Инициирование детонации в гомогенных смесях и распылах жидкого топлива последовательными электрическими разрядами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ наук ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ им. Н. Н. Семенова

На правах рукописи

АКСЁНОВ Виктор Серафимович

ИНИЦИИРОВАНИЕ ДЕТОНАЦИИ В ГОМОГЕННЫХ СМЕСЯХ И РАСПЫЛАХ ЖИДКОГО ТОПЛИВА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РАЗРЯДАМИ

01.04.17-Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете)

Научные руководители доктор физико-математических наук

Фролов С М доктор технических наук

Басевич В Я

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук

Гвоздева Л Г доктор физико-математических наук Слуцкий В Г

Ведущая организация Центральный институт авиационного

моторостроения (ЦИАМ) им П И Баранова

Защита состоится 18 мая 2005 г в 14 часов на заседании Диссертационно! о совета Д 002 012 02 при Институте химической физики им Н Н Семенова РАН по адресу 119991, Москва, ул Косыгина д 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИХФ РАН

Автореферат разослан 18 апреля 2005г

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальност ь темы

По оценкам Я. Б. Зельдовича реактивные двигатели, использующие детонационное сгорание топлива, должны быть термодинамически более эффективными, чем двигатели работающие на медленном (дефлаграционном) сжигании топлива Это связано с тем, что при одинаковых начальных условиях продукты детонации горючей смеси обладают меньшей энтропией, чем продукты горения в замкнутом объеме (V = const) и продукты горения при постоянном давлении (р = const), и. следовательно, при изэнтропическом расширении продуктов в атмосферу большая часть химической энергии топлива превращается в полезную работу.

В последнее десятилетие во многих странах развернулись работы по созданию воздушно-реактивных импульсных детонационных двигателей (ИДД) для летательных аппаратов Основное препятствие на этом пути - низкая детонационная способность углеводородных топлив. Диссертационная работа посвящена решению фундаментальных проблем, связанных с разработкой ИДД. а именно экспериментальному исследованию инициирования детонации топливно-воздушных смесей (TBC) с газообразным и жидким горючим в коротких трубах. Цель работы

Цель работы - экспериментальная проверка новых методов инициирования детонации в TBC, обеспечивающих предельно низкие минимальные энергии зажигания и предельно короткие предетонационные расстояния

Для достижения цети поставлены и решены следующие задачи

1 Всесторонне исследовать прямое инициирование детонации TBC последовательными электрическими разрядами

2 Использовать дополнительные средства (турбулизаторы. газодинамические фокусирующие элементы, переходные конусы и др ) для значительного снижения минимальной энер[ии зажигания и предетонационного расстояния в трубах Научная новизна

1 Впервые экспериментально подтвержден предложенный Я Б Зельдовичем и А. С. Компанейцем метод инициирования детонации бегущим импульсом

принудительного зажигания. Экспериментально доказано, что детонацию в горючем газе или горючей двухфазной смеси можно инициировать импульсом зажигания, который формируется с помощью последовательного запуска нескольких электрических разрядов с тщательно подобранными временами задержки. Для получения детонации на предельно коротких расстояниях поджигающий импульс должен перемещаться с ускорением в фазе с головной ударной волной (УВ).

2. Впервые экспериментально зарегистрирован переход горения в детонацию в капельных смесях углеводородного топлива с воздухом. Показано, что использование спирали Щелкина и нового элемента - витка трубы - позволяет значительно уменьшить энергию инициирования детонации и длин} пре-детонационного участка.

3 Впервые разработан и испытан макет-демонстратор нового типа воздушно-реактивного бесклапанного ИДД на жидком топливе.

Практическая значимость

Предложены и разработаны новые методы инициирования детонации для импульсных детонационных камер сгорания, обеспечивающие предельно низкие энергии зажигания и предельно короткие предетонационные расстояния Создан и испытан компактный макет-демонстратор воздушно-реактивного ИДД на жидком топливе. Результаты работы могут быть использованы при создании практического воздушно-реактивного ИДД. Основные результаты, представляемые к защите

1. Критерии возбуждения детонации в распылах жидкого топлива с помощью двух последовательных электрических разрядов.

2. Результаты экспериментальных и расчетных исследований инициирования газовой детонации распределенными электрическими разрядами.

3. Результаты экспериментальных исследований высокоскоростного горения распылов жидкого топлива в трубе со спиралью Щелкина

4 Результаты экспериментальных исследований высокоскоростного горения в трубе с фокусирующим витком.

5 Результаты экспериментальных исследований инициирования детонации в распылах жидкого топлива в комбинированных трубах с разрядной камерой,

спиралью Щелкина. витком трубы, переходным конусом и двумя электрическими разрядниками

6 Результаты испытаний двухконтурного макета-демонстратора воздушно-реактивного бесклапанного ИДД на жидком топливе и измерений тяговых характеристик Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на семинаре кафедры химической физики МИФИ (ГУ), Москва, 2005, научных сессиях МИФИ (ГУ). Москва, 2004 и 2005 гг, XXVII, XXVII и XXIX Академических чтениях по космонавтике, Москва, 2003, 2004 и 2005 гг, Всероссийской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», Москва, 2005: XIII Всероссийском симпозиуме по горению, Черноголовка, 2005, совещании-симпозиуме «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах, Черноголовка, 2004, Международном коллоквиуме по применению детонации в двигательных установках, С -Петербург, 2004, Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2004, Петрозаводск, 2004, 17-й Международной конференции по двигательным установкам, Кембридж, США, 2004, 16-й Международной конференции по двигательным установкам, Лос - Анжелес, США, 2003 Международном коллоквиуме по детонации в ограниченных объемах, Москва, 2002, 19-м Международном коллоквиуме по динамике взрывов и реагирующих систем, Хаконе, Япония, 2003, Российско-Германском семинаре по реагирующим течениям, Берлин, 2002, 14-й Международной конференции по двигатечьным установкам, Чикаго, США, 2002 Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 20 работах, вкчючая 14 статей и 6 тезисов докладов на тематических конференциях Личный вклад автора

Соискатель принимал непосредственное участие в постановке задач, разработке комплекса экспериментального оборудования и методик исследований, получении, обработке и анализе экспериментальных результатов, а также подготовке статей и докладов на конференциях

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех пав и заключения и изложена на 107 страницах, включая 2 табтицы, 52 рисунка и список литературы из 85 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований и их практическая значимость сформулирована цель работы и пути ее достижения Коротко описаны основные научные результаты и их научная новизна Приведены основные положения, вынесенные на защиту

Глава 1 Современное состояние исследований по ИДЯ и инициирование детонации в TBC

Возможность использования детонационного режима для термодинамически эффективного сжигания топлива впервые рассмотрена Я Б Зельдовичем в 1940 г Однако применительно к созданию реактивной тяги сжигание топлива в стоячей детонационной волне (ДВ) менее эффективно чем медленное сжигание при постоянном давлении вследствие необратимых потерь при торможении потока в детонационном фронте Чтобы исключить торможение потока. Г Хоффман в 1949 г пред южил использовать не стоячие а бегущие ДВ периодически генерируемые в камере сгорания двигателя летательного аппарата

Рис 1 Схема летательного аппарата с ИДД на шести детонационных камерах сгорания 1 сверхзвуковой диффузор 2 поворотный механический клапан, 3 -детонационная труба, 4 - отверстия в клапане, 5 вал, 6 - корпус

Известно несколько принципиальных схем ИДД На рис 1 показана одна из предлагаемых в США схем компоновки прямоточного воздушно-

реактивного двигателя с ИДД, включающая сверхзвуковой диффузор 1, поворотный механический клапан 2 и связку детонационных труб 3. оборудованных общим соплом Рабочий цикл ИДЦ предусматривает следующие стадии.

(1) заполнение нескольких труб TBC (клапан открыт); (2)закрытие клапана и инициирование детонации с помощью того или иного источника инициирования; (3) сжигание смеси в бегущей ДВ. создающей высокое избыточное давление на створке закрытого клапана; (4) выход ДВ в атмосфер> через сопло и снижение давления в трубе до некоторого заданного уровня; (5) открытие клапана и повторение стадии (1)

В настоящее время существуют лабораторные образцы ИДД, работающие на газовом (водород, этилен, пропан) и жидком (бензин, частично испаренный керосин) топливе и воздухе с частотой от 1 до 90 Гц На стендах измерены тяговые характеристики таких ИДД. Для инициирования детонации слабым источником зажигания в детонационных трубах устанавливают спирали Щелкина или перегородки для местного сужения поперечного сечения, а в качестве клапанов используют модифицированные клапанные системы автомобильных двигателей Кроме схем с механическим клапаном, предлагаются бесклапанные схемы, в которых отсутствуют подвижные элементы При работе ИДД на жидком улеводородном топливе требуются значительно более высокие энергии зажигания, чем при работе на предварительно перемешанной TBC Для преодоления этой проблемы предлагают схемы бесклапанных ИДД с предетонатором устройством, в котором детонацию инициируют в топливно-кислородной смеси, а затем перепускают в трубу с TBC

Простота конструкции и принципа работы ИДД, а также высокая потенциальная термодинамическая эффективность рабочего цикла, делают его привлекательным для приложений, особенно в авиации и ракетной технике Однако в литературе отмечаются многочисленные отклонения от идеальной схемы ИДД. связанные с (1) несовершенным смешением компонентов TBC,

(2) неравномерным заполнением камеры сгорания свежей TBC. (3) конечными значениями длины и времени развития ДВ и (4) ее неустановившимся характером распространения, (5) несоответствием параметров детонации параметрам детонации Чепмена-Жуге (ЧЖ) и другими факторами.

