На иллюстрации представлена новая система VALP, которая движется за счет пульсаций уникального реактивного двигателя, созданного специально для этой машины. На протяжении веков человечество стремилось подчинить себе скорость, однако основные классические механизмы неизменно упирались в мощный технологический тупик своей же сложности. В эпоху, когда авиация ассоциируется с монументальными, хирургически точными и дорогими турбовентиляторными установками, существует класс двигателей, бросающий вызов традиционной инженерии своей парадоксальной простотой и пугающей эффективностью. Воздушно-реактивный двигатель с пульсирующим принципом работы (ПуВРД) — это тепловая машина, в которой процесс сгорания топливно-воздушной смеси происходит не непрерывно, а в виде периодических циклов, напоминающих высокочастотные взрывы.
Отсутствие громоздких вращающихся компрессоров и турбин делает этот тип двигателей уникальным: он автономен, дешев в производстве и способен развивать колоссальную тягу, буквально «дыша» огнем с частотой в десятки и сотни герц.
- Беспилотная авиация: Использование ПуВРД в качестве силовых установок для скоростных мишеней и недорогих беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) одноразового или оперативного применения, где критически важна низкая стоимость единицы продукции.
- Энергетика и котельные установки: Пульсирующее горение применяется в высокоэффективных промышленных нагревателях и контактных аппаратах, поскольку колебания давления в камере сгорания кратно интенсифицируют теплообмен и снижают вредные выбросы.
- Сельское хозяйство: В качестве генераторов горячего тумана и высокопроизводительных опрыскивателей, где реактивная струя ПуВРД мгновенно распыляет инсектициды или удобрения на огромные площади.
- Перспективная космонавтика: Разработка гибридных систем, где детонационная волна внутри пульсирующего тракта теоретически позволяет достичь термодинамической эффективности, недоступной ни одному современному ракетному двигателю, открывая путь к гиперзвуковым скоростям.
В настоящее время современные БПЛА самолетного типа можно оснастить двигателями самых разных конструкций и принципов работы. Например, американская компания North American Wave Engine Corporation предлагает использовать пульсирующие воздушно-реактивные двигатели (ПуВРД) и ведет разработку подобных устройств. Ранее она неоднократно демонстрировала свои двигатели на стенде и на летательных аппаратах. Сейчас компания проводит испытания экспериментального БПЛА Scitor-D, оснащенного двигателем типа J-1. Рассмотрим что из мебя представляет пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД).
Фактически – это одна из трех основных разновидностей воздушно-реактивных двигателей (ВРД), особенностью которой является пульсирующий режим работы. Пульсация создает характерный и очень громкий звук, по которому легко узнать эти моторы. В отличие от других типов силовых агрегатов ПуВРД имеет максимально упрощенную конструкцию и небольшой вес.
Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель – это полый канал, открытый с двух сторон. С одной стороны – на входе – установлен воздухозаборник, за ним – тяговый узел с клапанами, дальше расположена одна или несколько камер сгорания и сопло, через которое выходит реактивный поток.
Устройство ПуВРД. Работа двигателя циклична и можно выделить основные такты: 1. такт впуска, во время которого входной клапан открывается, и в камеру сгорания под действием разряжения в ней попадает воздух. В это же время через форсунки впрыскивается топливо, в результате чего образуется топливный заряд; 2. полученный топливный заряд воспламеняется от искры свечи зажигания, в процессе горения образуются газы с высоким давлением, под действием которого закрывается впускной клапан; 3. при закрытом клапане продукты сгорания выходят через сопло, обеспечивая реактивную тягу. Вместе с тем в камере сгорания при выходе отработанных газов образуется разряжение, входной клапан автоматически открывается и впускает во внутрь новую порцию воздуха.
Входной клапан двигателя может иметь разные конструкции и внешний вид. Как вариант, он может быть выполнен в виде жалюзи – прямоугольных пластин, закрепленных на раме, которые под действием перепада давления открываются и закрываются. Другая конструкция имеет форму цветка с металлическими «лепестками», расположенными по кругу.
Первый вариант более эффективный, зато второй более компактный и может использоваться на небольших по размеру конструкциях, например, при авиамоделизме. Подача топлива осуществляется форсунками, которые имеют обратный клапан. Когда давление в камере сгорания снижается, подается порция топлива, когда же давление увеличивается за счет горения и расширения газов, подача топлива прекращается. В некоторых случаях, например на маломощных моторах от авиамоделей, форсунок может и не быть, а система подачи топлива при этом напоминает карбюраторный двигатель.
