversprechenden Triebwerks namens „Product 129“für den T-50. Darüber hinaus sagte Fedorov auch, dass der Verband an der Schaffung vielversprechender Flugzeuge der nächsten Stufe forscht, die unbemannt sein sollen.
Gleichzeitig gab der Kopf nicht an, um welche Art von pulsierendem Motor es sich handelte. Derzeit sind drei Typen solcher Motoren bekannt - ventillos, ventil und Detonation. Es ist mittlerweile allgemein anerkannt, dass pulsierende Motoren am einfachsten und billigsten herzustellen sind.
Heute forschen mehrere große Rüstungsunternehmen an leistungsstarken pulsierenden Düsentriebwerken. Zu diesen Firmen zählen die amerikanische Pratt & Whitney und General Electric sowie die französische SNECMA.
Daraus lassen sich gewisse Schlüsse ziehen: Die Schaffung eines neuen vielversprechenden Motors hat gewisse Schwierigkeiten. Das Hauptproblem liegt derzeit in der Theorie: Was genau passiert, wenn sich die Detonationsstoßwelle im Kreis bewegt, ist nur allgemein bekannt, was die Optimierung der Konstruktionen erheblich erschwert. Daher ist die neue Technologie, obwohl sie sehr attraktiv ist, im Maßstab der industriellen Produktion kaum umsetzbar.
Gelingt es den Forschern jedoch, die theoretischen Fragen zu klären, kann von einem echten Durchbruch gesprochen werden. Schließlich werden Turbinen nicht nur im Verkehr eingesetzt, sondern auch im Energiebereich, in dem eine Effizienzsteigerung noch stärker wirken kann.