В практических ИДД желательно использовать штатные жидкие топлива без активных добавок с непосредственной подачей в камеру сгорания без предварительного смешения с воздухом В настоящее время именно эти факторы оказались основным барьером на пути создания ИДД, конкурирующего с существующими силовыми установками. Необходимость использования жидкого упеводородного топлива в рабочем цикле воздушно-реактивного ИДД порождает ряд фундаментальных проблем, связанных с низкой детонационной способностью таких топлив и необходимостью больших энергетических затрат на инициирование детонации.

Представлены известные результаты измерений и расчетов критических энергий прямого инициирования детонации топливно-кислородных смесей и TBC. а также литературные данные по предетонационным расстояниям при переходе горения в детонацию в таких смесях. В качестве перспективного источника инициирования дегонации в ИДД рассматривают электрический разряд Описаны основные характеристики электрических разрядов и действующие факторы разряда, способствующие инициированию детонации. Глава 2. Экспериментальный стенд

Для решения задачи об оптимизации условий инициирования дегонации TBC в коротких трубах создан испытательный стенд с широким набором технических и диагностических возможностей Стенд позволяет работать с ГВС с газообразным и жидким топливом, электрическими разрядами с энергией от 10 до 104 Дж, детонационными режимами сгорания TBC, проводить измерения амплитудных и временных параметров электрических разрядов, а также проводить регистрацию волновых процессов в детонационной трубе.

Устройство стенда представлено на рис. 2. Стенд состоит из трёх основных систем - газодинамической, силовой и контрольно-измерительной. Газодинамическая система обеспечивает подачу воздуха и жидкого топлива под давлением в строго постоянной пропорции через пневматическую форсунку 2. Детонационная труба 3 длиной до 2 м оснащена электрическими разрядниками 8 (далее - разрядниками), датчиками давления и ионизационными зондами 9 Открытый конец трубы выходит в расширитель 4 объёмом 30 л, сообщающийся с

атмосферой через глушитель 5, заполненный сеткой из стальной витой проволоки.

Размер капель в топливной струе измеряли с помощью стандартного метода следовых отпечатков Преобладающий диаметр капель топлива в воздушной струе составил 5-10 мкм для гексана, гептана и уайт-спирита

Для управления работой стенда и регистрации экспериментальных параметров спроектированы и изготовлены специальное управляющее устройство, цифровая линия задержки, а также регистрирующие комплексы на базе персональных компьютеров с 12-разрядным АЦП с периодом опроса 300 нс По сигналу блока управления включается реле времени и зарядка батареи конденсаторов При достижении заданного уровня напряжения зарядки конденсаторов включаются электроматнитные клапаны подачи топлива и воздуха форсунки По достижении полной зарядки конденсаторов запускается первый разрядник и компьютер 15 Цифровая линия задержки предназначена для синхронизации запуска десяти силовых разрядников Она может запускаться от (1) синхроимпульса или датчика тока любого разрядника, (2) датчика давления, регистрирующего фронт ударной волны, или (3) ионизационного зонда, регистрирующего фронт пламени

Рис 2 Схема экспериментального стенда 1 - воздушный клапан. 2 - форсунка, 3 - детонационная труба, 4 - расширитель, 5 - глушитель, 6 - баллон воздушный, 7- топливный клапан, 8- разрядники, 9- датчики давления, 10- воздушный компрессор, 11- топливная емкость, 12- топливный фильтр, 13- блок управления, 14- блок питания разрядников, 15 аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 16 - регистрирующий компьютер

Экспериментальная отработка разрядников в воздухе позволила потучить представления о динамике разряда и взаимодействии разряда с УВ Данные потучены с использованием теневой методики с мноюимпульсной лазернои подсветкой и фоторазверткой Характеристики разрядников изучались в скоростном потоке воздуха за первичной УВ, распространяющейся в прозрачной секции у тарной трубы сечением 70x70 мм Получены кинограммы теневой картины развития импульсного разряда, инициируемого за фронтом первичной УВ с числом Маха от 1,5 до 3 3 На месте разряда образуется облако горячего т а, которое сносится потоком Вверх по потоку вторичная у В от разряда распространяется с относительно малой скоростью Поперечная вторичная УВ испытывает отражение от стенки Вторичная УВ, распространяющаяся вниз по потоку, догоняет первичную УВ По результатам обработки фоторазвертки скорость фронта собственного свечения вблизи разря шика составляет около 1000 м/с Скорость УВ регистрировалась на расстояниях от 30 до 80 мм от разрядника На расстоянии 40 мм скорость УВ уменьшается до 600 м/с

В таблице приведены основные характеристики экспериментального

стенда

Таблица Основные характерисики экспериментального стенда

Ко 1 и честно каналов регистрации до 16

Диаметр деюнационной тр\бы от 28 до 51 мм

Давление сжатою во ¡духа и топлива до 0,75 МПа

Диаметр капель жидкою топлива 5-10 мкм

Энергия емкостных накопителей от 10 до 10000 Дж

Рабочее напряжение емкостных наколите чей до 5000 В

Пофешность ^сиповки напряжения накопитепей не более 25 В

Погрешность измерения скорости ДВ не более 50 м/с

Ра)брос времени срабатывания 10 разрядников не более +/- 5 чке

Ко'шчество выстретов в часто гном режиме до 25

Глава 3. Инициирование детонации последовательными разрядами

В экспериментах по инициированию детонации несколькими разрядами, синхронизированными с УВ от первого разряда использовали закрытую гладкую трубу диаметром 51 мм и длиной 1 5 м Труба состояла из разгонной секции длиной 1 м и измерительной секции длиной 0 5 м В торец разгонной секции помещали первый разрядник Начиная с сечения 1, отстоящего от торца на 26 мм

вдоль разгонной секции с шагом 100 мм (в сечениях 2, 3 и тд) устанавливали дополнительные разрядники Продолжительность разрядного тока на всех разрядниках бьла менее 100 мкс Труб) наполняли стехиометрической пропано-воздушной смесью под давлением 0,1 МПа Цель экспериментов - подобрать времена запуска последовательных разрядов таким образом, чтобы обеспечить максимальное ускорение слабой первичной УВ по мере ее распространения вдоль трубы и инициировать детонацию Задержка запуска разрядника в сечении 2 выбиралась из нескольких опытов с целью достижения максимальной скорости УВ на измерительной базе отстоящей от разрядника 2 на 200 мм Затем в дополнение к разрядникам в сечениях 1 и 2 подключался разрядник в сечении 3. и по нескольким опытам подбиралась его задержка Таким образом, в каждой последующей серии опытов количество подключаемых разрядников увеличивалось

Расстояние / мм 0 200 400 600 800

Номер сечения

Рис 3 Экспериментальная х-1 диаграмма ускорения УВ в стехиометрической пропано - ВОЗДУШНОЙ смеси Детонация возникает в сечении 7

На рис 3 показана пространственно-временная диаграмма с результатами опытов Черные кр>жки соответствуют найденным оптимальным значениям времен запуска разрядников, а светлые кружки - измеренному времени прихода

УВ в соответствующее сечение При срабатывании в одном опыте двух, трех и тд до семи разрядников детонация в трубе не возникала Только при последовательном запуске восьми разрядников в одном опыте скорость первичной УВ постепенно возрастала от 850 ± 12 до 1770 ± 25 м/с, т е , начиная с сечения 7 ичи 8 (на расстоянии 0 6-0 7 м от сечения 1), в разгонной секции возникала ДВ В измеритечьной секции ДВ распространялась с постоянной скоростью 1700-1800 м/с

Для почучения ДВ разрядники необходимо бьпо запускать с опережением 80-100 мкс по отношению к времени прихода УВ в соответствующее сечение трубы В соответствии с данными Гт 2 скорость вторичной УВ в окрсстности разрядника составляет -1000 м/с Полагая среднюю скорость первичной УВ на разгонном участке близкой к 1000 м/с, получаем что первичная УВ взаимодействует с вторичной через 40-50 мкс после запуска разряда За это время выделяется основное количество энергии накопителя разрядника, и формируется УВ с интенсивностью, близкой к максимальной

