Les systèmes de propulsion existants pour l'aviation et les missiles affichent des performances très élevées, mais approchent de la limite de leurs capacités. Pour augmenter encore les paramètres de poussée, ce qui crée une base pour le développement de l'industrie des fusées aéronautiques et spatiales, d'autres moteurs sont nécessaires, notamment. avec de nouveaux principes de travail. De grands espoirs reposent sur le soi-disant. moteurs à explosion. De tels systèmes à impulsions sont déjà testés dans des laboratoires et sur des avions.
Principes physiques
Les moteurs à carburant liquide existants et en fonctionnement utilisent une combustion ou une déflagration subsonique. Une réaction chimique impliquant du carburant et un oxydant forme un front qui se déplace à travers la chambre de combustion à une vitesse subsonique. Cette combustion limite la quantité et la vitesse des gaz réactifs sortant de la buse. En conséquence, la poussée maximale est également limitée.
La combustion par détonation est une alternative. Dans ce cas, le front de réaction se déplace à une vitesse supersonique, formant une onde de choc. Ce mode de combustion augmente le rendement en produits gazeux et offre une traction accrue.
Le moteur à détonation peut être réalisé en deux versions. Parallèlement, des moteurs à impulsions ou pulsatoires (IDD/PDD) et rotatifs/rotatifs se développent. Leur différence réside dans les principes de la combustion. Le moteur rotatif maintient une réaction constante, tandis que le moteur à impulsion fonctionne par "explosions" successives d'un mélange de carburant et de comburant.
Les impulsions forment la poussée
En théorie, sa conception n'est pas plus compliquée qu'un statoréacteur traditionnel ou un moteur-fusée à propergol liquide. Il comprend un ensemble chambre de combustion et tuyère, ainsi que des moyens d'alimentation en carburant et en comburant. Dans ce cas, des restrictions spéciales sont imposées sur la résistance et la durabilité de la structure associées aux particularités du fonctionnement du moteur.
En fonctionnement, les injecteurs alimentent en carburant la chambre de combustion; le comburant est alimenté depuis l'atmosphère à l'aide d'un dispositif d'admission d'air. Après la formation du mélange, l'inflammation se produit. En raison de la sélection correcte des composants du carburant et des proportions du mélange, de la méthode d'allumage optimale et de la configuration de la chambre, une onde de choc se forme, se déplaçant en direction de la buse du moteur. Le niveau de technologie actuel permet d'obtenir une vitesse des vagues allant jusqu'à 2,5-3 km / s avec une augmentation correspondante de la poussée.
IDD utilise un principe de fonctionnement pulsé. Cela signifie qu'après la détonation et la libération de gaz réactifs, la chambre de combustion est soufflée, remplie à nouveau d'un mélange - et une nouvelle "explosion" s'ensuit. Pour obtenir une poussée élevée et stable, ce cycle doit être effectué à une fréquence élevée, de quelques dizaines à des milliers de fois par seconde.
Difficultés et avantages
Le principal avantage de l'IDD est la possibilité théorique d'obtenir des caractéristiques améliorées qui offrent une supériorité sur les statoréacteurs et les moteurs à propergol liquide existants et potentiels. Ainsi, à poussée identique, le moteur à impulsion s'avère plus compact et plus léger. En conséquence, une unité plus puissante peut être créée dans les mêmes dimensions. De plus, un tel moteur est de conception plus simple, puisqu'il n'a pas besoin d'une partie de l'instrumentation.
IDD est opérationnel dans une large gamme de vitesses, de zéro (au départ de la fusée) à hypersonique. Il peut trouver une application dans les systèmes de fusées et spatiaux et dans l'aviation - dans les domaines civils et militaires. Dans tous les cas, ses caractéristiques permettent d'obtenir certains avantages par rapport aux systèmes traditionnels. Selon les besoins, il est possible de créer une fusée IDD en utilisant un oxydant d'un réservoir, ou un réactif à l'air qui prend l'oxygène de l'atmosphère.
