МФТИ жжëт… керосины

Кафедра физической механики МФТИ и ЦИАМ применяют забытые методы для современных задач авиации

При проектировании двигателя особое место уделяется камере сгорания, так как именно в ней осуществляется превращение химической энергии горючей смеси в кинетическую энергию продуктов сгорания, что и позволяет двигателю совершать полезную работу. О том, как идет работа над созданием уникальной ударной трубы для испытаний углеводородной смеси и какие задачи решает такой экспериментальный стенд — в прямой речи команды проекта.

Андрей, научный сотрудник ЦИАМ:

«Независимо от типа двигателя – поршневой, турбореактивный, прямоточный, детонационный – важную роль в проектировании камеры сгорания играет такой параметр, как время задержки воспламенения. Для углеводородов оно велико, в сравнении со скоростью сгорания топлива. При неправильном учёте этой задержки воспламенение может происходить за пределами камеры сгорания или не происходить, что, мягко говоря, не является штатным режимом работы двигателя. Моделировать процессы горения можно численно, если знаешь кинетический механизм, но они существуют или для совсем простых топлив, или сильно редуцированы.»

 «Имеется в виду, что для моделирования горения можно составить кинетические цепочки и добавить к уравнениям газовой динамики уравнения химической кинетики. Модель горения различных топлив, а особенно керосина, может иметь сложную кинетику, которая часто неизвестна, особенно сейчас, когда появляются новые марки и типы керосинов. Для того, чтобы разрабатывать математические модели горения сложных топлив необходимо опираться на экспериментальные данные, иначе невозможно получить адекватный результат — математические модели без верификации бесполезны, « – поясняет руководитель лаборатории комплексного моделирования МФТИ, Дмитрий Минюшкин .

Экспериментальное получение информации о времени задержки воспламенения и состоянии смеси при экстремальных нагрузках имеет и самостоятельную ценность. Не имея сложных математических моделей горения топлива, можно проектировать камеру сгорания, опираясь на данные, полученные на стенде. Проведя большое количество испытаний, можно покрыть всю интересующую область значений экспериментальными данными. Такие работы и проводятся на установке – сотрудники кафедры, работающие на стенде, создают условия, которые ожидаются в двигателях, и измеряют задержку до начала воспламенения топлива.

Об уникальности и нише экспериментального стенда в промышленности — руководитель исследований, Виталий Кривец:

«Сами испытания вовсе не исключительные. Сейчас научные исследования по проблеме времени индукции проводят в Черноголовке, в Минске, в других отраслевых научных центрах. В Советском Союзе было достаточно ударных труб такого назначения отличной конфигурации, которые позволяли покрыть экспериментальными данными различные режимы работы различных двигателей – в сумме получалась целиком область значений, интересовавшая Министерство общего машиностроения СССР. Но сегодня мы должны на одной трубе получить все необходимые диапазоны давлений и температур, поэтому трубу приходится постоянно модернизировать. То, что она это позволяет, делает её поистине уникальным инструментом для исследования быстропротекающих процессов.»

Евгений, инженер ЦИАМ:

«Эта ударная труба, действительно, весьма уникальная. Особенности ее исполнения указывают, что проектировалась она для высоких давлений и температур. Две диафрагмы и пневмогидравлический насос позволяют работать с давлениями толкающего газа до 1000 атмосфер. Нагрев до 300 градусов Цельсия делает эту ударную трубу ценнейшим инструментом для изучения экстремальных состояний веществ. Но, снова соглашусь с Виталием, сейчас интересны также невысокие давления и температуры, потому что создаются новые керосины, для которых старых таблиц просто не существует.»

Инженер кафедры физической механики МФТИ Денис Кардаев относится к экспериментальной установке с особыми уважением и заботой:

«На описание этой трубы я наткнулся в воспоминаниях об академике Иевлеве. То ли он перевез эту трубу из НИИ-1, когда создал нашу кафедру, то ли их было две «сестры», сделанных из заготовок под дуло сорокопятки. Здесь, на кафедре, на ней в разные годы выполнялись как индустриальные задачи, так и академические научные исследования. Фортов Владимир Евгеньевич на этой трубе занимался сжатием паров цезия. Были перерывы, были простои, были периоды, когда ожидалось, что мы уже не будем проектировать двигатели.

Её судьба достойна и несколько трагична. Сейчас новый виток ее истории, и мы под новые задачи нашей промышленности, вдобавок к двухдиафрагменной системе, монтируем систему разрыва крестом. Старая теплоизоляция до 300 градусов Цельсия будет заменена на новую, более совершенную. На самом деле, новшеств огромное количество, и обязаны мы ими Физтех Фабрике. Именно благодаря профессионализму её прекрасного коллектива мы без серьезных задержек воспроизводим технические решения, необходимые для расширения области исследуемых параметров, и предлагаем нашей заслуженной трубе новые задачи.»

 Что–то пламенное от установки передалось и команде, которая сейчас работает над составлением базы данных о времени задержки воспламенения для ЦИАМ. С легко читаемым в глазах энтузиазмом и удовольствием от процесса они смешивают компоненты топлива, проверяют датчики и ФЭУ, наполняют камеру высокого давления толкающим газом. Коллектив воодушевленный, замечательный, но маленький. Экспериментаторы сами признаются, что задач очень много, и задачи разнопрофильные: и расчетные, и конструкторские, и технологические, даже фундаментальные физические вопросы. Коллектив всегда рад интересующимся студентам, готов поделиться своим опытом и предложить принять участие в настоящих экспериментах.

*Авторский стиль текста сохранен по просьбе научного коллектива.