На рис 4 показаны результаты модельного (одномерного) газодинамического расчета взаимодействия первичной УВ с внешним источником зажигания Если внешний источник отсутствует, первичная УВ затухает (рис 4а) Если внешний источник запускается слишком рано, первичная УВ сначала несколько усиливается вследствие допочнительного выделения химической энергии смеси, а затем снова затухает (рис 46) При почти оптимальном запуске внешнею источника зажигание смеси за фронтом первичной УВ приводит к сильному локальному повышению давления, которое, впрочем, не приводит к возникновению детонации (рис 4в) Только при тщательно подобранном оптимальном запуске внешнего источника быстрое сгорание смеси происхочит прямо во фронте первичной УВ, что приводит к инициированию детонации (рис 4г) Отметим, что в расчетах энергия внешнего источника выбиралась настолько незначительной, что при запуске источника в инертном газе УВ была квазиакустической

На основании описанных опытов и расчетов можно полагать, что внешнее стимулирование химических превращений в первичной УВ с помощью эчектрического разряда, запускаемого почти синхронно с приходом дом

первичной УВ, приводит к ускорению УВ вплоть до ее пере хода в детонацию Важную роль в развитии переходного явления может играть и столкновение ударных волн

Все дальнейшие опыты проводились в распылах жидкого н-гексана и н-гептана в воздухе Сначала исстедовали инициирование детонации двумя последовательными электрическими разрядами Опыты проводили при импульсной подаче воздуха и топлива в течение 1 с Первый разрядник помешали около сопла форсунки, а второй- на расстоянии Ь от первого разрядника, кратном 100 мм В первой серии экспериментов использовали трубу диаметром 51 мм и цилиндрические трехэлектродные разрядники Емкость конденсатора каждого разрядника С\ = Сг = 300 мкФ В опытах изменяли напряжение и время задержки и расстояние / Рисунок 5 построен для Ь = 200 мм Знаки

«+»относятся к условиям при которых на измерительных базах

0 7-1 1 и 11-1 З м регистрировали ДВ. распространяющуюся со средней скоростью 1780 ± 100 м/с Измеренная скорость ДВ близка к термодинамическому значению скорости детонации в гомогенной стехиометрической смеси н-гексана с воздухом (1840 м/с) Знаки «-» соответствуют условиям, при которых детонация не возникала Для возбуждения детонации одним разрядником с конденсатором удвоенной емкости требовалось

напряжение 3300 В (для первого разрядника) и 4100 В (для второго разрядника, расположенного на расстоянии 260 мм от сопла форсунки) Указанные значения напряжения соответствуют энергии разрядов кДж

Из рис 5 видно, что инициирование детонации двумя разрядниками более эффективно энергия инициирования снижается на 43% (от 3 3 до 1 9 кДж) и 62% (от 5 1 до 19 кДж) по сравнению с инициированием одиночными разрядами Ширина «полуострова» детонации очень мала и составляет 10 мкс вблизи предела инициирования Второй разрядник должен сработать за 5070 мкс до прихода УВ от первого разрядника

Минимальное напряжение итП и оптимальное время задержки Д^ , при

котором и~ зависят от расстояния / между разрядниками Так, при / = 100, 200 и 300 мм получили

и 370 мкс, соответственно При £ = 400 мм и С'= 3000 В, детонация не возникала при любых Д^ Видно, что оптимальное расстояние между разрядниками

200 мм.

и

J

о от о оа о оз

Приведенное расстояние

Приведенное расстояние

(а)

(б)

002 003

Пр иве 1еиное расстояние

0 01 002 0 03

Приведенное расстояние

(в) (г)

Рис. 4: Расчетная эволюция первичной УВ при взаимодействии с внешним источником зажигания (показан стрелкой).

Рис. 5: «Полуостров» детонации для струи жидкого //-гексана в воздухе в трубе диаметром 51 мм. 1 - полуостров летонации. 2 - момент прихода УВ от первого разрядника в сечение, где расположен второй

разрядник.

300 Аг^. мкс

В опытах в трубе диаметром 28 мм изменяли время задержки Д t j при

напряжении U = 2000 В, емкости конденсаторов С; = С2 = 225 мкФ и расстоянии между разрядниками / = 200 мм Детонация возникала при 211<Д(^<221 МКС,

т е ширина «полуострова» детонации, как и в трубе диаметром 51 мм на преде те инициирования очень мала (10 мкс) Наименьшая суммарная энергия разрядов, при которой получили детонацию, F = 09 кДж Средняя скорость первичной УВ, образованной первым разрядом в районе второго разрядника, составляла 1020 ±2 0 м/с

Таким образом, экспериментально продемонстрирован новый метод инициирования детонации последовательными разрядами, синхронизированными с образующейся УВ Он допо шяет известные способы прямое инициирование ДВ и переход горения в детонацию - и основан на принудительном зажигании горючей смеси электрическим разрядом в окрестности фронта относительно слабой первичной УВ Детонация возникает на коротких расстояниях причем энергия F оказывается значительно меньше чем при прямом инициировании о (ним разрядом Последовательное срабатывание двух разрядников, разнесенных на 200 мм, позволяет снизить энергии инициирования детонации с 3300 Дж ю 1780 Дж те в 17 раза Использование трубы околопредельного диаметра (28 мм) повышает эффективность способа, снижая требуемые энергетические затраты до 900 Дж

Предложенный способ инициирования ДВ обеспечивает (1)относитель-но короткие расстояния (менее 1 м) до появления ДВ в гладкой трубе (2) низкую энергию отдельных источников зажигания по сравнению с энергией, требуемой для прямого инициирования детонации одним разрядом, и (3) значительное снижение суммарной энергии зажигания по сравнению с критической энергии прямого инициировании детонации одним источником Глава 4. Инициирование детонации комбинированными средствами

В чанной паве описаны экспериментальные исследования по сокращению длины перехода горения в детонацию в капельных IBC при ограниченной энергии электрического разряда Опыты проводили с капельными н-гексано- и н-гептано-водушными смесями в трубах диаметром 46 и 28 мм со

спиралями (рис. 6). Коэффициент избытка горючего находился в пределах 1.1-1.3 при температуре участка трубы со спиралью от 30 до 50 °С. Расход воздуха составлял от 12-16 л/с. Время продувки - 0.6-1.0 с. Анализ экспериментальных данных позволил выявить закономерности переходных процессов в трубах диаметром, близким к критическому диаметру распространения детонации. После зажигания смеси пламя ускоряется, приводя к формированию куполообразной волны давления амплитудой до нескольких атмосфер. По мере распространения вдоль трубы амплитуда купола возрастает, появляется передний фронт. После достижения некоторых максимальных значений, скорость волны давления и ее амплитуда далее практически не изменяются, ч го свидетельствует о квазистационарном распространении волны высокоскоростного горения. После выхода волны из спирали профиль давления в ней приобретает треугольную форму, и, начиная с некоторого расстояния (100-150 мм) от конца спирали, волна начинает затухать.

Рис 6: Схема детонационной трубы диаметром 28 мм со спиралью Щёлкина длиной 750 мм. ED1 - разрядник, РТ1-РТ5 - датчики давления

Наблюдаемый режим высокоскоростного горения характеризуется максимальными скоростями распространения до 1120 м/с для трубы диаметром 36 мм и до 930-950 м/с для трубы диаметром 28 мм. Максимальная амплитуда давления в таких волнах - 10 атм. В прямых трубах со спиралью инициирование детонации не наблюдалось ни при коротких, ни при длинных спиралях (длиной до 750 мм), свитых из стальной проволоки диаметром 4 и 7 мм с разным шагом витков

При изменении местоположения спирали и разрядника в трубе найдена оптимальная конфигурация системы с предельно короткой (400 мм) спиралью и минимальной энергией разряда Е, при которой на выходе из спирали образуется достаточно сильная УВ, распространяющаяся со скоростью около 900 м/с. При

меньших энергиях разряда амплитуда образованных УВ уменьшалась Для длинных спиралей (750 и 600 мм) энергия Ек - это минимальная энергия воспламенения струи жидкого топлива, которая в условиях опытов составила от 12-18 Дж При меньших энергиях разрядник, обдуваемый скоростным двухфазным потоком, не зажигал горючую смесь

Обнаружено, что минимальная энергия Ек возрастает при укорачивании спирали и увеличении диаметра трубы Оказалось, что для образования УВ достаточной интенсивности недостаток длины спирали для разгона волны горения можно компенсировать увеличением энергии разряда Таким образом, использование спирали Щелкина длиной от 400 до 750 мм позволяет получить квазистационарные волны высокоскоростного горения, распространяющиеся со скоростью от 800 до 1100 м/с при инициировании разрядом с энергией от 18 до 240 Дж

Чтобы уменьшить энергию инициирования детонации Е в схеме с двумя разрядниками, между ними устанавливали спираль Щелкина В опытах изменяли напряжение V и время задержки запуска второго разрядника Дtj по отношению

