تخطط البحرية الأمريكية لتحديث محطات الطاقة التوربينية الغازية المثبتة حاليًا على طائراتها وسفنها في المستقبل ، لتحل محل محركات دورة برايتون التقليدية بمحركات تفجير دوارة. ونتيجة لذلك ، من المتوقع أن تصل وفورات الوقود إلى حوالي 400 مليون دولار سنويًا. ومع ذلك ، فإن الاستخدام المتسلسل للتقنيات الجديدة ممكن ، وفقًا للخبراء ، في موعد لا يتجاوز عقد من الزمان.
يتم تطوير المحركات الدوارة أو الدوارة في أمريكا بواسطة مختبر أبحاث البحرية الأمريكية. وفقًا للتقديرات الأولية ، ستكون المحركات الجديدة أكثر قوة وأيضًا بحوالي الربع أكثر اقتصادا من المحركات التقليدية. في الوقت نفسه ، ستبقى المبادئ الأساسية لتشغيل محطة الطاقة كما هي - الغازات من الوقود المحترق ستدخل التوربينات الغازية ، وتدور شفراتها. وفقًا لمختبر البحرية الأمريكية ، حتى في المستقبل البعيد نسبيًا ، عندما يتم تشغيل الأسطول الأمريكي بأكمله بالكهرباء ، ستظل توربينات الغاز مسؤولة عن توليد الطاقة ، مع تعديلها إلى حد ما.
تذكر أن اختراع المحرك النفاث النابض يعود إلى أواخر القرن التاسع عشر. المخترع هو المهندس السويدي مارتن ويبرغ. انتشرت محطات الطاقة الجديدة على نطاق واسع خلال الحرب العالمية الثانية ، على الرغم من أنها كانت أقل شأناً في خصائصها التقنية من محركات الطائرات التي كانت موجودة في ذلك الوقت.
وتجدر الإشارة إلى أن الأسطول الأمريكي يضم في الوقت الحالي 129 سفينة تستخدم 430 محركًا توربينيًا غازيًا. كل عام ، تبلغ تكلفة تزويدهم بالوقود حوالي 2 مليار دولار. في المستقبل ، عندما يتم استبدال المحركات الحديثة بمحركات جديدة ، فإن مقدار تكاليف الوقود سوف يتغير.
تعمل محركات الاحتراق الداخلي المستخدمة حاليًا في دورة برايتون. إذا حددت جوهر هذا المفهوم في بضع كلمات ، فكل ذلك يعود إلى الخلط المتتالي للمؤكسد والوقود ، وزيادة ضغط الخليط الناتج ، ثم - الحرق العمد والاحتراق مع توسع نواتج الاحتراق. يتم استخدام هذا التمدد فقط للقيادة ، وتحريك المكابس ، وتدوير التوربينات ، أي القيام بأعمال ميكانيكية ، وتوفير ضغط ثابت. تتحرك عملية الاحتراق لخليط الوقود بسرعة دون سرعة الصوت - وتسمى هذه العملية بـ dufflagration.
أما بالنسبة للمحركات الجديدة ، فيعتزم العلماء استخدام الاحتراق المتفجر فيها ، أي التفجير ، حيث يحدث الاحتراق بسرعة تفوق سرعة الصوت. وعلى الرغم من أن ظاهرة التفجير لم تتم دراستها بشكل كامل في الوقت الحالي ، فمن المعروف أنه مع هذا النوع من الاحتراق ، تنشأ موجة صدمية ، تنتشر من خلال خليط من الوقود والهواء ، وتسبب تفاعلًا كيميائيًا ، نتيجته إطلاق كمية كبيرة من الطاقة الحرارية. عندما تمر موجة الصدمة عبر الخليط ، فإنها تسخن ، مما يؤدي إلى الانفجار.