Свеча зажигания расположена в камере сгорания. Она создает серию разрядов, и когда концентрация топлива в смеси достигает нужного значения, топливный заряд воспламеняется. Поскольку двигатель имеет небольшие размеры, его стенки, выполненные из стали, в процессе работы быстро нагреваются и могут поджигать топливную смесь не хуже свечи.
Опыт компании Wave Engine
Компания North American Wave Engine Corporation (сокращенно Wave Engine Corp.) была основана в г. Балтимор (шт. Мэриленд) в первой половине десятых годов бывшими сотрудниками ведущих предприятий США в сфере двигателестроения. Целью компании с самого начала стала разработка пульсирующих воздушно-реактивных двигателей с разными характеристиками, пригодных для применения на тех или иных летательных аппаратах.
В 2016 г. Wave Engine Corp. начала стендовые испытания первого ПуВРД собственной разработки. Первые реальные результаты проекта позволили рассчитывать на поддержку со стороны потенциальных заказчиков. Так, в 2019 г. компания получила от агентства DARPA 2,85 млн долл. на продолжение работ. Позже фирма получала и иные гранты того или иного размера.
Экспериментальный планер с ПуВРД, 2020 г.
В следующем году опытный двигатель – вероятно, за счет денег от Пентагона – довели до летных испытаний. В качестве воздушной платформы для опытного ПуВРД использовался серийный безмоторный планер. Установка двигателя серьезно улучшила его летные данные и продолжительность полета. Кроме того, в ходе таких испытаний показали потенциал летательного аппарата, использующего оптимизированную аэродинамику и пульсирующий двигатель.
В июне 2021 г. Управление вооружений ВВС США выдало компании Wave Engine заказ на разработку «универсальной платформы воздушного базирования» Versatile Air-Launched Platform (VALP). Стоимость контракта составила 1 млн долл.; сроки его исполнения не уточнялись. Сообщалось, что целью проекта является создание малоразмерного БПЛА с ПуВРД, способного нести небольшую полезную нагрузку. В частности, рассматривалась возможность его использования в качестве ложной цели для обмана ПВО противника.
К моменту получения контракта на VALP компания-разработчик успела сформировать общий облик такого изделия и даже опубликовала художественную демонстрацию его применения. В дальнейшем работы по проекту продолжились, но их результаты пока остаются неизвестными. Готовый БПЛА, похожий на картинки 2021 г., еще не показан.
Двигатель типа J-1
Достигнутые результаты
Несмотря на наличие заказа на разработку многоцелевого БПЛА, основной сферой деятельности Wave Engine остается создание пульсирующих воздушно-реактивных двигателей. К настоящему времени разработано два таких изделия с отличающимися характеристиками, готовых к использованию на летательных аппаратах разных весовых категорий. Кроме того, анонсировано появление новых ПуВРД.
Компания предлагает заказчикам два двигателя. Первый имеет обозначение J-1 и предназначается для летательных аппаратов с взлетной массой не более 200 фунтов (90,8 кг). Он развивает тягу до 55 фунтов (25 кгс). Также разработан схожий двигатель K-1, отличающийся увеличенными размерами и тягой 220 фунтов (ок. 100 кгс). Им предлагают оснащать воздушные платформы массой до 1000 фунтов (454 кг). Предполагается, что следующие образцы такого семейства по своим параметрам будут превосходить изделие K-1.
ПуВРД от Wave Engine построены по бесклапанной схеме, которая позволяет упростить конструкцию и получить высокий ресурс. Двигатель выполнен в виде U-образной трубы переменного диаметра. Верхняя часть такого устройства имеет меньший диаметр, но несет цилиндрическую камеру сгорания увеличенного сечения. Нижняя труба выполнена конической и имеет больший диаметр. Торцы трубы выполняют функции сопел. Специально для новой серии двигателей разработана электронная система управления, контролирующая подачу топлива и работу в целом.