к времени прихода первичной УВ на специальный зонд, уставовленный в секции со спиралью на некотором расстоянии до второю разрядника Второй разрядник устанавливали на выходе из спирали

Генератор первичной УВ, состоящий из слабого разряда и спирали, оказался )ффективным Достаточно сильную первичную УВ удалось получить, используя разряд с энергией от 60 Дж, а суммарные энергетические затраты снизить до 600 Дж Более того, при двухсгадийном инициировании со спиралью значительно расширился «полуостров детонации» от 10 до 50 мкс, что существенно снизило требования к точности синхронизации запуска второго разряда

Известно, что повороты трубопроводов являются местами повышенной вероятности возникновения детонации При входе УВ в поворот трубы возникают локальные области отражений с газодинамической фокусировкой УВ, а также области расширения Кроме того, при движении газа по криволинейной траектории с высокими скоростями возникает существенное перераспределение термодинамических параметров и скорости по сечению трубы, вызывающее

дополнительную генерацию турбулентности В областях повышенного давления и температуры создаются условия для быстрого энерговыделения и ускорения пламени, а иногда и для возникновения детонации

Для анализа эффективности витков труб как элементов способствующих инициированию детонации провели серию опытов в трубе диаметром 28 мм К разрядной камере присоединили змеевик состоящий из трех витков гладкой трубы с осевой линией диаметром 65 мм На выходе из змеевика установили прямую трубу с датчиками давления Опыты показали, что с увеличением энергии инициирования от 95 до 510 Дж скорость У В, выходящей в прямую труб) монотонно возрастала На выходе из змеевика профили давления в УВ близки к прямоугольным В прямой трубе профиль давления в волне перестраивается в треугольный При энергии зажигания выше 470 Дж на прямом участке трубы наблюдалась детонация с характерной скоростью распространения 1630-1720 м/с Эта серия опытов интересна тем что в ней получены условия инициирования детонации в короткой гладкой трубе со змеевиком Полученное значение энергии инициирования почти в 2 раза ниже энергии инициирования детонации в прямой трубе диаметром 28 мм Однако для получения УВ с требуемой скоростью на начальном участке после разрядной камеры змеевик менее эффективен чем спираль Тем не менее, как показано ниже витки трубы весьма эффективны для инициирования детонации при прохождении через них достаточно сильных УВ Обнаруженные особенности спирали и змеевика позволяют предложить эффективную компоновку детонационной камеры для инициирования детонации

В последующих опытах использовали трубы диаметром 36 и 28 мм Спираль устанавливали на начальном участке разгона пламени после разрядной камеры Чтобы обеспечить усиление УВ за секцией со спиралью устанавливали виток трубы (рис 7а) Отметим, что фокусирующее действие витков взрывных труб в реагирующих срелах до сих пор не исследовалось, хотя явление фок)сировки УВ в прямых трубах при отражении от неплоской торцевой стенки известно давно На рис 76 приведены записи давления, зарегистрированные датчиками РТ1-РТ5 в опыте с энергией зажигания Е = 60 Дж В отличие от опытов в прямой трубе, здесь на выходе из витка (датчик РТЗ) зарегистрирована

ДВ Детонация возникает внутри витка на расстоянии окочо 1 м от разрядника Детонационная волна распространяется до конца трубы со скоростью 1750 ± 20 м/с На рис 7в приведены резучьтаты измерений скорости УВ И в этой серии опытов Видно, что при энергии зажигания от 60 до 144 Дж в ряде опытов на выходе из витка зарегистрирована детонация Возникновение детонации носило случайный характер с повторяемостью около 50% Интересно что при более высоких энергиях зажигания (144-300 Дж) детонация никогда не возникала По-видимому это связано с тем что при высоких энергиях зажигания куму пирующая волна давления (по терминочогии Щечкина) образуется за пределами витка

Дчя снижения энергии зажигания достаточной для возбуждения детонации внутри витка перешли к трубе меньшего диаметра - 28 мм со спиралью длиной 460 мм установленной перед входом в виток За витком к прямой трубе диаметром 28 мм присоединили переходные конусы сначала в труб\ диаметром 41 мм а затем и в основную трубу диаметром 51 мм Почученные записи чавчения свидетельствуют о возникновении четонациил внутри витка, а также о переходе детонации в основную трубу При энергиях зажигания от 30 чо 50 Дж детонация в витке возникала с высокой повторяемостью и всегда переходи на в основную трубу При энергиях зажигания от 50 чо 130Дж детонация не всегда переходила в основную трубу При энергиях зажигания от 130 до 300 Дж детонацию не набчюдали Аналогичные результаты получены для распылов н-гептано - воздушных смесей

Таким образом замена прямой трубы диаметром 51 мм на комбинированную трубу со спиралью фокусирующим витком и перехонными конусами позвочила снизить энергию инициирования детонации капельных н гексано- и н-гептано - воздушных смесей на два порядка с 3300 до 30 Дж В опытах со спиралью и витком электрический разряд счужич источником зажигания смеси а не источником сильной инициирующей У В Следоватетьно впервые зарегистрирован переход горения в детонацию в капельных смесях углеводородного гоплива с воздухом Длина переходною участка в трубе чиаметром 28 мм оказалась бчизкой к 1 м, а полная дчина переходного участка до входа в основную трубу диаметром 51 мм - 1 8 м

100 1<0 200 240 300

Время / мкс Е/ Дж

Рис. 7. (а) Схема взрывной трубы диаметром 36 мм с витком, (б) Записи давления, зарегистрированные датчиками РТ1-РТ5 в опыте с Е - 60 Дж. (в) Результаты измерений скорости УВ в капельной н-гексано-воздушной смеси.

На основе описанных исследований разработан макет-демонстратор воздушно-реактивного ИДД, имеющий двухконтурную конструкцию с непрерывной подачей воздуха и топлива Первый контур представлял собой трубу диаметром 28 мм и длиной 1м. На одном конце трубы расположена пневматическая форсунка и электрический разрядник для периодического зажигания капельной TBC. Другой конец трубы через конусный переходник соединен с трубой диаметром 41 мм, которая утоплена в трубу второго контура диаметром 51 мм. Воздух во второй контур подавался с помощью компрессора, а жидкое топливо - с помощью стандартной форсунки Полная длина макета-демонстратора 1,8 м. В опытах в обоих контурах использовали н-гексан или н-гептан Макет-демонстратор подвешивали на стальных тросах для проведения измерений реактивной тяги по методу баллистического маятника. Для запуска устройства использовали специальную процедуру.

Первый контур служил для периодического инициирования детонации в TBC и перепуска образованной ДВ во второй контур За участком со спиралью Щелкина устанавливали фокусирующий элемент в виде одного или двух витков трубы За витком устанавливали второй разрядник, который создавал разряд в момент прихода У В к его электродам и гарантировал инициирование детонации на каждом цикле

Детонационная волна, пройдя по трубе второго контура, выходила в атмосферу, создавая импульс реактивной тяги После нескольких детонационных циклов второй разрядник отключали При работе макета-демонстратора регистрировали расходы воздуха и топлива в первом и втором контурах, разрядный ток в разрядниках и динамику волновых процессов в TBC Измеренные расходы топлива и воздуха в первом контуре составили 0,4 ±0,1 и 6,7 ±0,5 г/с, а во втором - 3,8 ±0,1 и 60 ±7 г/с соответственно Во всех циклах детонация в первом контуре возникала после витка трубы и распространялась в среднем со скоростью 1600-1700 м/с Во втором контуре ДВ распространялась с той же средней скоростью Измерения реактивной тяги проведены при работе макета-демонстратора с частотой генерации ДВ 2,2, 3,1 и 3,9 Гц Максимальная тяга составилa 30 ± 2 Н Максимальная достигнутая частота работы установки -8 Гц На основе данных по тяге и секундному расходу топлива получены оценки удельного импульса около 1000 с Отметим, что этот результат получен без какой-либо доводки конструкции макета- демонстратора Для инициирования детонации в первом контуре использовалась энергия 30 Дж на один цикл Если учесть, что эффективность разрядников составляла 15-20%, можно ожидать, что применение других, более эффективных, зажигающих устройств позволит в дальнейшем снизить энергию инициирования до нескольких Дж на один цикл

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ (1) Предложены и испытаны новые методы инициирования детонации для импульсных детонационных камер сгорания (а) метод инициирования детонации бегущим импульсом принудительного зажигания, (б) метод двухстадийного инициирования детонации, совмещающий классический метод спирали Щепкина с идеей внешнего стимулирования взрыва во фронте бегущей УВ, и (в)

комбинированный метод с газодинамической фокусировкой УВ с помощью витков труб

(2) Впервые создан и испытан компактный макет-демонстратор воздушно-реактивного бесклапанного ИДЦ на жидком топливе

(3) В результате использования новых методов инициирования детонации и мероприятий по оптимизации конструкции макета-демонстратора энергия инициирования детонации жидкого топлива снижена более чем на 2 порядка (с 3300 до 30 Дж), а предетонационные расстояния - на порядок (до 1-2 м)

