ТЕНДЕНЦИИ РАЗРАБОТКИ ДЕТОНАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И ПРОБЛЕМА ТРОЙНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ УДАРНЫХ ВОЛН Часть I. Исследования детонационных двигателей

Рассматриваются актуальные задачи совершенствования силовых установок воздушно-космических летательных аппаратов, рассчитанных на большие сверхзвуковые скорости полета. В первой части обзора изложена история вопроса, этапные научные работы. Рассмотрена классификация детонационных двигателей, отдельное внимание уделено ротационным детонационным двигателям и непрерывно-детонационным двигателям. Подробно рассмотрены основные экспериментальные данные по детонации, имеющие наибольшее значение для проектирования детонационных двигателей. Во второй части приведен обзор работ по развитию теории детонации, математических моделей, численных методов. Изучается проблема интерференции ударных волн с образованием тройных точек, проблема регулярного и нерегулярного отражения ударных волн, неоднозначность и гистерезис в связанных с этим процессах. Продемонстрирована актуальность и значимость рассматриваемой проблемы для разработки новых типов воздухозаборников и реактивных двигателей с детонационным горением топлива.

1. Chernyshev S. TsAGI research capabilities to address aviation environmental impact issue // Proc. JAXA Aeronautics Symposium. Nagoya, 2012.
2. Скибин В.А., Солонин В.И., Палкин В.А. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний по созданию перспективных авиационных двигателей (аналитический обзор). М.: ЦИАМ им. Баранова, 2004. 424 с.
3. Sehra A.K., Whitlow W. Jr. Propulsion and power for 21st century aviation // Progress in Aerospace Sciences. 2004. V. 40. N 4–5. P. 199–235. doi: 10.1016/j.paerosci.2004.06.003
4. Bonet J.T. Boeing ERA N+2 Advanced Vehicle Concept Results // 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting. Nashville, 2012.
5. Фалалеев С.В. Современные проблемы создания двигателей летательных аппаратов. Самара, Самарский гос. аэрокосм. ун-т им. С.П. Королева, 2012. 106 с.
6. Бюшгенс Г.С., Дмитриев В.Г. Из книги «О работах ЦАГИ. 1970-2000 годы и перспективы». Аэромеханика и теплообмен. 2001. № 2. С. 81–98.
7. Фролов С.М., Аксенов В.С., Дубровский А.В., Иванов В.С., Шамшин И.О. Энергоэффективность непрерывно-детонационных камер сгорания // Физика горения и взрыва. 2015. Т. 51. №2. С. 102–117.
8. Тарасов А.И., Щипаков В.А. Перспективы использования пульсирующих детонационных технологий в турбореактивных двигателях // Авиационно-космическая техника и технология. 2011. № 9(86). С. 46–50.
9. Булат П.В., Ильина Е.Е. О проблеме создания детонационного двигателя – термодинамический цикл // Фундаментальные исследования. 2013. № 10–10. С. 2143–2146.
10. Vasil`ev А.А. The principal aspects of application of detonation in propulsion systems // Journal of Combustion. 2013. V. 2013. Art. 945161. doi: 10.1155/2013/945161
11. Булат П.В., Ильина Е.Е. О проблеме создания детонационного двигателя – современные тенденции в аэрокосмическом двигателестроении // Фундаментальные исследования. 2013. № 10–10. С. 2140–2142.
12. Митрофанов В.В. Теория детонации. Новосибирск: НГУ, 1982. 91 с.
13. Черный Г.Г. Асимптотический закон распространения плоской детонационной волны // Доклады АН СССР. 1967. Т. 172. № 3. С. 558–560.
14. Марков В.В. Численное моделирование образования многофронтовой структуры детонационной волны // Доклады АН СССР. 1981. Т. 258. № 2. С. 158–163.
15. Левин В.А., Черный Г.Г. Асимптотические законы поведения детонационных волн // Прикладная ма-тематика и механика. 1967. Т. 31. № 3. С. 383–405.
16. Korobeinikov V.P., Levin V.A., Markov V.V., Chernyi G.G. Propagation of blast waves in a combustible gas // Astronautica Acta. 1972. V. 17. N 4–5. P. 529–537.
