Гиперзвуковые двигатели на полимерах: новая ступень развития авиации
15 Апреля 2021

Аспирант физико-технического факультета ТГУ Надежда Скибина при поддержке РФФИ проводит исследование процессов, протекающих при работе прямоточного воздушно-реактивного двигателя со сверхзвуковым течением окислителя в камере сгорания. Такие двигатели могут использоваться в гиперзвуковых летательных аппаратах. По мнению молодого ученого полученные результаты должны способствовать развитию авиации и ракетно-космической отрасли, а также техническому прогрессу в целом.

Сейчас одним из перспективных направлений развития авиации и ракетно-космической техники является создание летательных аппаратов, скорость движения которых в 5 и более раз превышает скорость звука. Такие летательные аппараты относятся к классу гиперзвуковых, для них нужны соответствующие двигатели. Турбореактивные двигатели, распространенные в современной авиации, в данном случае не применимы, и это приводит к необходимости новых разработок. Например, детонационных или прямоточных воздушно-реактивных двигателей.

Надежда Скибина

— Недостаточно просто изобрести новый двигатель. Нужно знать, на чем он будет работать, какие параметры реализуются в самой камере сгорания. Потому что есть, например, ракетные двигатели — там рабочие температуры порядка 2000°С и твердые топлива с добавлением частиц металлов. Диапазон рабочих параметров прямоточных воздушно-реактивных двигателей другой, и возникает вопрос — на каких топливах такой двигатель будет работать. Потому что условия и механизмы другие. Мы решили сконцентрироваться на применении легкоплавких полимерных композиций, — рассказала Надежда Скибина.

Цель работы — исследование условий, при которых возможен фазовый переход для твердого легкоплавкого материала при обтекании его воздушным потоком. В результате экспериментальных исследований и численных расчетов получены диапазоны температуры и давления, которые устанавливаются в камере сгорания рассматриваемой модели прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) на момент его запуска.

Сопоставление результатов эксперимента и численных расчетов для модели ПВРД

— Задача исследования работы такого двигателя еще не решена, и мы пытаемся с этим справиться. Сейчас рассматриваем процесс распространения тепла в материале. Полученные результаты математического моделирования представляют собой базу для проведения аэродинамических испытаний. Важно отметить, что только эксперименты и практические проверки помогут сформировать целостное представление об исследуемых процессах и скорректировать вектор дальнейшей работы. Возможно, повлиять на структуру течения посредством изменения формы камеры сгорания двигателя таким образом, чтобы это было нам на руку, — объяснила Надежда Скибина. 

Так как в качестве легкоплавких горючих материалов рассматриваются полимеры, результаты исследования представляют собой новые фундаментальные знания о молекулярном теплопереносе в твердых полимерных материалах при воздействии турбулентных потоков газа, ударных волн и сил трения.

Аэродинамическая установка

Уже проведены обширные численные расчеты для ряда полимерных материалов, которые могут выступать в качестве легкоплавких компонентов топлив для прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Полученные результаты проанализированы и после систематизации будут представлены в соответствующих научных изданиях.

— В свое время у меня был кризис выбора профессии: я училась на баллистике и только к окончанию третьего курса поняла, что данная сфера деятельности достаточно широкая и связана не только с вооружением. Сейчас я вижу внедрение результатов своей работы в аэрокосмическую технику — для технического прогресса, экономии времени и ресурсов, — добавила Надежда Скибина.

В 2020 году молодые учёные ТГУ выиграли рекордное количество грантов РФФИ – как для самого ТГУ, так и среди участников Большого Томского университета. Из 59 проектов, поданных на конкурс, поддержку РФФИ получили 52. Сумма, выделенная на каждый проект, составила 1 200 000 рублей.