(4) Получено устойчивое инициирование детонации во втором контуре макета-демонстратора ИДД Измерены тяговые характеристики макета-демонстратора в частотном режиме

Список публикаций

1 Frolov S М , Basevich V Ya., Aksenov V S , Polikhov S A Spray Detonation Initiation by Controlled Triggering of Electric Discharges // J Propulsion and Power 2005 V 2Г N 1 P 54-64

2 Фролов С М . Аксенов В С , Басевич В Я Сокращение предетонационного участка в капельной взрывчатой смеси комбинированными средствами // ДАН 2005 Т 401 №2

3 Фролов С М , Аксенов В С , Басевич В Я Макет-демонстратор воздушно-реактивного импульсного детонационного двигателя на жидком топливе // «Актуальные проблемы развития отечественной космонавтики» Труды XXIX академических чтений по космонавтике М Война и мир 2005 С 125-126

4 Фролов С М , Аксенов В С Басевич В Я Сокращение предетонационного участка в трубе с витком и со спиралью щелкина // «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» / Тез докл 2-й Рос конф М Издательство МЭИ, 2005 С 62-63

5 Frolov S М, Basevich V Ya, Aksenov V S Combustion Chamber with Intermittent Generation and Amplification of Propagating Reactive Shocks // In Application of Detonation to Propulsion/Fd О Roy, S Frolov, J Shepherd Moscow, Torus Press, 2004 P 240-249

6 brolov S M , Basevich V Ya, Aksenov V S Liquid-Fueled PDE with Externally Driven Shock-to-Detonation Transition // Proc 17th ONR Propulsion Meeting / Fd G Roy A Ghoniem, Cambridge, Mil Publ, 2004 P 181-186

7 Фротов С М Басевич В Я Аксенов В С, Полихов С А Инициирование газовой детонации бегущим ИМПУЛЬСОМ зажигания // Химическая физика 2004 Т 23 №4 С 61-67

8 Фролов С M , Басевич В Я, Аксенов В С , Полихов С А Инициирование детонации в распьпах жидкого топлива последовательными электрическими разрядами // ДАН 2004 Т 394 № 4 С 503-505

9 Фролов С M Ьасевич В Я, Аксенов В С , Полихов С А Инициирование газовой детонации бегущим импульсом принудительного зажигания // ДАН 2004 Т 394 № 2 С 222-224

10 Фротов С М, Басевич В Я, Аксенов В С, Полихов С А Инициирование детонации струи жидкого топ шва бегущим импульсом принудительного зажигания // «Актуальные проблемы развития отечественной космонавтики» / XXVIII Академические чтения по космонавтике M , Изд-во «Война и мир» 2004 С 149-150

11 Frolov S M , Basevich V Ya., Aksenov V S , Polikhov S A Detonation Initiation by Controlled Triggering ot Flectric Discharges // J Propulsion and Power 2003 V 19 N 4 P 573-580

12 Frolov S M, Basevich V Ya, Aksenov V S Initiation of Pulse Detonation in Sprays by Means of Successivcly Triggered Flectric Discharges /' Proc 16th ONR Propulsion Meeting /1 d G Roy, M Gudersen Los Angeles, CA, USC Publ, 2003 P 162-167

13 Frolov S M Basevich V Ya Aksenov V S, Polikhov S A Initiation of Confined Detonation by Flectric Discharges // Confined Detonations and Pulse Detonation Fngines / Fd G D Roy, S M Frolov, R Santoro, and S A Tsyganov Moscow Torus Press, 2003 P 157-174

14 Frolov S M Basevich V Ya Aksenov V S , Polikhov S A Optimization stud} oi spray detonation initiation by electric discharge // Proc 19th ICDERS 2003 P 44 (Paper N41)

0CÛ4

15 Фролов С M , Басевич В Я, Аксенов В С , Полихов С А Инициирование газовой детонации распределенными электрическими разрядами // XXVII Академические чтения по космонавтике M , Изд-во «Война и мир» 2003 С 323324

16 Frolov S M , Basevich V Ya,AksenovV S , Polikhov S A Initiation of Spray Detonation by Successive Triggering of Electric Discharges // Advances in Confined Detonations // Ed G D Roy, S M Frolov, R Santoro, and S A Tsyganov Moscow, Torus Press, 2002 P 150-157

17 Frolov S M, Basevich V Ya, and Aksenov VS Detonation initiation by controlled triggering of multiple electric discharges // Proc 14th ONR Propulsion Meeting, Chicago, IL, University oflllinois at Chicago, 2001 P 202-206

18 Аксенов В С , Голуб В В Губин С А , Ефремов В П , Маклашова И В Шаров Ю Л Развитие скользящего электродугового разряда в высокоскоростном потоке воздуха // Тр Всерос научн конф по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2004 Петрозаводск, 2004 С 69-74

19 В С Аксенов, В В Голуб, С А Губин, В П Ефремов, ИВ Маклашова, А И Харитонов, Ю Л Шаров Скользящий электродуговой разряд как способ управления траекторией полета летательного аппарата // ПЖТФ 2004 Т 30 №

20 С 62-68

20 Аксенов В С , Губин С А , Голуб В В , Ефремов В П, Маклашова И В , Шаров ЮЛ Критические условия инициирования скользящего разряда в высокоскоростном потоке воздуха за фронтом ударной волны // Тр научн сессии МИФИ-2005 Москва, МИФИ, 2005 Т 4 С 42-45

Подписано в печать 10 апрепя 2005 г Объем Зпл Тир 100 -Ô<*K. ¿¿S" Типография МИФИ Каширское ш, 31

Введение.

Глава 1. Инициирование детонации ТВС и современное состояние исследований по ИДД

1.1 Перспективы детонационного сжигания топлива в проходящих детонационных волнах.

1.2 Принципиальные схемы ИДД.

1.3 Перспективы применения ИДД.

1.4 Проблемы создания ИДД и поиск их решения.

1.5. Инициирование детонации в ИДД.

1.6 Действующие факторы электрического разряда как инициатора детонации.

Глава 2. Экспериментальный стенд

2.1. Общее описание.

2.1.1. Устройство форсунки.

2.1.2. Детонационная труба.

2.1.3. Блок питания разрядников.

2.1.4. Разрядники.

2.1.5. Блок управления.

2.1.6. Диагностический блок.

2.1.7. Регистрирующий комплекс.

2.2. Электрические разряды в воздухе.

Глава 3. Инициирование детонации последовательными разрядами.

3.1. Инициирование детонации последовательными разрядами в газовых смесях.

3.2. Инициирование детонации в распылах жидкого топлива двумя последовательными электрическими разрядами.

Глава 4. Инициирование детонации комбинированными средствами

4.1. Исследование инициирующей способности спирали Щелкина в капельных углеводородо-воздушных смесях.

4.2. Исследование инициирующей способности витка трубы.

4.3. Инициирование детонации комбинированными средствами.

4.3.1 Двухстадийное инициирование детонации.

4.3.2. Комбинированный метод инициирования детонации с газодинамической фокусировкой ударной волны.

4.4. Макет-демонстратор воздушно-реактивного импульсного детонационного двигателя на жидком топливе.

В течение последних 10-12 лет нарастающими темпами ведутся работы по созданию нового типа реактивных двигателей на химическом топливе -так называемых импульсных детонационных двигателей (ИДД). В таких двигателях применяется новый принцип преобразования химической энергии топлива в реактизное движение: топливо сжигают в бегущей детонационной волне. По сравнению с существующими схемами организации горения в воздушно-реактивных и ракетных двигателях детонационное сжигание топлива в бегущей волне имеет ряд принципиальных преимуществ. Во-первых, термодинамический коэффициент полезного действия (КПД) детонационного цикла значительно превышает КПД других циклов, особенно при низких давлениях в камере сгорания. Во-вторых, ИДД может работать как на специальных топливах, так и на штатном (жидком) авиационном или ракетном топливе. В-третьих, в отличие от многих существующих реактивных двигателей, ИДД конструктивно прост (не требует дорогостоящих компрессорных и турбонасосных агрегатов), надежен (в ИДД отсутствуют подвижные элементы) и самодостаточен (не требует разгонных блоков для выхода на рабочий режим). Наконец, использование многокамерных схем ИДД позволяет простым увеличением числа камер повышать тяговые характеристики двигателя. Несмотря на ряд нерешенных фундаментальных проблем по организации рабочего процесса, в настоящее время уже разрабатываются ИДД для замещения основных силовых установок различных летательных аппаратов и ракет-носителей, а также для форсирования тяги в турбореактивных двигателях самолетов. Ожидается, что применение ИДД значительно удешевит производство и эксплуатацию новой техники, расширит маневренные показатели летательных аппаратов, увеличит полезную нагрузку, дальность полета и другие летные характеристики. Ввиду того, что практическая реализация детонационного сжигания топлива приведет к экономии энергоресурсов, работают также над созданием стационарных энергетических установок. Научные исследования и опытно-конструкторские работы по этим направлениям активно ведутся в ведущих авиастроительных и энергетических компаниях, национальных лабораториях и университетах.

