Линейный реактивный двигатель                                                                                               Наибольшие успехи в  области гиперзвуковых ускорителей сейчас демонстрируют рельсотроны (railgun) [1]   [2].Рекорды по массе и скорости снаряда были   достигнуты  в исследовательской лаборатории ВМС США (Naval Surface  Warfare Center):                   2 января 2008 года снаряд массой 3 кг достиг скорости  2520 м/с, и                   12 октября 2010 года снаряд массой 9 кг достиг скорости  2380 м/с .  Но, у рельсотронов есть масса недостатков. У них низкий КПД, менее 10%, направляющие рельсы подвергаются  эрозии за 3-4 выстрела. Эти громоздкие конструкции нуждаются в массивных источниках тока. Обычно это импульсные,  инерционные униполярные генераторы с низким удельным энергосодержанием на единицу массу, менее 100 кДж/кг.  Иногда для этой цели используют одноразовые магнитно-кумулятивные взрывные генераторы. Выяснилось также, что  для рельсотрона предельно достижимая скорость снаряда около 2500 м/с . Это скорость, при которой нарушается т.н.  квазиметаллический контакт, и наступает прорыв плазмы за пределы контакта снаряда с рельсами [3][4]. В целом, они  имеют недостатки всех электромагнитных ускорителей, в которых превращение энергии химического топлива происходит опосредованно, через ее преобразование  в электрический ток. С 1988 года  исследуются гиперзвуковые ускорители, в которых энергия химического топлива напрямую  превращается в кинетическую энергию снаряда  (Ram Accelerator, Scram Сannon - supersonic combustion ramjet technology)  [5].  Важная особенность таких «химических ускорителей» заключается в том, что топливо, газовая смесь восстановителя  и окислителя, распределена равномерно вдоль ствола. Это решает традиционную для обычных пушек проблему  неравномерного вдоль ствола давления пороховых газов в момент выстрела, и одновременно позволяет ускоряться  снаряду до скоростей выше предельной скорости истечения разогретых газов.  Сам снаряд представляет собой  гиперзвуковой прямоточный реактивный двигатель, а орудие простую длинную трубу. Коническое дно снаряда вместе с  поверхностью трубы образует дивергентную часть ракетного сопла (сопла Лаваля), а его острый нос конвергентную  часть.   Однако, особенности кинетики детонационного горения газа при сверхзвуковых скоростях требуют переменного  состава топливной смеси, что заставляет разработчиков разделять трубу мембранами на отсеки, в которых содержатся  разные газовые смеси разного состава: метана и водорода  с кислородом, азотом и гелием. Это приводит к тому, что при  работе возникают сильнейшие акустические колебания. Обслуживание топливной трубы становится проблематичным из-  за необходимости каждый раз менять прорванные мембраны. Также,  снаряд должен двигаться быстрее скорости  детонации газовой среды, что требует использования стартового порохового ускорителя. Также оказалось, что  детонационное горение не идет, если снаряд сделан из стали, но идет хорошо для алюминия, магния и циркония -   материал оболочки снаряда каким то образом участвует  в горении газовой смеси. Сам снаряд теряет  10-15% массы после  выстрела.  Все это сводит на нет преимущества внешней простоты устройства. Кроме того, по непонятным пока  причинам на скорости около 3000 м/с  наступает срыв гиперзвукового горения.  На сегодняшний момент этим  экзотическим методом удается ускорять снаряды массой 5 кг  (калибр 120 мм) до скорости 2700 м/с [6].  С начала 60-х годов появляются патенты на ускоритель, который в зарубежной печати имеет обобщенное название  “blast wave accelerator” [7][8][9][10]. В нем  топливо, взрывчатое вещество (ВВ), распределяются вдоль ствола на его  внутренней стороне, и подрывается над его коническим дном либо электродетонаторами, либо трением в момент  прохождения снаряда. Но здесь есть определенные трудности здесь согласовать фронт детонационного горения топлива с движением  снаряда. Если топливо расположено равномерным слоем на внутренней поверхности ствола, то скорость снаряда должна  быть выше скорости детонации ВВ, которая обычно очень высокая. У тротила например она 6900 м/сек! У ВВ с низкой  скоростью детонации, как например для нитрата аммония (порошок и водные растворы) и его смеси с дизельным  топливом (игданит) она как минимум 1100 – 2000 м/сек. Но при этом у них очень большой критический диаметр  детонации, который определяет минимальную толщину слоя топлива – 100-200 мм ! [11]. При этом, еще не вполне ясно,  как движение снаряда должно инициировать детонацию. Поэтому, обычно для теоретических моделей “blast wave  accelerator” принимается, что ВВ расположены в трубе в виде изолированных пенопластом колец, которые подрываются  электродетонаторами с помощью датчиков слежения, что конечно достаточно сложно[12][13][14]. Эффективность такого  устройства (КПД преобразования потенциальной энергии топлива в кинетическую снаряда) оценивается численными  методами менее 25%. Недостаток такого устройства также в том, что ударные волны от сегментов ВВ будут негативно  влиять как на ствол ускорителя, так и на снаряд с его начинкой. В таком исполнении это скорее одноразовое орудие!  