L'US Navy prévoit de moderniser à l'avenir les centrales électriques à turbine à gaz actuellement installées sur ses avions et ses navires, en remplaçant les moteurs conventionnels à cycle de Brighton par des moteurs rotatifs à détonation. Pour cette raison, les économies de carburant devraient s'élever à environ 400 millions de dollars par an. Cependant, l'utilisation en série des nouvelles technologies est possible, selon les experts, au plus tôt dans une décennie.
Le développement de moteurs rotatifs ou rotatifs en Amérique est réalisé par le US Navy Research Laboratory. Selon les premières estimations, les nouveaux moteurs seront plus puissants et environ un quart plus économiques que les moteurs conventionnels. Dans le même temps, les principes de base du fonctionnement de la centrale électrique resteront les mêmes - les gaz du combustible brûlé entreront dans la turbine à gaz, faisant tourner ses pales. Selon le laboratoire de l'US Navy, même dans un avenir relativement lointain, lorsque toute la flotte américaine sera alimentée à l'électricité, les turbines à gaz seront toujours chargées de produire de l'électricité, dans une certaine mesure modifiée.
Rappelons que l'invention du moteur à réaction pulsé remonte à la fin du XIXe siècle. L'inventeur était l'ingénieur suédois Martin Wiberg. Les nouvelles centrales électriques se sont généralisées pendant la Seconde Guerre mondiale, bien qu'elles soient nettement inférieures dans leurs caractéristiques techniques aux moteurs d'avion qui existaient à cette époque.
A noter qu'à ce jour, la flotte américaine compte 129 navires, qui utilisent 430 moteurs à turbine à gaz. Chaque année, le coût de leur approvisionnement en carburant est d'environ 2 milliards de dollars. À l'avenir, lorsque les moteurs modernes seront remplacés par de nouveaux, le montant des coûts de carburant changera.
Les moteurs à combustion interne actuellement utilisés fonctionnent selon le cycle de Brighton. Si vous définissez l'essence de ce concept en quelques mots, tout se résume au mélange successif de l'oxydant et du carburant, à une compression supplémentaire du mélange résultant, puis à un incendie criminel et à une combustion avec expansion des produits de combustion. Cette expansion est juste utilisée pour entraîner, déplacer des pistons, faire tourner une turbine, c'est-à-dire effectuer des actions mécaniques, fournissant une pression constante. Le processus de combustion du mélange de carburant se déplace à une vitesse subsonique - ce processus s'appelle la déflagration.
Quant aux nouveaux moteurs, les scientifiques ont l'intention d'y utiliser une combustion explosive, c'est-à-dire une détonation, dans laquelle la combustion se produit à une vitesse supersonique. Et bien qu'à l'heure actuelle le phénomène de détonation n'ait pas encore été complètement étudié, on sait qu'avec ce type de combustion, une onde de choc se produit, qui se propage à travers un mélange de carburant et d'air, provoque une réaction chimique dont le résultat est la libération d'une quantité assez importante d'énergie thermique. Lorsque l'onde de choc traverse le mélange, celui-ci s'échauffe, ce qui entraîne une détonation.
Dans le développement d'un nouveau moteur, il est prévu d'utiliser certains développements obtenus lors du développement d'un moteur à impulsions à détonation. Son principe de fonctionnement est qu'un mélange de carburant pré-comprimé est introduit dans la chambre de combustion, où il est enflammé et détoné. Les produits de combustion se dilatent dans la buse, réalisant des actions mécaniques. Ensuite, tout le cycle est répété depuis le début. Mais l'inconvénient des moteurs pulsés est que le taux de répétition des cycles est trop faible. De plus, la conception de ces moteurs eux-mêmes devient plus complexe en cas d'augmentation du nombre de pulsations. Cela est dû à la nécessité de synchroniser le fonctionnement des vannes, qui sont chargées de fournir le mélange carburé, ainsi que directement par les cycles de détonation eux-mêmes. Les moteurs à pulsations sont également très bruyants, ils nécessitent une grande quantité de carburant pour fonctionner et le travail n'est possible qu'avec une injection dosée de carburant constante.
Si nous comparons les moteurs rotatifs à détonation avec les moteurs pulsés, le principe de leur fonctionnement est légèrement différent. Ainsi, en particulier, les nouveaux moteurs prévoient une détonation constante et continue du carburant dans la chambre de combustion. Ce phénomène est appelé spin ou détonation rotative. Il a été décrit pour la première fois en 1956 par le scientifique soviétique Bogdan Voitsekhovsky. Et ce phénomène a été découvert bien plus tôt, en 1926. Les pionniers étaient les Britanniques, qui remarquèrent que dans certains systèmes une "tête" brillante et brillante apparaissait, qui se déplaçait en spirale, au lieu d'une onde de détonation plate.
Voitsekhovsky, à l'aide d'un enregistreur photo qu'il a lui-même conçu, a photographié le front d'onde, qui se déplaçait dans une chambre de combustion annulaire dans un mélange de carburant. La détonation de spin diffère de la détonation plane en ce qu'une seule onde transversale de choc s'y produit, suivie d'un gaz chauffé qui n'a pas réagi, et déjà derrière cette couche se trouve une zone de réaction chimique. Et c'est précisément une telle vague qui empêche la combustion de la chambre elle-même, que Marlene Topchiyan a appelée "un beignet aplati".
