Специалисты из Университета Нагои представили метод организации зажигания и поддержания горения в скрамджете – типе воздушно-реактивного двигателя, работающего на сверхзвуковых скоростях – при параметрах полёта, соответствующих числу Маха от 3 до 4. Для достижения этой цели был разработан вращающийся детонационный воспламенитель (RD torch), который непрерывно направляет в камеру двигателя продукты сгорания, образованные в результате детонации.

В ходе эксперимента удалось зажечь водород и поддерживать процесс горения, при этом основная воздушная масса внутри камеры сохраняла сверхзвуковую скорость потока.

Скрамджеты рассматриваются как перспективное решение для гиперзвукового транспорта, поскольку они предназначены для функционирования на скоростях, превышающих М=5. Тем не менее, на более низких скоростях температура воздуха, поступающего в двигатель, снижается, что существенно усложняет процесс воспламенения топлива. При числе Маха от 3 до 4 самопроизвольное зажигание топливной смеси маловероятно, и для инициации горения необходим внешний источник энергии. Это создает разрыв между диапазоном рабочих параметров турбореактивно-прямоточных двигателей (примерно до М=3–4) и скрамджетов, рассчитанных на более высокие скорости.

Вместо повышения максимальной скорости существующих двигателей первого типа, исследователи решили попытаться снизить минимальную рабочую скорость скрамджета. Для этого был выбран детонационный воспламенитель. В его цилиндрической камере непрерывно распространяется детонационная волна, сжигающая смесь топлива и кислорода вдоль внутренней поверхности. Образующиеся горячие газы затем подаются в камеру скрамджета, призванные обеспечить запуск основного топлива.

Ранее существующие детонационные камеры демонстрировали чрезмерный расход газа, что препятствовало их использованию в качестве воспламенителей. В связи с этим специалисты из Университета Нагои создали усовершенствованную, более компактную конструкцию: рабочая часть устройства имеет диаметр 10 мм и длину 173 мм. Для обеспечения горения применялся этилен в роли топлива и кислород – окислитель. Совместный расход этих веществ составил 4,07 ± 0,23 г/с, а рассчитанная тепловая мощность устройства варьировалась от 20,5 до 21,0 кВт, что сопоставимо с характеристиками обычных факельных воспламенителей, традиционно используемых в подобных экспериментах.

Испытания проводились на специализированной установке, предназначенной для изучения процессов сверхзвукового горения. В модель двигателя подавался воздух при скорости М=2,8, температуре 682 ± 40 К и расходе 684 ± 24 г/с. Данные параметры соответствовали условиям полёта на высоте 18 км при скорости М=3–4. Основным топливом для скрамджета выступал водород, который подавался непосредственно в сверхзвуковой воздушный поток.

Внутри детонационного воспламенителя волна детонации стабильно распространялась со скоростью от 2,07 до 2,14 км/с, при частоте её распространения составляющей 65–68 кГц. При этом сгорание топливной смеси практически завершалось до выхода продуктов в камеру двигателя, обеспечивая непрерывный поток горячих газов в полость камеры. Исследователи также отметили способность устройства сохранять работоспособность при воздействии внешних возмущений, а короткая зона детонационного горения и циркуляция выхлопных газов могли способствовать более эффективному смешению топлива с воздухом.

После достижения стабильной работы воспламенителя в поток подавался основной водород. При расходе около 1,1 г/с было зафиксировано устойчивое воспламенение и поддержание пламени. В этот момент воздушный поток внутри модели двигателя сохранял сверхзвуковую скорость, что соответствовало режиму работы скрамджета. Однако при дальнейшем увеличении расхода водорода до примерно 2,5 г/с возникла ситуация теплового запирания: интенсивное выделение тепла привело к снижению скорости потока в камере и потере сверхзвукового характера.

Ключевым выводом экспериментальной работы стало то, что детонационный воспламенитель позволил добиться стабильного горения водорода в потоке газа, движущемся со сверхзвуковой скоростью, при числе Маха от 3 до 4. Данное достижение открывает перспективу использования подобного устройства для воспламенения как метод расширения диапазона рабочих параметров скрамджетов, что потенциально может уменьшить разрыв в характеристиках между обычными прямоточными и гиперзвуковыми воздушно-реактивными двигателями. О результатах исследования сообщается в журнале Journal of Propulsion and Power.