17. Ting J.M., Bussing T.R.A., Hinkey J.B. Experimental characterization of the detonation properties of hydro-carbon fuels for the development of a pulse detonation engine // AIAA Paper. 1995. N 95-3154.
18. Булат П.В., Продан Н.В. Обзор проектов детонационных двигателей. Импульсные двигатели // Фун-даментальные исследования. 2013. № 10–8. С. 1667–1671.
19. Булат П.В., Продан Н.В. Обзор проектов детонационных двигателей. Ротационные детонационные двигатели // Фундаментальные исследования. 2013. № 10–8. С. 1672–1675.
20. Bulat P.V. About the detonation engine // American Journal of Applied Sciences. 2014. V. 11. N 8. P. 1357–1364. doi: 10.3844/ajassp.2014.1357.1364
21. Wolanski P. Detonative propulsion // Proceedings of the Combustion Institute. 2013. V. 34. N 1. P. 125–158. doi: 10.1016/j.proci.2012.10.005
22. Булат П.В., Упырев В.В., Денисенко П.В. Отражение косого скачка уплотнения от стенки // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 2. С. 338–345.
23. Булат П.В., Денисенко П.В., Продан Н.В. Интерференция встречных скачков уплотнения // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 2. С. 346–355.
24. Булат П.В., Денисенко П.В., Продан Н.В., Упырев В.В. Гистерезис интерференции встречных скачков уплотнения при изменении числа Маха // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 5. С. 930–941.
25. Dunlap R., Brehm R.L., Nicholls J.A. A preliminary study of the application of steady-state detonative com-bustion to a reaction engine // Jet Propulsion. 1958. V. 28. N 7. P. 451–456.
26. Иванов М.С., Кудрявцев А.Н., Троцюк А.В., Фомин В.М. Способ организации детонационного режима горения в камере сгорания сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Патент RU 2285143. Бюл. №28, 2006.
27. Гунько Ю.П. Сверхзвуковой воздухозаборник. Патент РФ №2343297. Бюл. №1. 2008.
28. Зельдович Я.Б. Об энергетическом использовании детонационного сгорания // Журнал технической физики. 1940. № 1(17). С. 1453–1461.
29. Бам-Зеликович Г.М. Распад произвольного разрыва в горючей смеси // Теоретическая гидромеханика. 1949. № 4. С. 112–141.
30. Бам-Зеликович Г.М. О колебаниях при горении газа в трубах // Теоретическая гидромеханика. 1952. № 9. С. 184–208.
31. Быковский Ф.А., Ждан С.А. Непрерывная спиновая детонация. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2013. 423 с.
32. Фролов С.M. Импульсные детонационные двигатели. М.: Торус Пресс, 2006. 592 с.
33. Засухин О.Н., Булат П.В., Продан Н.В. Особенности применения моделей турбулентности при расче-те сверхзвуковых течений в трактах перспективных воздушно-реактивных двигателей // Двигатель. 2012. №1. С. 22–25.
34. Nicholls J.A., Dabora E.K. Recent results on standing detonation waves // Proceedings of the Combustion Institute. 1961. V. 8. N 1. P. 644–655. doi: 10.1016/S0082-0784(06)80556-4
35. Hishida M., Fujiwara T., Wolanski P. Fundamentals of rotating detonations // Shock Waves. 2009. V. 19. N 1. P. 1–10. doi: 10.1007/s00193-008-0178-2
36. Bykovskii F.A., Zhdan S.A., Vedernikov E.F. Continuous spin detonations // Journal of Propulsion and Pow-er. 2006. V. 22. N 6. P. 1204–1216. doi: 10.2514/1.17656
37. Phylippov Yu.G., Dushin V.R., Nikitin V.F., Nerchenko V.A., Korolkova N.V., Guendugov V.M. Fluid me-chanics of pulse detonation thrusters // Acta Astronautica. 2012. V. 76. P. 115–126. doi: 10.1016/j.actaastro.2012.02.007
38. Shao Y., Liu M., Wang J.-P. Continuous detonation engine and effects of different types of nozzle on its propulsion performance // Chinese Journal of Aeronautics. 2010. V. 23. N 6. P. 647–652. doi: 10.1016/S1000-9361(09)60266-1
39. Dabora E.K., Broda J.C. Standing normal detonations and oblique detonations for propulsion // AIAA Paper. 1993. N 93-2325.
