Експериментальне дослідження прямоточно повітряно-детонаційного двигуна на монопаливах

Abstract

Предметом вивчення у статті є процеси, які відбуваються у камері прямоточно повітряної-детонаційної двигунної установки комбінованого циклу прискорення. Метою є виявлення найбільш значущих факторів та дослідження їх впливу на визначальні характеристики роботи компактного детонаційного двигуна. Завдання: розглянути перспективні концепції багаторежимних двигунів та дослідити характер впливу режимних параметрів та конструктивних факторів на підвищення ефективності компактного детонаційного двигуна. Методи розв’язання задач: розрахунково-аналітичний та обчислювально-експерименту. У статті представлено повну методологію дослідження прямоточного повітряно-детонаційного двигуна (ППДД), що функціонує на монопаливі. Обґрунтовано доцільність переходу від традиційного режиму згоряння до детонаційного в контексті підвищення ефективності тяги та зменшення питомої витрати палива. Визначено актуальність розробки подібних силових установок для перспективної авіаційної та космічної техніки, зокрема малої авіації, безпілотних літальних апаратів та модульних ракетних систем. Метою дослідження є створення цілісної системи експериментального та чисельного аналізу процесів у ППДД з подачею монопалива, а також верифікація аналітичних моделей з урахуванням особливостей хімічної кінетики. У роботі представлено результати експериментальних досліджень прямоточного повітряно-детонаційного двигуна (ППДД), що працює на монопаливі – Проніт та Еніт. Випробування проводилися на імпульсній аеродинамічній трубі (ІАТ) при числах Маха від 4 до 8. Досліджено умови формування фронту детонації, вплив частоти імпульсів, геометрії каналу та режимів дроселювання на стабільність згоряння. Особливу увагу приділено адаптації конструкції вхідного дифузора та внутрішньої геометрії камери до умов висотного польоту. Порівняно ефективність використання різних типів монопалив за параметрами тяги, стійкості та температурного навантаження. Встановлено, що ППДД із монопаливом Проніт може забезпечити стабільний детонаційний режим на висотах до 20 км. Одержані результати можуть бути використані при створенні гіперзвукових літальних апаратів та енергетичних модулів нового покоління. Застосовано комплекс методів: високошвидкісне експериментальне дослідження з використанням лабораторного стенду; діагностика параметрів тиску, температури та швидкості детонації; чисельне моделювання на базі рівнянь Нав’є-Стокса з реакційною кінетикою; використано підходи Хейзера, Вільсона та Лу для різних рівнів складності фізико-математичних моделей. Методи розв’язання задач: розрахунково-аналітичний та обчислювально-експериментальний. Чисельне моделювання проводилося у програмному комплексі з використанням різних моделей турбулентності для оцінки в’язких надзвукових потоків. Висновки: результати експериментів дозволили виявити критичні умови запуску детонаційної хвилі, встановити вплив геометричних характеристик камери згоряння на стабільність згоряння, а також оцінити температурне навантаження на конструкцію. Наукова новизна роботи полягає у комплексному підході до вивчення компактних ППДД на монопаливі, що поєднує детальні хімічні та гідродинамічні моделі з реальною лабораторною валідацією. Вперше системно досліджено вплив попереднього нагріву, ступеня стиснення та швидкості подачі на реалізацію стабільної детонації в монопаливній системі. Практичне значення полягає у можливості використання отриманих результатів при проектуванні компактних енергоефективних детонаційних двигунів для автономних систем, де критичними є показники масогабаритності, швидкості запуску та надійності.