Demonstrator technologii przyszłościowego pocisku z detonacyjnym silnikiem strumieniowym
Michał Nita
Od ponad 14 lat w warszawskim podmiocie, znanym powszechnie pod nazwą Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Lotnictwa, realizowane są prestiżowe badania zmierzające do skonstruowania specjalnego silnika odrzutowego z tzw. wirującą detonacją (Rotating Detonation Engine). Przewiduje się, że w przyszłości tego rodzaju napęd będzie mógł znaleźć zastosowanie w pociskach wyposażonych w tzw. silnik strumieniowy (ramjet). Zdaniem specjalistów, dzięki osiągniętemu właściwemu poziomowi innowacyjności, przeprowadzane badania w przyszłości mogą zapoczątkować bardzo ważne zmiany w rozwoju różnego przeznaczenia uzbrojenia.
Prowadzone w przeszłości prace
Omawianie prac nad opracowywanym demonstratorem technologii pocisku z detonacyjnym silnikiem strumieniowym można zacząć od wspomnienia o wybuchach mających niekiedy miejsce w kopalniach. Analizowanie zjawisk wybuchów metanu prowadzono w różnych krajach już na przełomie XIX i XX wieku. Przez kolejne lata specjaliści z różnych państw zaczynali próby bardzo dokładnego opisywania tego zjawiska. Jednak dopiero po upływie ponad 60 lat od rozpoczęcia analiz wybuchów w Instytucie Hydromechaniki w Nowosybirsku, a na przełomie lat 60. i 70. także w Ann Arbor na Uniwersytecie Michigan, zaczęto się intensywnie zastanawiać nad stworzeniem możliwości wykorzystania cech tych wybuchów w zastosowaniach praktycznych, np. do napędu obiektów latających. Rozważano wówczas prace nad detonacyjnymi silnikami pulsacyjnymi (Pulse Detonation Engines, PDE), jednak finalnie specjaliści wpadli na pomysł znany powszechnie pod nazwą wirującej detonacji, czyli tzw. „zapętlenia” fali detonacyjnej w pierścieniowej komorze spalania. Przy zastosowaniu takiej detonacji ma zostać osiągnięta bardzo wysoka sprawność spalania. W rezultacie pracy silników z wirującą detonacją (Rotating Detonation Engines, RDE) ma się generować stały ciąg, a nie powodujący drgania ciąg impulsowy. W ówczesnym ZSRR zaczęto doświadczenia z wirującą detonacją, a w Stanach Zjednoczonych skoncentrowano się natomiast nad pulsacyjnym silnikiem detonacyjnym. Zaletami napędów detonacyjnych mają być m.in. ich lepsze osiągi, mniejsza masa, niższe zużycie paliwa, obniżenie emisji gazów CO i NOX czy mniejsze koszty produkcji. Dla wyjaśnienia można dodać, że planowana do wykorzystania w silnikach detonacja jest procesem bardzo szybkiego spalania, powodującym wytworzenie się fali uderzeniowej. Wówczas propagacja takiej fali przebiega z prędkością przynajmniej 1,5 km/s, dzięki czemu radykalnie podwyższa się ciśnienie, a w takich właśnie warunkach następuje spalanie mieszaniny palnej.
W latach 70. polski naukowiec, Piotr Wolański, pracujący wówczas we wspomnianym Instytucie Hydromechaniki w Nowosybirsku, zajmował się badaniem zasady powstawania i propagacji fal detonacyjnych. Jednakże ze względu na brak stosownej aparatury pomiarowej wówczas nie było jeszcze możliwości wykonywania dalszych prac. W związku z tym przez lata specjaliści nie podejmowali kolejnych badań nad zjawiskiem, choć nie tracili nadziei, że w przyszłości będzie można do nich powrócić. Szanse na ich dalszy rozwój pojawiły się dopiero w latach 90. Wówczas w rezultacie współpracy z naukowcami z Japonii, będący już profesorem, Piotr Wolański uzyskał pierwszy patent dotyczący wspomnianej wirującej detonacji. Od tego czasu coraz więcej instytucji naukowo-badawczych wyrażało zainteresowanie wspomnianym zjawiskiem. W latach 90. prace nad wirującą detonacją prowadzono na Politechnice Warszawskiej, a w kolejnej dekadzie w Stanach Zjednoczonych do napędu obiektów latających testowano pulsacyjne silniki detonacyjne. Należy tu wspomnieć że w styczniu 2008 roku w Kalifornii odbył się lot samolotu Rutan Long-E-2 z takim właśnie napędem. Wówczas silnik samolotu lecącego z prędkością 190 km/h pracował przez 10 minut i generował ciąg wynoszący 0,9 kN. W przeszłości zastanawiano się także nad możliwością zastosowania napędu pulsacyjnego w powietrznych bezzałogowcach, a także w pociskach. Jednak uznano, że wówczas dla umożliwienia prawidłowej pracy przewidzianych dla nich napędów pulsacyjnych do sterowania takim silnikiem należałoby zastosować zbyt skomplikowany układ zaworów służących do sterowania dopływem powietrza i paliwa, a ze względu na pulsacyjny charakter ciągu, sam napęd generowałby bardzo duże drgania lecącego obiektu. W związku z tym nie doszło do praktycznego zastosowania powyższego rozwiązania i w Stanach Zjednoczonych zarzucono prace nad PDE.
Od początku 2009 roku, po serii wykładów prof. Wolańskiego dla przedstawicieli Pratt & Whitney Rocketdyne, specjaliści z USA przekonali się do pomysłu zastosowania do napędu tzw. wirującej detonacji. We wspomnianym państwie rozpoczęto uruchamianie programów grantowych na badania RDE. Na początku rozważano zastosowanie do napędu paliw gazowych. W 2011 roku w Instytucie Lotnictwa w Warszawie przeprowadzono natomiast eksperyment detonacji nafty w czystym powietrzu. Wcześniej eksperymenty z naftą oraz powietrzem wzbogacanym w tlen lub wodór prowadzono zarówno w Rosji, jak i na Politechnice Warszawskiej.
Pełna wersja artykułu w magazynie NTW 2/2025