Il est à noter que les moteurs à détonation ont déjà été utilisés dans le passé. En particulier, nous parlons du moteur à air pulsé, qui a été utilisé par les Allemands à la fin de la Seconde Guerre mondiale sur les missiles de croisière V-1. Sa production était assez simple, son utilisation était assez facile, mais en même temps ce moteur n'était pas très fiable pour résoudre des problèmes importants.
De plus, en 2008, le Rutang Long-EZ, un avion expérimental équipé d'un moteur à détonation pulsée, a pris son envol. Le vol n'a duré que dix secondes à une altitude de trente mètres. Pendant ce temps, la centrale a développé une poussée de l'ordre de 890 Newtons.
Le prototype expérimental du moteur, présenté par le laboratoire américain de l'US Navy, est une chambre de combustion en forme de cône annulaire de diamètre 14 centimètres côté alimentation en carburant et 16 centimètres côté tuyère. La distance entre les parois de la chambre est de 1 centimètre, tandis que le « tube » mesure 17,7 centimètres de long.
Un mélange d'air et d'hydrogène est utilisé comme mélange de carburant, qui est fourni à une pression de 10 atmosphères à la chambre de combustion. La température du mélange est de 27,9 degrés. A noter que ce mélange est reconnu comme le plus pratique pour étudier le phénomène de détonation de spin. Mais, selon les scientifiques, dans les nouveaux moteurs, il sera possible d'utiliser un mélange de carburant composé non seulement d'hydrogène mais également d'autres composants combustibles et d'air.
Des études expérimentales d'un moteur rotatif ont montré son efficacité et sa puissance supérieures par rapport aux moteurs à combustion interne. Un autre avantage est l'économie de carburant significative. Dans le même temps, au cours de l'expérience, il a été révélé que la combustion du mélange de carburant dans le moteur rotatif "d'essai" n'est pas uniforme, il est donc nécessaire d'optimiser la conception du moteur.
Les produits de combustion qui se dilatent dans la buse peuvent être collectés dans un jet de gaz à l'aide d'un cône (c'est ce qu'on appelle l'effet Coanda), puis ce jet peut être envoyé à la turbine. La turbine tournera sous l'influence de ces gaz. Ainsi, une partie du travail de la turbine peut être utilisée pour propulser les navires, et en partie pour générer de l'énergie, qui est nécessaire pour l'équipement des navires et divers systèmes.
Les moteurs eux-mêmes peuvent être produits sans pièces mobiles, ce qui simplifiera grandement leur conception, ce qui, à son tour, réduira le coût de la centrale dans son ensemble. Mais ce n'est qu'en perspective. Avant de lancer de nouveaux moteurs dans la production en série, il est nécessaire de résoudre de nombreux problèmes difficiles, dont l'un est la sélection de matériaux résistants à la chaleur durables.
Notez qu'à l'heure actuelle, les moteurs à détonation rotatifs sont considérés comme l'un des moteurs les plus prometteurs. Ils sont également développés par des scientifiques de l'Université du Texas à Arlington. La centrale électrique qu'ils ont créée s'appelait le "moteur à détonation continue". Dans la même université, des recherches sont menées sur la sélection de différents diamètres de chambres annulaires et de divers mélanges de carburant, qui comprennent de l'hydrogène et de l'air ou de l'oxygène dans des proportions différentes.
Un développement dans ce sens est également en cours en Russie. Ainsi, en 2011, selon le directeur général de l'association de recherche et de production Saturn I. Fedorov, des scientifiques du Centre scientifique et technique de Lyulka développent un moteur à réaction à air pulsé. Les travaux sont menés en parallèle avec le développement d'un moteur prometteur appelé « Product 129 » pour le T-50. En outre, Fedorov a également déclaré que l'association menait des recherches sur la création d'avions prometteurs de la prochaine étape, censés être sans pilote.
Dans le même temps, le responsable n'a pas précisé de quel type de moteur pulsé il s'agissait. À l'heure actuelle, trois types de moteurs de ce type sont connus - sans soupape, à soupape et à détonation. Il est généralement admis, quant à lui, que les moteurs pulsés sont les plus simples et les moins chers à fabriquer.
Aujourd'hui, plusieurs grandes entreprises de défense mènent des recherches sur les moteurs à réaction pulsés haute performance. Parmi ces firmes figurent les américaines Pratt & Whitney et General Electric et la française SNECMA.
Ainsi, certaines conclusions peuvent être tirées: la création d'un nouveau moteur prometteur présente certaines difficultés. Le principal problème à l'heure actuelle est théorique: ce qui se passe exactement lorsque l'onde de choc de détonation se déplace en cercle n'est connu qu'en termes généraux, ce qui complique grandement le processus d'optimisation des conceptions. Par conséquent, la nouvelle technologie, bien qu'elle soit très attrayante, est difficilement réalisable à l'échelle de la production industrielle.
Cependant, si les chercheurs parviennent à démêler les questions théoriques, il sera possible de parler d'une véritable percée. Après tout, les turbines sont utilisées non seulement dans les transports, mais aussi dans le secteur de l'énergie, où une augmentation de l'efficacité peut avoir un effet encore plus fort.