Вопрос об использовании детонационного горения в реактивных двигателях и стационарных энергетических установках впервые был поставлен Я.Б. Зельдовичем в 1940 году [1]. По его оценкам, двигатели, использующие детонационное сгорание топлива, должны быть термодинамически более эффективными, чем двигатели, работающие на медленном (дефлаграционном) сжигании топлива. Это связано с тем, что при одинаковых начальных условиях продукты детонации горючей смеси обладают меньшей энтропией, чем продукты горения в замкнутом объеме (V = const) и продукты горения при постоянном давлении (р = const), и, следовательно, при изэнтропическом расширении продуктов в атмосферу большая часть химической энергии топлива превращается в полезную работу. Практически одновременно с [1] появилась работа Г. Хоффмана [2], в которой опубликованы результаты экспериментов, направленных на изучение возможностей использования детонационного сжигания топлива в периодически генерируемых детонационных волнах для создания реактивной тяги. После работ Я.Б. Зельдовича и Г. Хоффмана систематических исследований не последовало. В 1950—70-е годы появилось несколько публикаций о работах, в основном в США, с целью выяснить перспективность использования периодической детонации в воздушно-реактивных и ракетных двигателях летательных аппаратов. Выяснилось, что для получения приемлемого удельного импульса необходимо сжигать топливо с высокой частотой генерации детонационных волн. Ввиду возникших технических сложностей организации пульсирующего процесса с периодическим заполнением камеры сгорания топливно-воздушной смесью

ТВС) и инициированием детонации был сделан вывод о нецелесообразности применения детонационного горения в двигателях летательных аппаратов. В 1990-е годы интерес к данной проблеме вновь возродился: появилось множество патентов и научных публикаций. В связи с технологическими достижениями последних лет ряд технических проблем по организации контролируемого периодического детонационного сжигания топлива в камере сгорания, казавшихся ранее непреодолимыми, удалось решить. Исследования стали проводиться во многих исследовательских центрах, связанных с авиационной и двигательной тематикой и работами по детонации. В настоящее время наиболее интенсивно эти работы проводятся в США, Франции, Канаде, Швеции, Японии и Китае.

В современном представлении ИДД - это труба, оборудованная системами подачи топлива и воздуха. Один конец трубы, называемый тяговой стенкой закрыт, частично закрыт или периодически закрыт механическим клапаном. Другой конец трубы оборудован реактивным соплом. По заполнении трубы ТВС производится инициирование детонации смеси с помощью того или иного источника инициирования. В результате по смеси распространяется детонационная волна, которая, сжигая ТВС, создает высокое избыточное давление на тяговой стенке. После выхода детонационной волны в атмосферу через сопло давление в трубе снижается. При снижении давления на тяговой стенке до определенного уровня в трубу подается новая порция ТВС и процесс повторяется. Для высокой эффективности ИДД необходимо обеспечить высокую частоту генерации детонационных волн (около 100 Гц и выше). Наиболее привлекательными являются бесклапанные схемы ИДД.

Вследствие жестких весовых и габаритных ограничений, а также требований экономичности, устойчивости и долговечности, свойственных силовым установкам летательных аппаратов, кроме требований высоких тяговых характеристик к ИДД предъявляют целый ряд других требований.

В соответствии с ними одна из наиболее приемлемых конфигураций ИДЦ — связка труб длиной 1 -2 м, диаметром до 100 мм с единым воздухозаборником и общим соплом.

В практических ИДД желательно использовать штатные жидкие углеводородные топлива без активных добавок с непосредственной подачей в камеру сгорания без предварительного смешения с воздухом. В настоящее время именно эти требования оказались основным барьером на пути создания ИДД, конкурирующего с существующими силовыми установками. Необходимость использования жидкого углеводородного топлива в рабочем цикле воздушно-реактивного ИДД порождает ряд фундаментальных проблем, связанных с низкой детонационной способностью таких топлив. Инициирование каждого цикла детонации требует больших энергетических затрат или длинной детонационной трубы. Инициирование детонации существенно облегчается, если использовать обогащение ТВС кислородом или использовать чувствительное и легколетучее топливо. Однако необходимость иметь на борту такие компоненты лишает ИДД конкурентоспособности.

Данная диссертационная работа направлена на решение некоторых фундаментальных проблем, стоящих на пути создания воздушно-реактивного ИДД на жидком углеводородном топливе.

Цель работы - экспериментальная проверка новых методов инициирования детонации в ТВС, обеспечивающих предельно низкие минимальные энергии зажигания и предельно короткие предетонационные расстояния.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Всесторонне исследовать прямое инициирование детонации ТВС последовательными электрическими разрядами.

2. Использовать дополнительные средства (турбулизаторы, газодинамические фокусирующие элементы, переходные конусы и др.) для значительного снижения минимальной энергии зажигания и предетонационного расстояния в трубах.

Кроме отмеченных выше фундаментальных проблем, связанных с созданием воздушно-реактивного ИДД на жидком топливе, необходимость в таких исследованиях обусловлена наличием других нерешенных фундаментальных проблем в физике детонации и другими многочисленными практическими задачами, включая и новые приложения. До сих пор в научных кругах идут споры о механизме и режимах распространения газовой и гетерогенной (капельной) детонации, о природе критических условий возбуждения и распространения детонационной волны. Что касается практических задач, связанных с темой диссертации, к их числу относятся задачи по предотвращению и подавлению детонационного взрыва в промышленности, использованию детонации в технологических операциях штамповки, напыления, бурения, геологической разведки и др. Это обусловливает актуальность и практическую значимость исследований, описанных в диссертации.

На предварительной стадии работы проведены экспериментальные исследования генерации ударных волн электрическими разрядами разной конфигурации в воздухе при нормальных условиях. Проведено сравнение эффективности дуговых разрядов с различной ориентацией электродов и различным межэлектродным промежутком. Большие промежутки (более 10 мм) зажигали с помощью скользящих разрядов. На основе кинограмм и измерений в ударной трубе получено представление о газодинамической картине ударно-волнового процесса при импульсном электродуговом разряде длительностью около 50 мкс.

Диссертация состоит из 4 глав, заключения и списка литературы.

В первой паве описано состояние разработок ИДД и перспективы их применения. Приведен краткий обзор работ, направленных на инициирование детонации ТВС в коротких трубах. Выделены основные характеристики электрического разряда, влияющие на инициирование детонации в ТВС.

В главе 2 приведено описание экспериментального стенда для исследования инициирования частотной детонации в ТВС электрическими разрядами в короткой трубе. Через один конец трубы подаётся жидкое топливо и воздух. Для этого используется полнорасходная пневмофорсунка. Другой конец детонационной трубы сообщается с атмосферой через глушитель. Силовая схема обеспечивает зарядку накопительных конденсаторных батарей со средней мощностью до 1,2 кВт и их последовательный синхронизированный разряд через систему электрических разрядников в детонационной трубе. Проведено испытание разрядников в условиях, приближённых к условиям применения. Выполнена визуализация газодинамической картины распространения и развития дугового разряда в атмосфере и в детонационной трубе. Разработана полнорасходная пневматическая топливная форсунка и измерены характеристики распыла.

В главе 3 проведена экспериментальная проверка различных вариантов инициирования детонации ТВС последовательными электрическими разрядами. Подробно исследована схема инициирования детонации несколькими разрядами, синхронизированными с ударной волной от первого разряда. Впервые получен эффект значительного снижения полной энергии инициирования детонации при управляемом последовательном срабатывании двух разрядников. Определены критические энергии инициирования в трубах разного диаметра.

В главе 4 описаны исследования по сокращению длины перехода горения в детонацию в капельных ТВС при ограниченной энергии электрического разряда. Предложены новые способы сокращения предетонационного участка с использованием последовательных разрядов, спиралей Щёлкина и фокусирующих витков труб. Эффективная комбинация спирали Щёлкина и витка трубы позволила создать детонационную трубу с длиной переходного участка в капельных ТВС до 1 м и с энергией инициирования до 20 Дж. На основе экспериментальных исследований с комбинированными средствами инициирования детонации ТВС разработан и испытан двухконтурный макет-демонстратор ИДД. Приведены основные достигнутые характеристики макета-демонстратора - скорости детонации, частота и тяга.

В заключении приведены основные выводы работы.

Основные результаты, представляемые к защите:

1. Критерии возбуждения детонации в распылах жидкого топлива с помощью двух последовательных электрических разрядов.

2. Результаты экспериментальных и расчетных исследований инициирования газовой детонации распределенными электрическими разрядами.

3. Результаты экспериментальных исследований высокоскоростного горения распылов жидкого топлива в трубе со спиралью Щелкина.