Cependant, il existe des inconvénients et des difficultés importants. Ainsi, pour maîtriser une nouvelle direction, il est nécessaire de réaliser diverses études et expériences assez complexes à la jonction de différentes sciences et disciplines. Le principe de fonctionnement spécifique impose des exigences particulières à la conception du moteur et à ses matériaux. Le prix d'une poussée élevée est l'augmentation des charges qui peuvent endommager ou détruire la structure du moteur.
L'enjeu est d'assurer un débit élevé de livraison de carburant et d'oxydant, correspondant à la fréquence de détonation requise, ainsi que d'effectuer une purge avant livraison de carburant. De plus, un problème technique distinct est le lancement d'une onde de choc à chaque cycle de fonctionnement.
Il est à noter qu'à ce jour, les IDD, malgré tous les efforts des scientifiques et des concepteurs, ne sont pas prêts à aller au-delà des laboratoires et des sites d'essais. Les conceptions et les technologies doivent encore être perfectionnées. Par conséquent, il n'est pas encore nécessaire de parler de l'introduction de nouveaux moteurs dans la pratique.
Histoire de la technologie
Il est curieux que le principe d'un moteur à détonation pulsée ait d'abord été proposé non par des scientifiques, mais par des écrivains de science-fiction. Par exemple, le sous-marin "Pioneer" du roman de G. Adamov "Le mystère des deux océans" a utilisé IDD sur un mélange gazeux hydrogène-oxygène. Des idées similaires figuraient dans d'autres œuvres d'art.
La recherche scientifique sur le thème des moteurs à explosion a commencé un peu plus tard, dans les années quarante, et les pionniers de la direction étaient des scientifiques soviétiques. À l'avenir, dans différents pays, des tentatives ont été faites à plusieurs reprises pour créer un IDD expérimenté, mais leur succès a été sérieusement limité par le manque de technologies et de matériaux nécessaires.
Le 31 janvier 2008, l'agence DARPA du département américain de la Défense et l'Air Force Laboratory ont commencé à tester le premier laboratoire volant doté d'un IDD à respiration aérienne. Le moteur d'origine a été installé sur un avion Long-EZ modifié de Scale Composites. La centrale comprenait quatre chambres de combustion tubulaires avec alimentation en combustible liquide et prise d'air de l'atmosphère. À une fréquence de détonation de 80 Hz, une poussée d'env. 90 kgf, ce qui n'était suffisant que pour un avion léger.
Ces tests ont montré la pertinence fondamentale de l'IDD pour une utilisation dans l'aviation, et ont également démontré la nécessité d'améliorer les conceptions et d'augmenter leurs caractéristiques. Dans le même 2008, le prototype d'avion a été envoyé au musée, et la DARPA et les organisations associées ont continué à travailler. Il a été signalé la possibilité d'utiliser l'IDD dans des systèmes de missiles prometteurs - mais jusqu'à présent, ils n'ont pas été développés.
Dans notre pays, le sujet des IDD a été étudié au niveau de la théorie et de la pratique. Par exemple, en 2017, un article sur les tests d'un statoréacteur à détonation fonctionnant à l'hydrogène gazeux est paru dans la revue Combustion and Explosion. De plus, les travaux se poursuivent sur les moteurs à détonation rotatifs. Un moteur-fusée à propergol liquide, adapté à une utilisation sur des missiles, a été développé et testé. La question de l'utilisation de telles technologies dans les moteurs d'avion est à l'étude. Dans ce cas, la chambre de combustion à détonation est intégrée au turboréacteur.
Point de vue technologique
Les moteurs à détonation présentent un grand intérêt du point de vue de leur application dans divers domaines et domaines. En raison de l'augmentation attendue des caractéristiques principales, ils peuvent, au moins, évincer les systèmes des classes existantes. Cependant, la complexité des développements théoriques et pratiques ne permet pas encore de les utiliser dans la pratique.
Cependant, des tendances positives ont été observées ces dernières années. Moteurs à explosion en général, incl. pulsées, apparaissent de plus en plus dans l'actualité des laboratoires. Le développement de cette direction se poursuit et pourra à l'avenir donner les résultats souhaités, bien que le moment de l'apparition d'échantillons prometteurs, leurs caractéristiques et leurs domaines d'application soient encore en question. Cependant, les messages de ces dernières années nous permettent d'envisager l'avenir avec optimisme.