Видимо это та причина, по которой “blast wave accelerator” НИКОГДА не исследовался «в железе».  Другую концепцию ускорителя с равномерным распределением твердого топлива предлагает А.Е. Войтенко[15].  Постулируя инициацию детонационного горения слоя топлива движением снаряда, он предлагает рассматривать  конусообразное дно снаряда в сочетании с поверхностью трубы как реактивное сопло Лаваля. Сопло, в котором горение  топлива начинается у его основания, и далее к выходу идет адиабатическое расширение образующихся газов.   В этом случае расчеты показывают, что эффективность устройства максимальна, и определяется «термическим  КПД» самого процесса, 50-75%.  В отличие от “blast wave accelerator”, КПД «линейного реактивного двигателя» (ЛРД) с  набором скорости только растет!  Критерии работы ЛРД (рис.1) следующие:  1. Vd < V < (L/D)*Vd                2.  V < Ve*(L/R)  Где V – скорость снаряда, Vd – скорость детонации, Ve - скорость газа, падающего на дно снаряда со стенок топливного  слоя; L –высота конуса-дна снаряда, R- радиус оболочки снаряда, D- толщина топливного слоя. Если не выполняется первая часть неравенства 1, то детонационная волна обгоняет снаряд. Если не выполняется  вторая часть неравенства 1, то топливо сгорает за пределами сопла снаряда. Если не выполняется неравенство 2, то  продукты взрыва не достигают дна (условие безотрывности потока от хвостового конуса). В данном случае предельная  скорость, после которой снаряд не может ускоряться, определяется котангенсом угла полураствора конуса и скоростью  истечения продуктов детонации. Для предельной скорости снаряда массой m соответствует и предельная масса топлива M = m*(L/R)2 . Например, если угол полураствора конуса 5.74o , то есть (L/R) = 10,   а  Ve = 1000 м/с, то для снаряда массой 1 кг максимально возможная для ускорения масса топлива составит 100 кг, которая  позволит ускорить снаряд до предельной скорости 10 000 м/с. На графике (Рис.2)  представлены расчетные зависимости скорости от массы топлива для ЛРД и “blast wave  accelerator”, а также для снаряда с присоединенным зарядом (донным газогенератором).  Для расчетов брались параметры: энергосодержание топлива 4 МДж/кг, КПД преобразования химической энергии  в кинетическую энергию истекающих газов 50%, Ve = 2000 м/с, (L/R) = 10, m = 1кг.  Эти выкладки предполагают возможность создания  простого устройства многоразового действия, способного  ускорять снаряды до очень высоких скоростей. Вопросом теоретических и экспериментальных исследований остаются:  1. выбор подходящего топлива, которое удовлетворяет вышеуказанным условиям работы ЛРД 2. способ согласования горения топлива с движением снаряда. 3. условия отрыва потока от реактивного сопла ЛРД Видимо, в качестве не обязательно брать ВВ с низкой скоростью детонации. Возможно, здесь подойдут  энергонасыщенные топлива, способные к низкоскоростной детонации (НСД). Например, крупнозернистые  пироксилиновые пороха, которые легко подвергаются НСД от источника пламени [16][17]. Который может находится на  борту снаряда [18], или образовываться в результате действия ударной волны в ускорителе при движении снаряда.   Использование пироксилиновых порохов могло бы открыть источник дешевого «конверсионного» топлива для  «пушечной космонавтики».  В целом устройство нового «химического ускорителя» многократного действия диктуется следующими научно-  инженерными требованиями: 1.Потенциальная энергия в виде твердого энергонасыщенного топлива должна быть «заранее» распределена вдоль ствола  орудия. 2.Из этого неизбежно следует, что для взаимодействия со снарядом его дно должно быть конусообразной формы. 3.На его внутренней поверхности в виде цилиндрических сегментов, которые могут перезаряжаться после каждого  выстрела по “минометной схеме”, с дула или казны орудия.  4. Сами цилиндрические сегменты заряда должны иметь жесткие ребра-направляющие, по которым движется снаряд.  Бронировка и ребра сегментов естественным образом предохраняют внутреннюю поверхность ствола от эрозии. После  каждого выстрела они должны полностью  сгорать для последующей зарядки орудия. В идеале весь сегмент заряда  должен быть жестким и сплошным. 