40. Adamson T.C. Jr., Olsson G.R. Performance analysis of a rotating detonation wave rocket engine // Astro-nautica Acta. 1967. V. 13. N 4. P. 405–415.
41. Bussing T., Hinkey J.B., Kaye L. Pulse detonation engine preliminary design considerations // AIAA Paper. 1994. N 94-3220.
42. 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. V. 30. N 6. P. 545–672. doi: 10.1016/j.pecs.2004.05.001
43. Westbrook С.К., Mizobuchi Y., Poinsot T.J., Smith P.J., Warnatz J. Computational combustion // Proceedings of the Combustion Institute. 2005. V. 30. N 1. P. 125–157. doi: 10.1016/j.proci.2004.08.275
44. Hinkey J.B., Bussing T.R.A., Kaye L. Shock tube experiments for the development of a hydrogen-fuelled pulse detonation engine // AIAA Paper. 1995. N 95-2578.
45. Eidelman S., Grossman W. Pulsed detonation engine: experimental and theoretical review // AIAA Paper. 1992. N 92-3168.
46. Lu J., Zheng L., Wang Z., Peng C., Chen X. Thrust measurement method verification and analytical studies on a liquid-fueled pulse detonation engine // Chinese Journal of Aeronautics. 2014. V. 27. N 3. P. 497–504. doi: 10.1016/j.cja.2014.04.001
47. Ремеев Н.Х., Власенко В.В., Рахимов Р.А., Иванов В.В. Численное моделирование и эксперименталь-ное исследование рабочего процесса в детонационной камере сгорания // Химическая физика. 2003. Т. 22. № 8. С. 45–56.
48. Wintenberger E., Shepherd J.E. Thermodynamic cycle analysis of propagating detonations // Journal of Pro-pulsion and Power. 2006. V. 22. N 3. P. 694–697. doi: 10.2514/1.12775
49. Tangirala V.E., Dean A.J., Tsuboi N., Hayashi A.K. Performance of a pulse detonation engine under subsonic and supersonic flight conditions // Proc. 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting. Reno, USA, 2007. P. 14887–14905.
50. Rao S. Effect of Friction on the Zel’dovich–von Neumann–Dooring to Chapman–Jouguet Transition. Master's thesis, University of Texas at Arlington. 59 p.
51. Пухначев В.В. Об устойчивости детонации Чепмена-Жуге // Доклады АН СССР. 1963. Т. 149. № 4. С. 798–801.
52. Nichols J.A., Wilkmson H.R., Morrison R.B. Intermittent detonation as a trust-producing mechanism // Jet Propulsion. 1957. V. 21. P. 534–541.
53. Левин В.А., Смехов Г.Д., Тарасов А.И., Хмелевский А.Н. Расчетное и экспериментальное исследование пульсирующей детонации в модели двигателя // Препринт ИМ МГУ. 1998. № 42–98.
54. Eidelman S., Yang X. Analysis of the pulse detonation engine efficiency // AIAA Paper. 1998. N 98–3877. P. 137–146.
55. Митрофанов В.В., Ждан С.А. Тяговые характеристики идеального пульсирующего детонационного двигателя // Физика горения взрыва. 2004. Т. 40. № 4. С. 8–14.
56. Kawane K., Shimada S., Kasahara J., Matsuo A. The influence of heat transfer and friction on the impulse of a detonation tube // Combustion and Flame. 2011. V. 158. N 10. P. 2023–2036. doi: 10.1016/j.combustflame.2011.02.017
57. Schauer F.R., Miser C.L., Tucker K.C., Bradley R.P., Hoke J.L. Detonation initiation of hydrocarbon-air mix-tures in a pulsed detonation engine // Proc. 43th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, USA, 2005. P. 5271–5280.
