Speech of the doctor of physical and mathematical sciences S.M. Frolov

详细

Speech of the doctor of physical and mathematical sciences S.M. Frolov

全文:

Впервые на возможность технического использования управляемого детонационного горения обратил внимание академик Я. Б. Зельдович в своей статье 1940 г. в "Журнале технической физики". Он теоретически доказал, что коэффициент полезного действия термодинамического цикла со сверхзвуковым детонационным горением намного выше, чем коэффициент полезного действия цикла с дозвуковым медленным горением.

Отличительные особенности детонационного горения – наличие сильной ударной волны, а также быстрые химические превращения в режиме самовоспламенения в этой волне. Такое горение можно использовать для создания повышенной тяги в транспортных двигателях нового поколения для аэрокосмических, наземных, надводных и подводных аппаратов, для совершения повышенной механической работы (фрагментации, формования), быстрого разогрева и пр., а также для получения веществ в гипертермализованном состоянии, например, для сверхперегрева воды в детонационных волнах. Мы называем эту воду гипертермализованной, поскольку она имеет чрезвычайно высокую реакционную способность.

Что сулит применение детонационного горения в транспортных двигателях и энергетических установках? Существующие установки, работаю­щие на управляемом горении, в стационарном рабочем процессе при постоянном давлении в камере уже фактически достигли верхней границы коэффициента полезного действия. Создание установок, работающих на управляемой детонации в условиях значительного повышения давления, позволит поднять верхнюю границу коэффициента полезного действия на 15 – 20 %, приблизив его к эффективности идеального цикла Карно.

Возникает вопрос: как реализовать на практике управляемое детонационное горение? Сегодня активно рассматриваются два варианта: непрерывное детонационное горение и импульсное детонационное горение. Непрерывное детонационное горение возникает при подаче горючего и окислителя в кольцевую камеру сгорания таким образом, чтобы образующаяся горючая смесь сгорала во вращающейся детонационной волне. Это идея академика Б. В. Войцеховского, которую он выдвинул в 1959 г. В Институте химической физики им. Н. Н. Семёнова (ИХФ) РАН успешно реализован такой непрерывный детонационный процесс горения в экспериментальных образцах ракетных двигателей – водородно-кислородных и метано-кислородных – и впервые экспериментально доказана энергоэффективность непрерывного детонационного цикла. Оказалось, что детонационное горение на 7 – 8 % увеличивает тягу и повышает удельные характеристики двигателя по сравнению с обычным горением. Кроме того, в детонационном двигателе такие же удельные характеристики достигаются при вдвое меньшем давлении в камере сгорания, что тоже очень важно, особенно для жидкостных ракетных двигателей.

Непрерывное детонационное горение можно использовать и в турбореактивных двигателях, заменив обычную жаровую трубу на детонационную. Как ожидается, это приведёт к повышению полного давления в детонационной камере сгорания и уменьшению расхода горючего приблизительно на 10 –12 %. Причём, если в традиционных камерах сгорания полное давление падает на 5 – 6 %, то при детонации оно будет расти. Газодинамические расчёты показали, что нет никаких принципиальных препятствий для создания многорежимных детонационных камер сгорания для турбореактивных двигателей. Другое направление применения непрерывного детонационного горения – прямоточные двигатели для высокоскоростных летательных аппаратов. Расчётным путём и экспериментально показано, что при работе на водороде такие двигатели могут обеспечить атмосферный полёт аппаратов при числе Маха от 4 до 8.

Управляемое детонационное горение можно использовать для тонкой фрагментации вязких жидкостей – тяжёлых фракций нефти и водноугольных суспензий. Если модулировать детонационными волнами распыление обычной форсунки, которая даёт капли размером 500 мкм, то легко получаются капли размером 15 – 20 мкм, сгорающие голубым пламенем без всяких признаков сажеобразования.

Ещё одна область практического использования управляемого детонационного горения – переработка бытовых отходов. Недавно сотрудники ИХФ РАН приступили к разработке новой беспламенной технологии переработки твёрдых бытовых отходов гипертермолизованной водой, которая получается детонационным способом. При детонации образуется сверхперегретый водяной пар с температурой более 1700°С, который имеет очень большую реакционную способность и окисляет твёрдые бытовые отходы. В результате мы получаем множество полезных продуктов без каких-либо выбросов в атмосферу. Этот проект реализуется ИХФ РАН совместно с индустриальным партнёром института – ООО "Новые физические принципы" и холдингом "Пластметалл".