Изделие K-1
Принцип действия таких двигателей достаточно прост. В камеру сгорания впрыскивается порция горючего и производится зажигание. Продукты горения истекают через обе трубы-сопла, направленные к хвосту летательного аппарата, и создают тягу. При этом в определенный момент времени тяга в нижней трубе большего диаметра превышает тягу в верхней, и последняя начинает затягивать атмосферный воздух в камеру сгорания. Затем производится новый впрыск топлива, и цикл повторяется. Из-за отсутствия постоянного горения и использования последовательных вспышек, такой ВРД именуется пульсирующим.
Опытный беспилотник
Для летных испытаний двигателя J-1 с тягой 25 кгс компания Wave Engine разработала оригинальный беспилотный летательный аппарат под названием Scitor-D. В начале марта компания сообщила о начале его летных испытаний и опубликовало видеоролик с первым полетом. Испытания будут продолжатся и обеспечат отработку конструкции БПЛА и ПуВРД, а также их взаимодействия.
БПЛА Scitor-D построен по нормальной аэродинамической схеме. Он имеет удлиненный фюзеляж переменного сечения с внутренними отсеками для полезной нагрузки, аппаратуры и жидкого горючего. Пульсирующий двигатель при помощи удерживающих устройств размещен над фюзеляжем. Используется крыло с небольшой стреловидностью, оснащенное выступающими обтекателями основных стоек шасси. Хвостовое оперение выполнено по Н-образной схеме и не мешает работе двигателя.
Общий вид БПЛА Scitor-D
Взлетная масса беспилотника определена параметрами двигателя J-1 и составляет 100 фунтов. На борту может присутствовать полезная нагрузка массой 20 фунтов (ок. 9 кг). Размеры изделия не уточняются. Показанное видео позволяет предполагать, что размах крыла БПЛА достигает 3-3,5 м. Максимальная скорость полета заявлена на уровне 200 узлов (370 км/ч). Дальность и продолжительность полета, достигаемые за счет необычной двигательной установки, неизвестны.
На данный момент опытный БПЛА Scitor-D несет упрощенный набор бортовой аппаратуры. Она обеспечивает прием и исполнение команд оператора, а также сбор и передачу данных. В ходе дальнейшего развития беспилотник может получить дополнительные приборы для решения практических задач. Из-за ограниченной грузоподъемности беспилотник сможет нести только средства оптической или радиотехнической разведки. Применение оружия не представляется возможным.
Впрочем, главной задачей изделия Scitor-D на данный момент является не ведение разведки или выполнение иных реальных задач, а демонстрация возможностей ПуВРД. При помощи этой разработки компания Wave Engine хочет показать потенциал подобных двигателей в целом, а также определить их реальные возможности в сфере беспилотной авиации. По сути, речь идет об эксперименте и своего рода рекламе будущих разработок в этой области.
Scitor-D выполняет взлет
Характерные преимущества
Бесклапанная схема ПуВРД, прорабатываемая компанией Wave Engine, имеет свои характерные особенности, определяющие достижимый уровень технических параметров и потенциал в целом. При этом пульсирующий двигатель такой архитектуры может выгодно отличаться от силовых установок иных классов и типов – и представлять интерес с точки зрения конкретных проектов.
Как и другие реактивные двигатели, ПуВРД достаточно эффективно использует энергию горючего, за счет чего может развивать высокую тягу. Благодаря этому ПуВРД позволяет получить более высокие скорости, чем двигатель внутреннего сгорания с воздушным винтом или электромотор. По показателям тяги и достигаемых летно-технических характеристиках ПуВРД близок к турбореактивным двигателям. При этом его конструкция в разы проще. В ней отсутствуют подвижные детали, изготовление которых является отдельной технологической проблемой.
Таким образом, ПуВРД может найти применение в тех областях, где требуются достаточно высокие показатели тяги и летные характеристики, но при этом необходимо упрощение и удешевление конструкции. В North American Wave Engine Corporation полагают, что такие двигатели следует внедрять в сфере легких и средних БПЛА. Кроме того, компания наглядно демонстрирует потенциал этой идеи при помощи нового опытного беспилотника.
Экспериментальный БПЛА Scitor-D сейчас проходит испытания и помогает отрабатывать конструкцию изделия J-1. Также он поможет развитию других двигателей перспективной линейки и созданию новых БПЛА с ПуВРД. В частности, нельзя исключать, что нынешний экспериментальный проект имеет прямое отношение к ранее начатой программе VALP и поспособствует появлению этой многоцелевой платформы. Когда и как закончатся все эти работы, неизвестно, но компания-разработчик проявляет оптимизм и намерена продолжать свои проекты.