في تطوير محرك جديد ، من المخطط استخدام بعض التطورات التي تم الحصول عليها في عملية تطوير محرك تفجير نابض.مبدأ عملها هو إدخال خليط وقود مضغوط مسبقًا في غرفة الاحتراق ، حيث يتم إشعاله وتفجيره. تتوسع منتجات الاحتراق في الفوهة ، وتقوم بأعمال ميكانيكية. ثم تتكرر الدورة بأكملها من البداية. لكن عيب المحركات النابضة هو أن معدل تكرار الدورات منخفض للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، يصبح تصميم هذه المحركات نفسها أكثر تعقيدًا في حالة زيادة عدد النبضات. ويرجع ذلك إلى الحاجة إلى مزامنة تشغيل الصمامات المسؤولة عن تزويد خليط الوقود ، وكذلك بشكل مباشر عن طريق دورات التفجير نفسها. تعد المحركات النابضة صاخبة للغاية ، فهي تتطلب كمية كبيرة من الوقود للعمل ، ولا يمكن العمل إلا من خلال الحقن المستمر للوقود.
إذا قارنا محركات التفجير الدوارة بالمحركات النابضة ، فإن مبدأ تشغيلها يختلف قليلاً. وهكذا ، على وجه الخصوص ، توفر المحركات الجديدة تفجيرًا مستمرًا للوقود في غرفة الاحتراق. تسمى هذه الظاهرة بالدوران أو التفجير الدوراني. تم وصفه لأول مرة في عام 1956 من قبل العالم السوفيتي بوجدان فويتسيخوفسكي. وقد تم اكتشاف هذه الظاهرة قبل ذلك بكثير ، في عام 1926. وكان البريطانيون الرواد الذين لاحظوا ظهور "رأس" متوهج لامع في أنظمة معينة يتحرك في شكل لولبي بدلاً من موجة تفجير مسطحة.
قام فويتسيخوفسكي ، باستخدام مسجل صور صممه بنفسه ، بتصوير مقدمة الموجة ، التي كانت تتحرك في غرفة احتراق حلقي في خليط وقود. يختلف تفجير الدوران عن تفجير الطائرة حيث تنشأ فيه موجة عرضية واحدة ، متبوعة بغاز ساخن لم يتفاعل ، وخلف هذه الطبقة توجد بالفعل منطقة تفاعل كيميائي. وهذه الموجة بالتحديد هي التي تمنع احتراق الحجرة نفسها ، والتي أطلقت عليها مارلين توبشيان "كعكة الدونات المسطحة".
وتجدر الإشارة إلى أن محركات التفجير قد استخدمت بالفعل في الماضي. على وجه الخصوص ، نحن نتحدث عن المحرك النفاث الجوي النابض ، والذي استخدمه الألمان في نهاية الحرب العالمية الثانية على صواريخ كروز V-1. كان إنتاجه بسيطًا للغاية ، وكان استخدامه سهلاً بدرجة كافية ، ولكن في نفس الوقت لم يكن هذا المحرك موثوقًا به للغاية لحل المشكلات المهمة.
علاوة على ذلك ، في عام 2008 ، حلقت طائرة Rutang Long-EZ ، وهي طائرة تجريبية مزودة بمحرك تفجير نابض ، في الهواء. استغرقت الرحلة عشر ثوان فقط على ارتفاع ثلاثين مترا. خلال هذا الوقت ، طورت محطة الطاقة قوة دفع تصل إلى 890 نيوتن.
النموذج الأولي التجريبي للمحرك ، الذي قدمه المختبر الأمريكي للبحرية الأمريكية ، عبارة عن غرفة احتراق حلقي مخروطي الشكل يبلغ قطرها 14 سم على جانب إمداد الوقود و 16 سم على جانب الفوهة. تبلغ المسافة بين جدران الغرفة 1 سم وطول "الأنبوب" 17.7 سم.
يتم استخدام خليط من الهواء والهيدروجين كخليط وقود ، والذي يتم توفيره عند ضغط 10 أجواء إلى غرفة الاحتراق. درجة حرارة الخليط 27.9 درجة. لاحظ أن هذا المزيج يعتبر الأكثر ملاءمة لدراسة ظاهرة تفجير الدوران. ولكن وفقًا للعلماء ، في المحركات الجديدة سيكون من الممكن استخدام خليط وقود لا يتكون فقط من الهيدروجين ولكن أيضًا من مكونات أخرى قابلة للاحتراق والهواء.