4. Результаты экспериментальных исследований высокоскоростного горения в трубе с фокусирующим витком.

5. Результаты экспериментальных исследований инициирования детонации в распылах жидкого топлива в комбинированных трубах с разрядной камерой, спиралью Щёлкина, витком трубы, переходным конусом и двумя электрическими разрядниками.

6. Результаты испытаний двухконтурного макета-демонстратора воздушно-реактивного бесклапанного ИДД на жидком топливе и измерений тяговых характеристик.

Основные результаты диссертации опубликованы в 20 работах, включая 14 статей и 6 тезисов докладов на тематических конференциях.

Материалы диссертации докладывались на семинаре кафедры химической физики МИФИ (ГУ), Москва, 2005; научных сессиях МИФИ (ГУ), Москва, 2004 и 2005 гг.; XXVII, XXVII и XXIX Академических чтениях по космонавтике, Москва, 2003, 2004 и 2005 гг.; Всероссийской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», Москва, 2005; XIII Всероссийском симпозиуме по горению, Черноголовка, 2005; совещании-симпозиуме «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах, Черноголовка, 2004; Международном коллоквиуме по применению детонации в двигательных установках, С.-Петербург, 2004; Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2004, Петрозаводск, 2004; 17-й Международной конференции по двигательным установкам, Кембридж, США, 2004; 16-й Международной конференции по двигательным установкам, JIoc Анжелес, США, 2003; Международном коллоквиуме по детонации в ограниченных объемах, Москва, 2002; 19-м Международном коллоквиуме по динамике взрывов и реагирующих систем, Хаконе, Япония, 2003; Российско-Германском семинаре по реагирующим течениям, Берлин, 2002; 14-й Международной конференции по двигательным установкам, Чикаго, США, 2002.

Работа выполнена на кафедре № 4 МИФИ (ГУ) и в Институте химической физики им. Н.Н.Семёнова РАН.

Благодарю профессора Фролова С. М. и д.т.н. Басевича В. Я. за постановку задачи и руководство при проведении работ, аспиранта Полихова С.А. за помощь и поддержку, проф. Губина С. А. и доцента кафедры №4 Маклашову И. В. за неоценимое внимание к работе.

Основные результаты настоящей работы, опубликованные в работах [21, 62, 67 - 85], продемонстрировали результативность применённого подхода - воздействия на горючую смесь инициирующих импульсов с широким диапазоном энергией. Энергии электрических разрядов изменялись более чем на два порядка - от минимальной энергии воспламенения до энергии прямого инициирования детонации. Факторы, действующие на горючую смесь, движущуюся в витке гладкой трубы, достаточно очевидны, однако для создания количественной картины процесса необходимо будет использовать гидродинамику в закрученных потоках. Выводы.

1) Предложены и испытаны новые методы инициирования детонации для импульсных детонационных камер сгорания: (а) метод инициирования детонации бегущим импульсом принудительного зажигания; (б) метод двухстадийного инициирования детонации, совмещающий классический метод спирали Щёлкина с идеей внешнего стимулирования взрыва во фронте бегущей УВ; и (в) комбинированный метод с газодинамической фокусировкой УВ с помощью витков труб.

2) Впервые создан и испытан компактный макет-демонстратор воздушно-реактивного бесклапанного ИДЦ на жидком топливе.

3) В результате использования новых методов инициирования детонации и мероприятий по оптимизации конструкции макета-демонстратора энергия инициирования детонации жидкого топлива снижена более чем на 2 порядка (с 3300 до 30 Дж), а предетонационные расстояния - на порядок (до 1-2 м).

4) Получено устойчивое инициирование детонации во втором контуре макета-демонстратора ИДД. Измерены тяговые характеристики макета-демонстратора в частотном режиме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Зельдович Я. Б. ЖТФ, 1940, т. 10, № 17, с. 1453-1461.

2. Hoffman Н. Reaction propulsion by intermittent detonative combustion. Ministry of Supply, Volkenrode Translation, 1940.

3. Фролов C.M. Перспективы использования детонационного сжигания топлива в энергетике и на транспорте. Ж. Тяжелое Машиностроение, 2003, №9, с. 18-22.

4. Фролов С. М., Барыкин А. Е., Борисов А. А. Термодинамический цикл с детонационным сжиганием топлива. Химическая физика, 2004, том 23, №3, с. 17-25.

5. Roy G. D., Frolov S. М., Borisov A. A., Netzer D. W. Pulse Detonation Propulsion: Challenges, Current Status, and Future Perspective. Progress in Energy and Combustion Science, 2004, Vol. 30, Issue 6, pp. 545-672.

6. Kailasanath K. In: High-Speed Deflagration and Detonation. Fundamentals and Control. (G. Roy, S. Frolov, D. Netzer, and A. Borisov, Eds.) Moscow, Elex-KM Publ., 2001, p. 193-206.

7. Kailasanath K. In: Advances in Confined Detonations. (G. Roy, S. Frolov, R. Santoro, and S. Tsyganov, Eds.) Moscow, Torus Press, 2002, p. 207212.

8. Ma F., Choi J.-Y., Wu Y., Yang V. In: Advances in Confined Detonations. (G. Roy, S. Frolov, R. Santoro, and S. Tsyganov, Eds.) Moscow, Torus Press, 2002, p. 231-234.

9. Brophy С. M., Netzer D. W., Sinibaldi J., Johnson R. In: High-Speed Deflagration and Detonation. Fundamentals and Control. (G. Roy, S. Frolov, D. Netzer, and A. Borisov, Eds.) Moscow, Elex-KM Publ., 2001, p. 207-222.

10. Furlong E. R., Leyva I. A., Sanderson S. R. In: Control of Detonation Processes. (G. Roy, S. Frolov, D. Netzer, and A. Borisov, Eds.) Moscow, Elex-KM Publ., 2000, p. 219-221.

11. Fernandez R., Slater J. W., and Paxson D. E. In: Confined Detonations and Pulse Detonation Engines. (G. Roy, S. Frolov, R. Santoro, and S. Tsyganov, Eds.) Moscow, Torus Press, 2003, p. 305-328.

12. Perkins H. D. In: Proc. 14th ONR Propulsion Meeting. (G. Roy and F. Mashayek, Eds.) Chicago, 2001, pp. 239-243.

13. Bussing T. US Patent # 6,062,018. Date of Patent: May 16, 2000.

14. Nettleton M. A. Recent work on gaseous detonationsWShock Waves. 2002. V.12, Nl.P.3-12.

15. Baklanov D. I., Gvozdeva L. G., Scherbak N. B. In: High-Speed Deflagration and Detonation. Fundamentals and Control. (G. Roy, S. Frolov, D. Netzer, and A. Borisov, Eds.) Moscow, Elex-KM Publ., 2001, p. 239-250.

16. Schauer, F., Stutrud, J. and Bradley, R., AIAA paper No. 2001-1129 (2001).

17. Borisov A. A. In: Gaseous and Heterogeneous Detonations. Science to Applications. (G. Roy, S. Frolov, K. Kailasanath, and N. Smirnov, Eds.) Moscow, ENAS Publ., 1999, p. 3-24.

18. Levin V. A., Nechaev J. N., Tarasov A. I. In: High-Speed Deflagration and Detonation. Fundamentals and Control. (G. Roy, S. Frolov, D. Netzer, and A. Borisov, Eds.) Moscow, Elex-KM Publ., 2001, p. 223-238.

19. Frolov S. M., Basevich V. Ya., Vasil' ev A. A. In: High-Speed Deflagration and Detonation. Fundamentals and Control. (G. Roy, S. Frolov, D. Netzer, and A. Borisov, Eds.) Moscow, Elex-KM Publ., 2001, p. 315-332.

20. Korobeinikov V. P., Markov V. V., Semenov I. V., Pedrow P. D., Wojcicki S. In: High-Speed Deflagration and Detonation. Fundamentals and Control. (G. Roy, S. Frolov, D. Netzer, and A. Borisov, Eds.) Moscow, Elex-KM Publ., 2001, p. 289-302.

21. Achasov О. V., Penyazkov O. G. In: High-Speed Deflagration and Detonation. Fundamentals and Control. (G. Roy, S. Frolov, D. Netzer, and A. Borisov, Eds.) Moscow, Elex-KM Publ., 2001, p. 31-44.

22. Higgins A. J., Pinard P., Yoshinaka A. C., Lee J. H. S. In: High-Speed Deflagration and Detonation. Fundamentals and Control. (G. Roy, S. Frolov, D. Netzer, and A. Borisov, Eds.) Moscow, Elex-KM Publ., 2001, p. 45-62.

23. Laffitte P. Annales de Physique. 1925. Vol. 4. P. 587-695.

24. Laffitte P., Dumanois P. Comptes-Rendus de l'Acad. des Sciences, Paris. 1926. Vol. 184. P. 284-286.

25. Щелкин К. И. ЖЭТФ. 1940. Т. 10. С. 823-827.

