Hải quân Mỹ có kế hoạch nâng cấp các nhà máy điện tuabin khí hiện đang được lắp đặt trên máy bay và tàu của họ trong tương lai, thay thế động cơ chu trình Brighton thông thường bằng động cơ quay kích nổ. Do đó, mức tiết kiệm nhiên liệu dự kiến lên tới khoảng 400 triệu đô la hàng năm. Tuy nhiên, theo các chuyên gia, việc sử dụng hàng loạt các công nghệ mới là có thể xảy ra, không sớm hơn một thập kỷ.
Việc phát triển động cơ quay hoặc quay tròn ở Mỹ được thực hiện bởi Phòng thí nghiệm nghiên cứu của Hải quân Hoa Kỳ. Theo ước tính ban đầu, động cơ mới sẽ mạnh hơn và tiết kiệm hơn khoảng 1/4 so với động cơ thông thường. Đồng thời, các nguyên tắc hoạt động cơ bản của nhà máy điện vẫn được giữ nguyên - các khí từ nhiên liệu bị đốt cháy sẽ đi vào tuabin khí, làm quay các cánh quạt của nó. Theo phòng thí nghiệm của Hải quân Mỹ, ngay cả trong tương lai tương đối xa, khi toàn bộ hạm đội Mỹ sẽ chạy bằng điện, các tuabin khí vẫn sẽ chịu trách nhiệm tạo ra điện, ở một mức độ nào đó đã được sửa đổi.
Nhớ lại rằng việc phát minh ra động cơ phản lực tạo xung có từ cuối thế kỷ XIX. Người phát minh ra là kỹ sư người Thụy Điển Martin Wiberg. Các nhà máy điện mới trở nên phổ biến trong Chiến tranh thế giới thứ hai, mặc dù chúng kém hơn đáng kể về các đặc tính kỹ thuật so với động cơ máy bay tồn tại vào thời điểm đó.
Cần lưu ý rằng tại thời điểm này, hạm đội Mỹ có 129 tàu, sử dụng 430 động cơ tuabin khí. Mỗi năm, chi phí cung cấp nhiên liệu cho chúng vào khoảng 2 tỷ USD. Trong tương lai, khi động cơ hiện đại được thay thế bằng động cơ mới, chi phí nhiên liệu sẽ thay đổi.
Động cơ đốt trong hiện đang sử dụng hoạt động theo chu trình Brighton. Nếu bạn định nghĩa bản chất của khái niệm này trong một vài từ, thì tất cả đều phụ thuộc vào sự trộn lẫn liên tiếp giữa chất oxy hóa và nhiên liệu, nén thêm hỗn hợp tạo thành, sau đó - đốt cháy và đốt cháy với sự mở rộng của các sản phẩm cháy. Sự mở rộng này chỉ được sử dụng để truyền động, di chuyển pít-tông, quay tua-bin, tức là thực hiện các tác động cơ học, cung cấp áp suất không đổi. Quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu di chuyển với tốc độ cận âm - quá trình này được gọi là quá trình tạo cặn.
Đối với các động cơ mới, các nhà khoa học dự định sử dụng quá trình đốt nổ trong đó, tức là quá trình kích nổ, trong đó quá trình đốt cháy xảy ra ở tốc độ siêu thanh. Và mặc dù hiện tại hiện tượng kích nổ vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ, người ta biết rằng với kiểu đốt này, một sóng xung kích phát sinh, lan truyền qua hỗn hợp nhiên liệu và không khí, gây ra một phản ứng hóa học, kết quả là sự giải phóng một lượng nhiệt năng khá lớn. Khi sóng xung kích đi qua hỗn hợp, nó nóng lên, dẫn đến kích nổ.