Заключение
Подводя итог анализу воздушно-реактивных двигателей с пульсирующим принципом работы, можно утверждать, что данная технология представляет собой один из самых парадоксальных векторов в истории термодинамики. Двигатель, рожденный из стремления к предельному упрощению конструкции, спустя столетие эволюции превратился в объект сложнейших аэродинамических и математических расчетов. Принципиальный отказ от механического сжатия воздуха в пользу волновых процессов и акустического резонанса позволил ПуВРД занять уникальную нишу, где ключевыми факторами являются минимальная стоимость производства, высокая удельная мощность и конструктивная надежность. Несмотря на исторический зазор между первыми боевыми применениями середины XX века и современными гражданскими проектами, фундаментальный потенциал пульсирующего горения далеко не исчерпан.
Перспективы развития технологии
Современный этап развития ПуВРД характеризуется переходом от классических клапанных схем, ограниченных механической прочностью лепестковых затворов, к высокотехнологичным бесклапанным и детонационным системам. В среднесрочной перспективе ключевые направления развития технологии сосредоточены в следующих областях:
- Пульсирующие детонационные двигатели (PDE): Переход от относительно медленного дефлаграционного горения (дозвукового) к детонационному (сверхзвуковому) позволяет приблизить термодинамический цикл к теоретически идеальному циклу Зельдовича. Это обеспечивает качественный скачок в топливной эффективности и удельной тяге.
- Интеграция численных методов гидродинамики (CFD): Использование суперкомпьютерного моделирования позволяет с ювелирной точностью профилировать внутренние тракты бесклапанных ПуВРД. Это решает историческую проблему нестабильности фаз впуска и обратного выхлопа через заборник.
- Гибридные силовые установки: Перспективным направлением является создание комбинированных двигателей (например, интеграция пульсирующего контура в турбореактивную или прямоточную схему). Это позволяет использовать преимущества ПуВРД на этапе разгона и экономичность ТРД на крейсерском режиме.
- Масштабирование для микро-БПЛА и космонавтики: Миниатюризация бесклапанных схем открывает рынок для сверхдешевых силовых установок малых дронов, в то время как крупногабаритные многотрубные PDE-кластеры рассматриваются как возможная альтернатива маршевым ступеням космических ракетопланов.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
- В чем главное конструктивное отличие клапанного ПуВРД от бесклапанного?
В клапанном двигателе обратный ход газов при взрыве блокируется механическими лепестками (клапанной решеткой), которые физически изнашиваются от высоких температур и вибрации. В бесклапанном ПуВРД (например, схеме Эшвуда) запирание осуществляется за счет газодинамического сопротивления и точного расчета формы труб: за время, пока волна давления доходит до входа, там формируется встречный газовый затвор, а основная масса газов устремляется в длинное сопло. - Почему ПуВРД не вытеснили обычные турбореактивные двигатели в пассажирской авиации?
Этому препятствуют три критических недостатка: экстремальный уровень шума (доходящий до болевого порога), колоссальная вибрация, способная разрушить планер самолета, и относительно высокий удельный расход топлива на дозвуковых скоростях по сравнению с современными двухконтурными ТРД. - Каков средний ресурс работы пульсирующего двигателя?
Для классических клапанных систем ресурс крайне мал — от нескольких десятков минут до нескольких часов, так как металлические клапаны быстро прогорают и теряют упругость. Бесклапанные ПуВРД практически не имеют движущихся деталей, поэтому их ресурс ограничен лишь термической усталостью и эрозией материалов стенок самой камеры сгорания. - Может ли ПуВРД работать в безвоздушном пространстве?
Нет, классический ПуВРД является воздушно-реактивным двигателем и использует кислород из атмосферы для окисления топлива. Однако его концептуальный преемник — пульсирующий детонационный двигатель (PDE) — может быть модифицирован в жидкостный ракетный двигатель (ПДРД) путем принудительной циклической подачи как топлива, так и жидкого окислителя в камеру детонации.
Автор: Рябов Кирилл
Источник: https://topwar.ru/
Использованы фотографии: Wave Angine Corp.