5. Необходимое условие работы такого устройства это согласование фронта горения топлива с движением снаряда. Изучение последнего вопроса привело к открытию нового типа устройств, гибридных электрохимических  ускорителей,  где горение топлива инициируется электрическим разрядом [19] [20]. В качестве топлива в них могут  применятся  композиции на основе дешевого нитрата аммония или конверсионного нитроцеллюлозного артиллерийского пороха с истекшим сроком хранения. Так как его утилизация до сих пор  является нерешенной проблемой, его цена на два  порядка меньше свежего, заводского изготовления. В принципе, устройство может работать и как чисто  электротермический ускоритель нового типа. Работы по разработке инновационных гибридных электрохимических  ускорителей признаны перспективными,  о чем сообщается в рекомендательном письме Департамента промышленности  обычных вооружений, боеприпасов и спецхимии № ПГ 16-3631 от 5 мая 2016 г. Ссылки. 1.“U.S. Navy Demonstrates World's Most Powerful EMRG at 10 Megajoules”// press release from Office of Naval Research Public Affairs, United States Navy,  http://www.navy.mil/search/display.asp?story_id=34718  , Release Date: 2/1/2008  . 2.“Navy Sets New World Record with Electromagnetic Railgun Demonstration”// press release from By Geoff Fein, Office of Naval Research Public Affairs, United States Navy,  http://www.navy.mil/search/display.asp?story_id=57690 ,  Release Date: 12/10/2010 3. Галанин М.П., Лотоцкий А.П., Уразов С.С., Халимуллин Ю.А. Математическое моделирование эрозии металлических контактов в  рельсотронном ускорителе // Препринт ИПМ им. М.В.Келдыша РАН. Москва, 2003 . http://www.keldysh.ru/papers/2003/prep79/prep2003_79.html 4. М.П. Галанин. Компьютерное моделирование в задачах конвертирования электромагнитной и  кинетической энергии. задачи и модели //Препринт ИПМ им. М.В.Келдыша РАН. Москва http://www.keldysh.ru/e- biblio/jj/INF1/INF1.html 5. C. Knowlen, B. Joseph, A.P. Bruckner. //Presented at International Space Development Conference, May 25-28, 2007, Dallas TX. Ram  Accelerator as an Impulsive Space Launcher: Assessment of Technical Risks  http://www.exrocket.com/5.pdf 6. Andrew J. Higgins. Ram Accelerators: Outstanding Issues and New Directions // JOURNAL OF PROPULSION AND POWER  Vol. 22,  No. 6, November–December 2006, P. 1171. http://www.exrocket.com/6.pdf 7. Werner K. Kern, Tallahassee, and Fay E. Null,  Explosive linear acceleration. //US Patent 3031933, May 1, 1962. 8. Charles A. Rodenberger,  Propellant ligned high velocity accelerator. // US Patent 3411403, November 19, 1968 9. Abraham L. Korr, Evan Harris Walker,  Muzzle attachment for accelerating a projectle. // US Patent 3880044, April 29, 1975 10. George T. Pinson,  Controlled explosive, hypervelocity self-contained round for a large caliber gun. // US Patent 5016537, May 21, 1991 11. Чувурин А.В. Занимательная пиротехника. «Основа».Харьков, 2003. Часть1с.54 12. Eric W. Davis, Advanced Propulsion Study. / /Special Report of AIR FORCE RESEARCH LABORATORY, September 2004. P. 25.  http://alnaspaceprogram.org/papers/advanced%20propulsion%20study.pdf 13. Dennis Wilson, Zhigiang Tan, and Philip L. Varghese.  "Numerical simulation of the blast-wave accelerator"// AIAA Journal, Vol. 34, No. 7 (1996), pp. 1341-1347.   http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/3.13238?journalCode=aiaaj 14. Dennis Wilson and Zhiqiang Tan. The Blast Wave Accelerator - Feasibility Study.// CP552, Space Technology and Applications  International Forum-2001, American Institute of Physics. P. 589-598.  http://www.ramaccelerator.org/home/sites/default/files/STAIF%20blast-0589.pdf 15. Войтенко А.Е.  Основные энергетические характеристики линейного реактивного двигателя. //Прикладная механика и техническая физика, 1990 год, номер 2, с.118-120, http://www.sibran.ru/journals/issue.php?ID=119929&ARTICLE_ID=134010 16.  Б.С.Ермолаев, А.А.Сулимов, В.А.Окунев, Б.А.Хасаинов. О механизме НСД в крупно-зерненной нитроклетчатке // Фундаментальные проблемы физики ударных волн. Материалы всесоюзной конференции, т.1, ч.1, 1987, с.40–42 17. Б.С.Ермолаев, А.А.Беляев, А.А.Сулимов. Численное моделирование перехода горения в детонацию в пироксилиновых порохах // Журнал «Химическая физика», 2004, т.23, № 1, с.67-77 18. Мамаев О.А., Эдигаров В. Р., Болштянский А. П. Снаряд с газовым подвесом. // Патент РФ  RU  2285226  C1, 2005. 19. Ребеко А.Г. Способ электротермического ускорения твердых тел.//. Патент  РФ RU 2599309 С1 , 21.07.2015 http://www.fips.ru/Archive4/PAT/2016FULL/2016.10.10/DOC/RUNWC1/000/000/002/599/309/DOCUMENT.PDF  20. Ребеко А.Г. Способ электротермического ускорения твердых тел.//. Патент  РФ RU 2607821 C1, 08.12.2015 http://www1.fips.ru/ofpstorage/IZPM/2017.01.13/RUNWC1/000/000/002/607/821/%D0%98%D0%97-02607821- 00001/document.pdf
experimental rockets    -   exclusive rockets
Наша миссия Высотный старт Ракеты и двигатели Импульсные устройства Наши новости Наши партнеры Контакты