Группа исследователей и инженеров из университета Центральной Флориды, работающие вместе со специалистами из Научно-исследовательской лаборатории ВВС США, разработали, построили и провели первые испытания экспериментального образца ротационно-детонационного реактивного двигателя, который использует череду вращающихся взрывов в своем кольцевом канале для достижения сверхэффективной работы. В подавляющем большинстве современных реактивных двигателей используется не взрывное, а постоянное горение топливной смеси. Такое горение, которое представляет собой реакцию между топливом и окислителем, сопровождающуюся выделением большого тепла, является понятным и хорошо контролируемым процессом.
Взрывное (детонационное) горение — процесс более быстрый и более хаотический. По сути, взрыв — это мгновенный выброс энергии, получающийся путем разрыва химических связей в молекуле взрывчатого вещества, при этом, количества этой энергии достаточно для формирования разрушительной ударной волны. Взрывы хороши тогда, когда надо разрушить что-то большое, но обеспечение точного контроля за взрывными процессами является весьма сложной и труднореализуемой задачей.
Но когда речь заходит о преодолении земной гравитации и доставке чего-либо в космос, каждый дополнительный грамм поднимаемого веса значительно влияет на стоимость этого мероприятия. Взрывное горение может обеспечить эквивалентное количество энергии при меньшем количестве сжигаемого топлива и, поэтому, в течении последних 60 лет ученые и инженеры занимались разработкой ротационно-детонационных двигателей для снижения веса космической техники.
Идея ротационно-детонационного двигателя была рождена инженерами из Мичиганского университета в 1950-х годах. Конструкция этого двигателя весьма проста с механической точки зрения, но создание стабильной самоподдерживающейся взрывной волны было непосильной задачей вплоть до последнего времени.
Конструкцию двигателя можно рассматривать, как два цилиндра, вставленные друг в друга с небольшим зазором. В кольцевой промежуток между цилиндрами через сеть отверстий и разрезов подается взрывоопасная смесь, в момент воспламенения которой возникает взрыв, газы от которого устремляются к выходу и создают реактивную тягу. Вместе с этим внутри камеры возникает ударная волна, движущаяся в обратную сторону со скоростью, превышающей скорость звука в пять раз, и она, эта волна, является причиной детонации очередной порции топлива, создавая практически непрерывный взрыв в камере двигателя.
Опытный ротационно-детонационный двигатель является экспериментальной установкой, он создан из медных деталей и имеет выходное сопло, диаметром около 7 сантиметров. В качестве топлива используется смесь кислорода и водорода, но ключевым моментом в этом случае является процентное соотношение компонентов взрывчатой смеси. Даже малое отклонение от нужного значения приводит к тому, что смесь начинает сгорать более медленно, а не взрываться в камере двигателя.
Конструкция ротационно-детонационного двигателя рассматривается сейчас в качестве перспективы установки на ракетах Aerojet Rocketdyne RL-10, в которых используются двигатели, разработки еще 1962 года. Такие ракеты выступают сейчас в качестве верхних ступеней ракет Atlas V и Delta IV, а в перспективе они могут быть использоваться и в ракетах Exploration, OmegA и Vulcan.
Кроме этого интерес к ротационно-детонационным реактивным двигателям проявило командование ВМФ США. Предварительные расчеты и оценки показали, что замена такими двигателями газотурбинных двигателей, используемых сейчас более чем на сотне крупных судов, позволит получить экономию топлива на уровне 10-15 процентов. А это, согласитесь, весьма немало, с учетом того, что эти суда сейчас потребляют в год топливо на сумму в 2 миллиарда долларов.
