Системы зажигания с наносекундным импульсом для надежного сверхзвукового сгорания

Feb 18, 2024

Введение

За последние несколько лет значительно возросло внимание и усилия к исследованию и разработке гиперзвуковых самолетов, которые могут летать со скоростью, в несколько раз превышающей скорость звука. Одно вымышленное изображение реальной родословной (Беспилотный SR-72 в рамках программы перспективного развития Lockheed Martin анонсирован в 2017 году. ) даже сыграл значительную роль в летнем блокбастере 2022 года «Лучший стрелок: Маверик» с бюджетом более 1 миллиарда долларов. Двигатели, предназначенные для гиперзвуковых полетов, имеют революционное применение в национальной безопасности в качестве современного гиперзвукового оружия, в освоении космоса в качестве ступеней многоразового использования для выхода на низкую околоземную орбиту, а также в коммерческой авиации в качестве быстрых и дальних средств воздушной перевозки пассажиров по всему миру.

Одной из основных проблем гиперзвукового полета являются затухания пламени. Падение пламени — это потеря тяги из-за затухания пламени в камере сгорания двигателя, что может произойти по многим причинам, включая нехватку топлива, чрезмерную высоту, сильные осадки или невероятно низкие температуры окружающей среды. Ранние реактивные двигатели были склонны к исчезновению пламени из-за нарушений впускного воздушного потока или внезапных движений рычага управления двигателем, что приводило к неправильному соотношению воздух-топливо в камере сгорания. Современные двигатели более надежны и часто имеют цифровое управление, что позволяет значительно более эффективно контролировать все параметры двигателя, предотвращать исчезновение пламени и даже инициировать автоматический перезапуск в случае его возникновения.

Однако в гиперзвуке проблемы с перезапуском усложняются из-за невероятно высокой скорости воздуха, проходящего через камеру сгорания, полета на больших высотах, а также уменьшенного сопротивления воздуха, необходимого для достижения максимальной скорости полета.

Чем быстрее мы идем, тем труднее зажечь

В соответствии сНАСА , как только произошло загорание, очень важно как можно быстрее снова зажечь двигатель. Однако условия, вызвавшие возгорание, — это те же самые условия, которые затрудняют повторное зажигание. Первый шаг — спуститься на более низкие высоты, более удобные для повторного включения. Это может быть проблемой в зависимости от миссии. Чтобы попытаться повторно зажечь, ядра зажигания — очаги потока высокой энергии и свободных радикалов — вводятся в камеру сгорания путем включения воспламенителя двигателя. Ядро развивается во фронт пламени и в конечном итоге достигает стабилизации или затухания пламени, в зависимости от исходного состояния ядра и развития турбулентного потока. Сильный турбулентный поток в сочетании с надежностью зажигания искры затрудняет повторный розжиг двигателя.

Эти проблемы повторного зажигания еще больше усугубляются в современных двигателях, таких как ГПВРД. ГПВРД (ПВРД сверхзвукового сгорания) — вариант прямоточного воздушно-реактивного двигателя, в котором сгорание происходит в сверхзвуковом потоке воздуха. Воздушный поток динамически сжимается через систему впуска, не требующую вращающихся элементов, а топливо и окислитель сгорают на сверхзвуковых скоростях в камере сгорания. Однако на таких высоких скоростях процессы смешивания и горения не могут легко уместиться в длине камеры сгорания, поскольку общее время пребывания реагентов для сгорания обычно составляет доли миллисекунды при сверхзвуковом потоке на всем протяжении. Топливо, которое впрыскивается в камеру сгорания через отдельный порт, должно быть смешано на молекулярном уровне с кислородом, присутствующим в потоке всасываемого воздуха, чтобы произошли химические реакции горения. Поэтому необходимо выделить достаточное время пребывания для того, чтобы крупномасштабные турбулентные структуры в сдвиговых слоях росли и превращались в более мелкие вихри, которые вызывают микромасштабное смешивание между реагентами. Затухание этой скорости роста происходит на сверхзвуковых скоростях из-за эффектов сжимаемости, которые замедляют необходимое перемешивание. В конце концов, топливо и окислитель сгорают при смешивании в химической последовательности.

Короче говоря, задача сверхзвукового сгорания в ГПВРД так же сложна, как зажечь спичку в циклоне.