موتورهای انفجار پالس

موتور انفجار پالس (PDE) (pulse detonation engine)  یک سیستم محرکه است که در دهه گذشته به دلیل مزایای بی شماری که نسبت به موتورهای جت سنتی ارائه می دهد، مورد توجه زیادی قرار گرفته است. PDE ها به صورت چرخه ای متناوب عمل می کنند و باعث ایجاد امواج انفجاری می شوند که مخلوط اکسید کننده سوخت را درون موتور می سوزاند، مقادیر زیادی انرژی آزاد می کند و فشارهای بسیار بالاتری را نسبت به یک فرآیند انفجار ایجاد می کند.

موتور انفجار پالس یک دستگاه پیشران ناپایدار است که در آن محفظه احتراق به صورت دوره ای با مخلوط گاز واکنشی پر می شود، انفجار آغاز می شود، انفجار در محفظه پخش می شود و گازهای حاصل از مصرف خالی می شوند. فشارهای زیاد و شار اندازه حرکت ناشی از محفظه باعث ایجاد رانش می شود. سطوح رانش نیمه پایدار را می توان با تکرار این چرخه در فرکانس نسبتاً بالا و / یا استفاده از بیش از یک محفظه احتراق خارج از فاز به دست آورد.

تصویر: شکل شماتیک موتور توربوجت

در موتورهای جت معمولی، هوا با استفاده از کمپرسور فشرده و سرعتش کم می شود و سپس با سوخت قبل از مرحله احتراق مخلوط می شود، که احتراق نیز یک فرایند مادون صوتی کند است. سپس محصولات داغ واکنش یک توربین را که کمپرسور را نیز به حرکت در می آورد، پیش از حرکت از میان یک نازل و در نتیجه تولید نیروی رانش، حرکت می دهند. این واقعیت که توربین و کمپرسور به هم متصل شده اند به این معنی است که موتور به تنهایی نمی تواند از حالت استراحت شروع به کار کند و نیاز به استفاده از استارت دارد تا قبل از این که موتور بتواند خود را پایدار کند، کمپرسور را به سرعت برساند. موتورهای جت از چرخه Brayton پیروی می کنند که نیاز به فشرده سازی هوا در فشارهای بالا قبل از امکان انتشار گرما دارند، در نتیجه به کمپرسور سنگین و ماشین آلات توربین نیاز دارند.

از طرف دیگر، PDE  ها را می توان به صورت تئوری از یک حالت ایستا تا یک عدد ماخ 5 به کار انداخت. PDE ها نیازی به تجهیزات روتور سنگین ندارند تا هوا را قبل از احتراق فشرده کنند، در نتیجه وزن و پیچیدگی کلی موتور کاهش می یابد. علاوه بر این، هندسه PDE ها بسیار ساده است، اساساً از یک لوله با دریچه های کنترل برای انتقال سیال تشکیل شده است. فرایند انفجار همچنین فشار و دمای بالاتری از واکنش ایجاد می کند و کارایی بهتری را ارائه می دهد. PDE ها شکاف بین رژیم زیر صوتی و رژیم مافوق صوت را، هنگامی که جت ها و راکت های فرار کار را به عهده می گیرند، پر می کنند. همانطور که در شکل مشاهده می شود،  PDE ها در تمام اعداد ماخ در مقایسه با موشک ها و موتورهای معمولی تنفس هوا، تکانه های خاص بالاتری را ارائه می دهند. 

تصویر: عدد ماخ در مقابل تکانش ویژه برای سیستم های مختلف پیشرانه

بنابراین، مطالعاتی در حال تلاش برای ادغام حالت احتراق پالسی در موشک ها، و حالت موتورهای جت فرار است که از افزایش عملکرد به دست آمده از فرایند انفجار شدید نسبت به فرآیند انفجار کُند استفاده می کند. همه موارد فوق دلیل انفجار مطالعات اخیر در زمینه انفجار و تحقیقات PDE است. این امر منجر به راه اندازی چندین برنامه تحقیقاتی رقابتی با هدف توسعه یک سیستم PDE فعال شده است.

تصویر: مراحل مختلف چرخه PDE در بالا نشان داده شده است.

تصویر: نمودارهای T-S و نمودارهای فشار در مقابل حجم ویژه برای چرخه های مختلف موتور. چرخه موتور Brayton Turbojet  در گوشه سمت راست پایین نشان داده شده است.

تفاوت بین انفجار و سوختن و سپس انفجار (یا انفجار شدید و انفجار کند)

انفجار شدید یک فرآیند احتراق مافوق صوت است در حالی که انفجار کند یک فرآیند احتراق زیر صوتی است. تقریباً همه موتورهایی که سوخت می سوزانند، برای آزاد کردن انرژی موجود در سوخت ها، از انفجار کند استفاده می کنند. در انفجار شدید، موج ضربه ای گاز را فشرده می کند که سپس با انتشار سریع گرما و افزایش ناگهانی فشار دنبال می شود. در نظریه چاپمن - ژوگه، موج انفجار شامل یک موج ضربه ای و یک جبهه شعله است. با عبور جبهه موج از گاز، گاز فشرده شده و واکنش شیمیایی در قسمت عقب جبهه موج تکمیل می شود. نظریه دیگری که به نظریه Zeldovich-von Neumann-Doering (ZND)  معروف است، از شیمی سرعت محدود برای توصیف مدل استفاده می کند. در مدلZND ، موج انفجار به عنوان یک موج ضربه ای و به دنبال آن یک جبهه عکس العمل به تصویر کشیده شده است، با منطقه القایی که این دو را از هم جدا می کند. در حقیقت، موج انفجار یک جبهه موج دو بعدی نیست، بلکه از موجک های کوچکتر تشکیل شده است، که ساختارهای سلولی به شکل الماس را در پشت خود ایجاد می کند.

یکی از عوامل مؤثر بر اجرای عملی PDE ها، مشکل در دستیابی به انفجارهای ثابت در محفظه احتراق، در طول لوله کوتاه است. شروع انفجار اغلب در مخلوط سوخت و هوا در لوله های کوتاه تر دشوار است و نیاز به افزودن مقدار زیادی انرژی دارد. یک روش مفیدتر، شروع یک احتراق انفجاری کُند و سپس هدایت واکنش به انفجار شدید با قرار دادن موانعی در مسیر است که باعث ایجاد اختلاط آشفته و همچنین سرعت بخشیدن به جریان می شود. فرایند تسریع موج فشار به یک موج انفجار کُند به عنوان گذار از انفجار کند به انفجار شدید (Deflagration to Detonation Transition (DDT)) شناخته می شود. مؤثرترین جسم القا کنندهDDT ، مارپیچ Shchelkin است که شبیه به یک فنر مارپیچ است. سایر دستگاه های DDT شامل صفحات دهانه و نازل های همگرا - واگرا هستند.

موتور انفجار پالس

اولین پرواز با قدرت  PDE

در موشک سازی