Trong quá trình phát triển một động cơ mới, người ta có kế hoạch sử dụng một số phát triển nhất định thu được trong quá trình phát triển động cơ tạo xung kích nổ. Nguyên lý hoạt động của nó là hỗn hợp nhiên liệu đã được nén trước được đưa vào buồng đốt, nơi nó được đánh lửa và kích nổ. Sản phẩm cháy nở ra trong vòi phun, thực hiện các tác động cơ học. Sau đó, toàn bộ chu kỳ được lặp lại từ đầu. Nhưng nhược điểm của động cơ tạo xung là tốc độ lặp lại của các chu kỳ quá thấp. Ngoài ra, bản thân thiết kế của những động cơ này cũng trở nên phức tạp hơn trong trường hợp số lượng xung tăng lên. Điều này là do sự cần thiết phải đồng bộ hóa hoạt động của các van có nhiệm vụ cung cấp hỗn hợp nhiên liệu, cũng như trực tiếp bởi chính các chu trình kích nổ. Động cơ phun xăng cũng rất ồn, chúng đòi hỏi một lượng lớn nhiên liệu để hoạt động và chỉ có thể hoạt động khi phun nhiên liệu theo đồng hồ đo liên tục.
Nếu chúng ta so sánh động cơ quay kích nổ với động cơ phát xung, thì nguyên lý hoạt động của chúng hơi khác một chút. Do đó, đặc biệt, động cơ mới cung cấp nhiên liệu nổ liên tục liên tục trong buồng đốt. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng nổ quay, hoặc nổ quay. Nó được mô tả lần đầu tiên vào năm 1956 bởi nhà khoa học Liên Xô Bogdan Voitsekhovsky. Và hiện tượng này đã được phát hiện sớm hơn rất nhiều, vào năm 1926. Những người tiên phong là người Anh, họ nhận thấy rằng trong một số hệ thống nhất định xuất hiện một "cái đầu" phát sáng, chuyển động theo hình xoắn ốc, thay vì một sóng nổ phẳng.
Voitsekhovsky, sử dụng máy ghi ảnh do chính ông thiết kế, chụp ảnh mặt trước của làn sóng đang chuyển động trong buồng đốt hình khuyên trong hỗn hợp nhiên liệu. Kích nổ con quay khác với kích nổ máy bay ở chỗ một sóng ngang xung kích phát sinh trong nó, tiếp theo là một khí nóng chưa phản ứng, và đằng sau lớp này đã có một vùng phản ứng hóa học. Và chính một làn sóng như vậy đã ngăn cản quá trình đốt cháy của chính buồng, mà Marlene Topchiyan gọi là “một chiếc bánh rán dẹt”.
Cần lưu ý rằng động cơ kích nổ đã được sử dụng trong quá khứ. Đặc biệt, chúng ta đang nói về động cơ phản lực xung nhịp, được người Đức sử dụng vào cuối Thế chiến II trên tên lửa hành trình V-1. Việc sản xuất nó khá đơn giản, việc sử dụng nó khá dễ dàng, nhưng đồng thời động cơ này cũng không đáng tin cậy lắm để giải quyết các vấn đề quan trọng.
Hơn nữa, vào năm 2008, Rutang Long-EZ, một máy bay thử nghiệm được trang bị động cơ kích nổ xung nhịp, đã cất cánh. Chuyến bay chỉ kéo dài mười giây ở độ cao ba mươi mét. Trong thời gian này, nhà máy điện đã phát triển một lực đẩy lên tới 890 Newton.
Nguyên mẫu thử nghiệm của động cơ do phòng thí nghiệm Hoa Kỳ của Hải quân Hoa Kỳ trình bày là một buồng đốt hình nón hình khuyên có đường kính 14 cm ở phía cung cấp nhiên liệu và 16 cm ở phía vòi phun. Khoảng cách giữa các bức tường của buồng là 1 cm, trong khi "ống" dài 17,7 cm.
Hỗn hợp không khí và hydro được sử dụng làm hỗn hợp nhiên liệu, được cung cấp ở áp suất 10 atm vào buồng đốt. Nhiệt độ hỗn hợp là 27,9 độ. Lưu ý rằng hỗn hợp này được công nhận là thuận tiện nhất cho việc nghiên cứu hiện tượng nổ spin. Tuy nhiên, theo các nhà khoa học, trong các động cơ mới sẽ có thể sử dụng hỗn hợp nhiên liệu không chỉ bao gồm hydro mà còn các thành phần dễ cháy khác và không khí.
