Со времен Роберта Годдарда — основателя современного ракетостроения, ученые по всему миру почти столетие полагались на жидкостные двигатели — от Фау-2 до лунных ракет-носителей Сатурн-5 и Falcon 9. Но сейчас индустрия стоит на пороге нового этапа. Инженеры все ближе к созданию принципиально новых ротационных детонационных двигателей (RDE, т.е. rotating detonation engine).

В отличие от обычных ракетных двигателей, где топливо сгорает путем дефлаграции (медленного распространения пламени), в RDE оно детонирует — сгорает почти мгновенно при помощи сверхзвуковых ударных волн. Как поясняет Дуглас Перкинс из NASA, такой способ высвобождает гораздо больше энергии топлива в компактном объеме.

«Плотность мощности, то есть выделение энергии в определенном объеме, на порядок выше, чем у современных устройств. И это поистине захватывающе», — комментирует Стив Хайстер, профессор инженерного факультета Университета Пердью.

Работа RDE основана на создании вихревого кольца непрерывно циркулирующих детонационных волн, вращающихся в кольцевой камере сгорания на сверхзвуковой скорости от 3 до 6 Махов. Расширяющиеся газы затем выходят через сопло, генерируя мощную и устойчивую тягу.

По прогнозам NASA, первые летные образцы ракетных двигателей на основе RDE могут быть созданы уже к 2030 году. Диапазон потенциальных применений этой технологии чрезвычайно широк, от гиперзвуковых ракет и самолетов для Пентагона до вторых ступеней ракет-носителей, межпланетных кораблей, лунных и марсианских посадочных модулей. Не исключено также, что их можно будет использовать на сверхзвуковых коммерческих авиалайнерах.

Ведущие аэрокосмические компании и стартапы ведут активную работу по проектированию RDE. В 2022 году инженеры NASA, Университета Пердью и компании InSpace LLC провели наземные испытания первого полномасштабного RDE. На протяжении 251 секунды система поддерживала тягу около 26 килоньютонов (примерно 5800 фунтов).

Компания GE Aerospace недавно протестировала комбинацию сверхзвукового турбовентиляторного двигателя и RDE. Последний выступал в роли стартового ускорителя. Его задача — разогнать поток воздуха до сверхзвуковых скоростей около 3 Махов. После этого включался основной прямоточный воздушно-реактивный двигатель.

Такая комбинированная установка может найти применение в гиперзвуковых летательных аппаратах различного назначения.

В рамках программы Минэнерго США исследователи Университета Пердью и Аргоннской национальной лаборатории разработали водородно-воздушный RDE с новаторскими направляющими лопатками сопла. В 2024 году запланирована интеграция их детонационного двигателя с газовой турбиной Rolls-Royce для выработки энергии.

Осенью прошлого года Управление перспективных исследовательских проектов Пентагона (DARPA) выбрало корпорацию RTX для создания новейшей гиперзвуковой ракеты Gambit. Подразделение RTX — Pratt & Whitney Military Engines разрабатывает RDE для военной силовой установки.

«RDE — это поистине разрушительная, революционная технология, — заявляет президент Pratt & Whitney Military Engines, Джилл Алберттелли, ветеран аэрокосмической отрасли. — У ротационных детонационных двигателей есть все необходимые качества для создания выдающейся ракеты: высокая энергомасса и дальность, компактная и недорогая конструкция».

Хотя общие теоретические концепции детонационных установок существуют уже около 90 лет, их реализация на практике все еще находится на экспериментальной стадии. Крайне важно достичь глубокого понимания фундаментальных физических и химических процессов, происходящих при экстремальных температурах и давлениях в камере детонационного горения.

Одним из ключевых факторов, ускоривших прогресс в этой области в последние десятилетия, стало появление более доступных сверхвысокоскоростных камер, способных визуализировать процессы, происходящие за одну стомиллионную долю секунды. Не менее важным стала разработка NASA жаропрочных металлических сплавов и применение лазерных 3D-печатных технологий для быстрого и недорогого создания испытательных конструкций.

«Мы пока не знаем, как должен выглядеть оптимальный RDE «, — признает Дуг Перкинс из Исследовательского центра NASA имени Гленна. По его оценке, на данный момент настоящих экспертов в области детонационных двигателей в мире не более десятка.

Тем не менее, растущий интерес к RDE подогревает создание новых стартапов и расширение исследовательских программ по всему миру. Формируется международное научное сообщество в этой области. Возможно, следующий «Роберт Годдард» уже трудится в рядах нынешних разработчиков революционных детонационных механизмов.

Источник: SecurityLab.ru