58. Schauer F., Stutrud J., Bradley R. Detonation initiation studies and performance results for pulsed detonation engine applications // Proc. 39th AIAA Aerospace Sciences Meeting. Reno, USA, 2001. N 2001–1129.
59. Knystautas R., Guirao C., Lee J.H., Sulmistras A. Measurements of cell size in hydrocarbon-air mixtures and predictions of critical tube diameter, critical initiation energy, and detonability limits // Progress in Astro-nautics and Aeronautics. 1984. V. 94. P. 23–37.
60. Helman D., Shreeve R.P., Eidelman S. Detonation pulse engine // AIAA Paper. 1986. Art. 86-1683.
61. Endo T., Fujiwara T. A simplified analysis on a pulse detonation engine model // Transactions of Japan So-ciety for Aeronautical and Space Sciences. 2002. V. 44. N 146. P. 217–222.
62. Yageta J., Shimada S., Matsuoka K., Kasahara J., Matsuo A. Combustion wave propagation and detonation initiation in the vicinity of closed-tube end walls // Proceedings of the Combustion Institute. 2011. V. 33. N 2. P. 2303–2310. doi: 10.1016/j.proci.2010.07.049
63. Zhukov V.P., Starikovskii A.Yu. Deflagration-to-detonation control by non-equilibrium gas discharges and its applications for pulsed detonation engine // Proc. 43th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, USA, 2005. P. 4599–4604.
64. Левин В.А., Нечаев Ю.И., Тарасов А.И. Новый подход к организации рабочего процесса пульсирую-щих детонационных двигателей // Химическая физика. 2001. Т. 20. № 6. С. 90–98.
65. Ларионов С.Ю., Нечаев Ю.Н., Мохов А.А. Исследование и анализ «холодных» продувок тягового мо-дуля высокочастотного пульсирующего детонационного двигателя // Вестник МАИ. 2007. Т. 14. № 4. С. 36–42.
66. Cambier J.-L., Adelman H., Menees G.P. Numerical simulations of an oblique detonation wave engine // Journal of Propulsion and Power. 1990. V. 6. N 3. P. 315–323.
67. Choi J.-Y., Jeung I.-S., Yoon Y. Numerical study of scram accelerator starting characteristics // AIAA Journal. 1998. V. 36. N 6. P. 1029–1038.
68. Александров В.Г., Ведешкин Г.К., Крайко А.Н., Огородников Д.А., Реент К.С., Скибин В.А., Черный Г.Г. Сверхзвуковой пульсирующий детонационный прямоточный воздушно-реактивный двигатель (СПДПД) и способ функционирования СПДПД. Патент RU2157909. 2000.
69. Войцеховский Б.В., Митрофанов В.В., Топчиян М.Е. Структура фронта детонации в газах. Новоси-бирск: Изд-во СО АН СССР, 1963. 167 с.
70. Войцеховский Б.В. Спиновая стационарная детонация // ПМТФ. 1960. № 3. С. 157–164. Voitsekhovskii B.V. Spinovaya statsionarnaya detonatsiya. PMTF, 1960, no. 3, pp. 157–164.
71. Davidenko D. Theoretical performance of rocket and turbojet engines operating in the continuous detonation mode // Proc. 4th European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS). St. Petersburg, Russia, 2011.
72. Davidenko D.M., Gokalp I., Kudryavtsev A.N. Numerical study of the continuous detonation wave rocket engine // Proc. 15th AIAA International Space Planes and HyperSonic Systems and Technologies Conference. Dayton, 2008. Art. 2008–2680.
73. Войцеховский Б.В. Стационарная детонация // Доклады АН СССР. 1959. Т. 129. № 6. С. 1251–1256.
74. Lee S.-H., Jo D.R., Choi J.-Y. Effect of curvature on the detonation wave propagation characteristics in an-nular channels // Proc. 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, USA, 2008. Art. 2008–0988.