Các nghiên cứu thực nghiệm về động cơ quay cho thấy nó có hiệu suất và công suất lớn hơn so với động cơ đốt trong. Một ưu điểm khác là tiết kiệm nhiên liệu đáng kể. Đồng thời, trong quá trình thử nghiệm đã phát hiện ra rằng quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu trong động cơ quay "thử nghiệm" là không đồng đều, do đó cần phải tối ưu hóa thiết kế động cơ.
Các sản phẩm cháy nở ra trong vòi phun có thể được thu thập trong một tia khí bằng cách sử dụng hình nón (đây là cái gọi là hiệu ứng Coanda), và sau đó tia này có thể được gửi đến tuabin. Tua bin sẽ quay dưới tác dụng của các khí này. Do đó, một phần công việc của tuabin có thể được sử dụng để đẩy tàu, và một phần để tạo ra năng lượng, vốn cần thiết cho thiết bị tàu và các hệ thống khác nhau.
Bản thân các động cơ có thể được sản xuất mà không cần các bộ phận chuyển động, điều này sẽ giúp đơn giản hóa rất nhiều thiết kế của chúng, do đó, sẽ giảm chi phí của toàn bộ nhà máy điện. Nhưng điều này chỉ là trong quan điểm. Trước khi đưa động cơ mới vào sản xuất hàng loạt, cần giải quyết nhiều vấn đề khó khăn, một trong số đó là việc lựa chọn vật liệu chịu nhiệt bền.
Lưu ý rằng hiện tại, động cơ kích nổ quay được coi là một trong những động cơ có triển vọng nhất. Chúng cũng đang được phát triển bởi các nhà khoa học từ Đại học Texas tại Arlington. Nhà máy điện mà họ tạo ra được gọi là "động cơ kích nổ liên tục". Tại cùng một trường đại học, nghiên cứu đang được thực hiện về việc lựa chọn các đường kính khác nhau của các khoang hình khuyên và các hỗn hợp nhiên liệu khác nhau, bao gồm hydro và không khí hoặc oxy với các tỷ lệ khác nhau.
Sự phát triển theo hướng này cũng đang được tiến hành ở Nga. Vì vậy, vào năm 2011, theo giám đốc điều hành của hiệp hội nghiên cứu và sản xuất Sao Thổ I. Fedorov, các nhà khoa học từ Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Lyulka đang phát triển một động cơ phản lực không khí xung nhịp. Công việc đang được tiến hành song song với việc phát triển một động cơ đầy hứa hẹn mang tên "Sản phẩm 129" cho T-50. Ngoài ra, Fedorov cũng cho biết hiệp hội đang tiến hành nghiên cứu chế tạo máy bay triển vọng của giai đoạn tiếp theo, được cho là không người lái.
Đồng thời, người đứng đầu cũng không nói rõ nghi vấn là loại động cơ phát xung nào. Hiện tại, ba loại động cơ như vậy được biết đến - không van, có van và kích nổ. Trong khi đó, người ta thường chấp nhận rằng động cơ tạo xung là loại động cơ đơn giản nhất và rẻ nhất để sản xuất.
Ngày nay, một số công ty quốc phòng lớn đang tiến hành nghiên cứu động cơ phản lực xung hiệu suất cao. Trong số các công ty này có Pratt & Whitney và General Electric của Mỹ và SNECMA của Pháp.
Như vậy, có thể rút ra một số kết luận nhất định: việc tạo ra một động cơ mới đầy hứa hẹn có những khó khăn nhất định. Vấn đề chính lúc này là về mặt lý thuyết: chính xác thì điều gì sẽ xảy ra khi sóng xung kích kích nổ di chuyển trong một vòng tròn chỉ được biết đến trong các thuật ngữ chung, và điều này làm phức tạp rất nhiều quá trình tối ưu hóa thiết kế. Do đó, công nghệ mới mặc dù rất hấp dẫn nhưng khó khả thi ở quy mô sản xuất công nghiệp.
Tuy nhiên, nếu các nhà nghiên cứu sắp xếp được các vấn đề lý thuyết, thì sẽ có thể nói về một bước đột phá thực sự. Xét cho cùng, tuabin không chỉ được sử dụng trong giao thông vận tải mà còn được sử dụng trong lĩnh vực năng lượng, trong đó việc tăng hiệu suất có thể có tác động mạnh hơn nữa.