أظهرت الدراسات التجريبية للمحرك الدوار كفاءته وقوته الأكبر مقارنة بمحركات الاحتراق الداخلي. ميزة أخرى هي الاقتصاد في استهلاك الوقود بشكل كبير. في الوقت نفسه ، أثناء التجربة ، تم الكشف عن أن احتراق خليط الوقود في محرك "الاختبار" الدوار غير منتظم ، لذلك من الضروري تحسين تصميم المحرك.
يمكن تجميع منتجات الاحتراق التي تتمدد في الفوهة في نفاثة غاز واحدة باستخدام مخروط (وهذا ما يسمى بتأثير كواندا) ، ومن ثم يمكن إرسال هذه النفاثة إلى التوربينات. سوف يدور التوربين تحت تأثير هذه الغازات. وبالتالي ، يمكن استخدام جزء من عمل التوربين لدفع السفن ، وجزئيًا لتوليد الطاقة ، وهو أمر ضروري لمعدات السفن والأنظمة المختلفة.
يمكن إنتاج المحركات نفسها بدون أجزاء متحركة ، مما سيبسط تصميمها إلى حد كبير ، والذي بدوره سيقلل من تكلفة محطة الطاقة ككل. لكن هذا فقط في المنظور. قبل إطلاق محركات جديدة في الإنتاج التسلسلي ، من الضروري حل العديد من المشكلات الصعبة ، أحدها اختيار مواد متينة مقاومة للحرارة.
لاحظ أنه في الوقت الحالي ، تعتبر محركات التفجير الدوارة من أكثر المحركات الواعدة. يتم تطويرها أيضًا من قبل علماء من جامعة تكساس في أرلينغتون. أُطلق على محطة الطاقة التي أنشأوها اسم "محرك التفجير المستمر". في نفس الجامعة ، يتم إجراء بحث حول اختيار أقطار مختلفة من الغرف الحلقيّة ومخاليط الوقود المختلفة ، والتي تشمل الهيدروجين والهواء أو الأكسجين بنسب مختلفة.
كما يجري تطوير في هذا الاتجاه في روسيا. لذلك ، في عام 2011 ، وفقًا للمدير العام لجمعية الأبحاث والإنتاج في Saturn I. Fedorov ، يقوم علماء من مركز Lyulka العلمي والتقني بتطوير محرك نفاث هوائي نابض. يتم تنفيذ العمل بالتوازي مع تطوير محرك واعد يسمى "Product 129" للطائرة T-50. بالإضافة إلى ذلك ، قال فيدوروف أيضًا إن الرابطة تجري بحثًا حول إنشاء طائرات واعدة في المرحلة التالية ، والتي من المفترض أن تكون بدون طيار.
في الوقت نفسه ، لم يحدد الرأس نوع المحرك النابض المعني. في الوقت الحالي ، هناك ثلاثة أنواع معروفة من هذه المحركات - الصمامات والصمام والتفجير. وفي الوقت نفسه ، من المقبول عمومًا أن المحركات النابضة هي أبسط وأرخص تصنيعًا.
اليوم ، تقوم العديد من شركات الدفاع الكبرى بإجراء أبحاث حول المحركات النفاثة النابضة عالية الأداء. من بين هذه الشركات الأمريكية Pratt & Whitney و General Electric و SNECMA الفرنسية.
وبالتالي ، يمكن استخلاص بعض الاستنتاجات: إن إنشاء محرك جديد واعد له بعض الصعوبات. المشكلة الرئيسية في الوقت الحالي هي من الناحية النظرية: ما يحدث بالضبط عندما تتحرك موجة صدمة التفجير في دائرة لا يُعرف إلا بعبارات عامة ، وهذا يعقد بشكل كبير عملية تحسين التصميمات. لذلك ، على الرغم من أن التكنولوجيا الجديدة جذابة للغاية ، إلا أنها غير مجدية على نطاق الإنتاج الصناعي.
ومع ذلك ، إذا تمكن الباحثون من فرز القضايا النظرية ، فسيكون من الممكن التحدث عن اختراق حقيقي. بعد كل شيء ، لا تستخدم التوربينات فقط في النقل ، ولكن أيضًا في قطاع الطاقة ، حيث يمكن أن يكون لزيادة الكفاءة تأثير أقوى.