75. Pan Z.H., Fan B.C., Zhang X.D., Gui M.Y., Dong G. Wavelet pattern and self-sustained mechanism of gase-ous detonation rotating in a coaxial cylinder // Combustion and Flame. 2011. V. 158. N 11. P. 2220–2228. doi: 10.1016/j.combustflame.2011.03.016
76. Nakayama H., Moriya T., Kasahara J., Matsuo A., Sasamoto Y., Funaki I. Stable detonation wave propaga-tion in rectangular-cross-section curved channels // Combustion and Flame. 2012. V. 159. N 2. P. 859–869. doi: 10.1016/j.combustflame.2011.07.022
77. Kindracki J., Wolanski P., Gut Z. Experimental research on the rotating detonation in gaseous fuels–oxygen mixtures // Shock Waves. 2011. V. 21. N 2. P. 75–84. doi: 10.1007/s00193-011-0298-y
78. Быковский Ф.А., Ждан С.А., Ведерников Е.Ф. Непрерывная спиновая детонация водородовоздушной смеси с добавкой воздуха в продукты и зону смесеобразования // Физика горения и взрыва. 2010. Т. 46. № 1. С. 60–68.
79. Быковский Ф.А., Ждан С.А., Ведерников Е.Ф. Непрерывная спиновая детонация топливно-воздушных смесей // Физика горения и взрыва. 2006. Т. 42. № 4. С. 107–115.
80. Быковский Ф.А., Ждан С.А., Ведерников Е.Ф. Реактивная тяга при непрерывной детонации в режиме эжекции воздуха // Физика горения и взрыва. 2013. Т. 49. № 2. С. 71–79.
81. Falempin F., Daniau E., Getin N., Bykovskii F.A., Zhdan S. Toward a continuous detonation wave rocket engine demonstrator // Proc. 14th AIAA/AHI International Space Planes and Hypersonic. Canderra, Australia, 2006. P. 501–511.
82. Hishida M., Fujiwara T., Wolanski P. Fundamentals of rotating detonations // Shock Waves. 2009. V. 19. N 1. P. 1–10. doi: 10.1007/s00193-008-0178-2
83. Schwer D.A., Kailasanath K. Fluid dynamics of rotating detonation engines with hydrogen and hydrocarbon fuels // Proceedings of the Combustion Institute. 2013. V. 34. N 2. P. 1991–1998. doi: 10.1016/j.proci.2012.05.046
84. Schwer D.A., Kailasanath K. Numerical investigation of the physics of rotating-detonation-engines // Pro-ceedings of the Combustion Institute. 2011. V. 33. N 2. P. 2195–2202. doi: 10.1016/j.proci.2010.07.050
85. Schwer D.A., Kailasanath K. Numerical investigation of rotating detonation engines // Proc. 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Nashville, 2010. Art. AIAA 2010-6880.
86. Shao Y.-T., Liu M., Wang J.-P. Numerical investigation of rotating detonation engine propulsive performance // Combustion Science and Technology. 2010. V. 182. N 11–12. P. 1586–1597. doi: 10.1080/00102202.2010.497316
87. Tsuboi N., Eto K., Hayashi A.K. Detailed structure of spinning detonation in a circular tube // Combustion and Flame. 2007. V. 149. N 1–2. P. 144–161. doi: 10.1016/j.combustflame.2006.12.004
88. Uemura Y., Hayashi A.K., Asahara M., Tsuboi N., Yamada E. Transverse wave generation mechanism in rotating detonation // Proceedings of the Combustion Institute. 2013. V. 34. N 2. P. 1981–1989. doi: 10.1016/j.proci.2012.06.184
89. Zhou R., Wang J.-P. Numerical investigation of flow particle paths and thermodynamic performance of con-tinuously rotating detonation engines // Combustion and Flame. 2012. V. 159. N 12. P. 3632–3645. doi: 10.1016/j.combustflame.2012.07.007
90. Zhou R., Wang J.-P. Numerical investigation of shock wave reflections near the head ends of rotating deto-nation engines // Shock Waves. 2013. V. 23. N 5. P. 461–472. doi: 10.1007/s00193-013-0440-0
91. Zhou R., Wang J.-P., Wu D. Three-dimensional of continuously rotating detonation engines // Proc. 7th Int. Conf. on Computational Fluid Dynamics (ICCFD7). Big Island, Hawaii, 2012. N ICCFD7-4004.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License