26. Щелкин К. И., Соколик А. С. ЖФХ. 1937. Т. 10. С. 479-483.

27. Brophy С. М., Sinibaldi J. О., Wang F., et al. AIAA Paper 2004-0834. 2004.

28. Dabora E. K. In: Dynamics of Detonations and Explosions. 1991. Vol. 133. New York: AIAA Inc. P. 311-324.

29. Dabora E. K., Ragland K. W., Nicholls J. A. Astronautica Acta. 1966. Vol. 12. No. l.P. 9-16.

30. Benedick W. В., Tieszen S. R., Knystautas R., Lee J. H. S. In: Dynamics of Detonations and Explosions. 1991. Vol. 133. AIAA Inc.: N.Y. P. 297-310.

31. Pierce T. N. Nicholls J. A. Astronautica Acta. 1972. Vol. 17. No. 4-5. P. 703-707.

32. Bowen, J. R., Ragland, K. W., Steffes, F. J. and Loflin, T. G., Heterogeneous detonation supported by fuel fogs or films, Proc. 13th Symp. (Intern.) on Combustion, The Combustion Institute, Pitsburgh, PA, 1131-1139 (1976).

33. Pinaev, A. V., Combustion, Explosion, Shock Waves 1, 81-89 (1978).

34. Edwards, C. F. and Knappe, В. M., An experimental facility for the study of two-phase detonations with controlled mixture state, Proc. 13th ONR Propulsion Meeting, G. D. Roy and P. J. Strykowski (Eds.), University of Minnesota, MN, 146-151 (2000).

35. Baklanov, D. I., Gvozdeva, L. G. and Scherbak, N. В., Detonations of hydrocarbon-air mixtures in a pulse detonation chamber, Advances in Confined Detonations, G. Roy, S. Frolov, R. Santoro and S. Tsyganov (Eds.), Moscow, Torus Press, 225-230 (2002).

36. Борисов А. А., Гельфанд Б. E., Губин С. А., Когарко С. М., Подгребен-ков А. Л.//ФГВ. 1970. № 3. С. 374.

37. Борисов А. А., Гельфанд Б. Е.//ПМТФ. 1970. № 5. С. 85.

38. Borisov A. A., Gelfand В. Е., Gubin S. A., Kogarko S. М., Podgreben-kov A. L.//Astronautica Acta. 1970. V. 15. P. 411.

39. Ждан С. А.//ФГВ. 1976. Т. 12. № 4. С. 586.

40. Ждан С. А.//ФГВ. 1977. Т. 13. № 2. С. 258.

41. Gubin S. Д., Sichel M.//Combustion Sci. Technol. 1977. V. 17. № 3-4. P. 109.

42. Eidelman S., Burkat A.//AIAA J. 1980. V. 18. № 9. P. 1103.

43. Борисов А. А., Гельфанд Б. E., Губанов A. B.//Archivum Combustionis. 1981. V. 1. № 3/4. P. 243.

44. Ждан С. А., Воронин Д. В.//ФГВ. 1984. Т. 20. № 4. С. 112.

45. Sichel M.//Numerical Approaches to Combustion Modeling/Eds. Oran E. S., Boris J. P. / Progress in Astron. Aeron. Sci. ser., AIAA Inc. New York, 1991. V. 135. P. 447.

46. Roy G. D., Frolov S. M., Borisov A. A., Netzer D. W. Pulse Detonation Propulsion: Challenges, Current Status, and Future Perspective. Progress in Energy and Combustion Science, 2004, Vol. 30, Issue 6, pp. 545-672.

47. Базелян Э.М. Райзер Ю.П. Искровой разряд Уч. Пособие: Для вузов М./изд.МФТИ. 1997-320 с.

48. НедоспасовА.В. Хаит В.Д. Основы физики процессов в устройствах с низкотемпературной плазмой. М./ Энергоатомиздат 1991 224 с.

49. Sochet et al. Experimental invtstigation on detonability Shock Waves vol. 10 N 5 November 2000 p. 365Л

50. Базелян Э.М., Хлопов А.В.,Шкилёв А.В.//Электричество. 1992. № 9. с. 19.

51. Терещук Р.М.,Домбругов P.M., Босый Н.Д. Справочник радиолюбителя в двух частях, ч. 2, "Техшка", Киев, 1971, 684 с.

52. Зельдович Я. Б., Компанеец А. С. Теория детонации. Москва, Гостех-теориздат, 1955, 268 с.

53. Зельдович Я. Б., Либрович В. Б., Махвиладзе Г. М., Сивашинский Г. И. ПМТФ, 1970, № 2, с. 76-84.

54. Frolov S. M., Basevich V. Ya., Aksenov V. S., Polikhov S. A. Detonation Initiation by Controlled Triggering of Electric Discharges. J. Propulsion and Power, 2003, Vol. 19, No. 4, pp. 573-580.

55. Veyssiere В., Kerampran S., Proust C., Gilles S. Proc. 19th ICDERS, 2003, Hakone, Japan, Paper#154, ISBN 4-9901744-1-0

56. Santoro R. J., Lee S.-Y., Conrad C., et al. In: Advances in Confined Detonations. Ed. by G. D. Roy, S. M. Frolov, R. J. Santoro, S. A. Tsyganov. Moscow, Torus Press, 2002, pp. 243-254.

57. Nettleton M. A. Gaseous Detonations. London-New York, Chapman and Hall, 1987,255 р.

58. Sturtervant В., Kulkarny V. A. J. Fluid Mechanics. 1976. Vol. 73. P. 651671.

59. Frolov S. M., Basevich V. Ya., Aksenov V. S., Polikhov S. A. Spray Detonation Initiation by Controlled Triggering of Electric Discharges // J. Propulsion and Power. 2005. V. 21. N. 1. P. 54-64.

60. Фролов С. М., Аксенов В. С., Басевич В. Я. Сокращение предетонационного участка в капельной взрывчатой смеси комбинированными средствами // ДАН. 2005. Т. 401. №2.

61. Фролов С. М., Аксенов В. С., Басевич В. Я. Сокращение предетонационного участка в трубе с витком и со спиралью Щелкина // «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» / Тез. докл. 2-й Рос. конф. М.: Издательство МЭИ, 2005. С. 62-63.

62. Frolov S. M., Basevich V. Ya., Aksenov V. S. Liquid-Fueled PDE with Externally Driven Shock-to-Detonation Transition // Proc 17lh ONR Propulsion Meeting / Ed. G. Roy, A. Ghoniem, Cambridge, MIT Publ., 2004. P. 181-186.

63. Фролов С. M., Басевич В. Я., Аксенов В. С., Полихов С. А. Инициирование газовой детонации бегущим импульсом зажигания // Химическая физика. 2004. Т. 23. №.4. С. 61-67.

64. Фролов С. М., Басевич В. Я., Аксенов В. С., Полихов С. А. Инициирование детонации в распылах жидкого топлива последовательными электрическими разрядами // ДАН. 2004. Т. 394. №.4. С. 503-505.

65. Фролов С. М., Басевич В. Я., Аксенов В. С., Полихов С. А. Инициирование газовой детонации бегущим импульсом принудительного зажигания // ДАН. 2004. Т. 394. № 2. С. 222-224.

66. Frolov S. М., Basevich V. Ya., Aksenov V. S. Initiation of Pulse Detonation in Sprays by Means of Successively Triggered Electric Discharges // Proc 16th ONR Propulsion Meeting / Ed. G. Roy, M. Gudersen. Los Angeles, CA, USC Publ., 2003. P. 162-167.

67. Frolov S. M., Basevich V. Ya., Aksenov V. S., Polikhov S. A. Initiation of Confined Detonation by Electric Discharges // Confined Detonations and

68. Pulse Detonation Engines / Ed. G. D. Roy, S. M. Frolov, R. Santoro, and S.A. Tsyganov. Moscow, Torus Press, 2003. P. 157-174.

69. Frolov S. M., Basevich V. Ya., Aksenov V. S., Polikhov S. A. Optimization study of spray detonation initiation by electric discharge // Proc. 19lh ICDERS, 2003. P. 44 (Paper N41).

70. Фролов С. M., Басевич В. Я., Аксенов В. С., Полихов С. А. Инициирование газовой детонации распределенными электрическими разрядами // XXVII Академические чтения по космонавтике. М., Изд-во «Война и мир», 2003. С. 323-324.

71. Frolov S. M., Basevich V. Ya., and Aksenov V.S. Detonation initiation by controlled triggering of multiple electric discharges // Proc. 14th ONR Propulsion Meeting, Chicago, IL, University of Illinois at Chicago, 2001. P. 202-206.

72. B.C. Аксенов, В.В. Голуб, С.А. Губин, В.П. Ефремов, И.В. Маклашова, А.И. Харитонов, Ю.Л. Шаров Скользящий электродуговой разряд как способ управления траекторией полета летательного аппарата // ПЖТФ. 2004. Т. 30. № 20. С. 62-68.