Polacy pracują nad silnikiem do superszybkich pocisków [WYWIAD]

Marcin Jabłoński: Co to w ogóle jest silnik detonacyjny?

Dr inż. Michał Kawalec: Dotychczas w silnikach spalinowych stosuje się tzw. spalanie deflagracyjne. Jest to stosunkowo powolny proces. Płomień propaguje z prędkością kilku, kilkunastu m/s i jest łatwy do zdmuchnięcia. Co więcej, często aby spalić całe paliwo w szybkim przepływie, wymaga długiej, ciężkiej komory spalania.

Silniki które rozwijamy, wykorzystują zjawisko wirującej detonacji. Detonacja to bardzo szybkie spalanie. Pojawia się fala uderzeniowa, propagująca z prędkościami rzędu kilku km/s, która spala wszystko co napotyka na swojej drodze. Ta fala radykalnie podnosi ciśnienie i temperaturę. Silnik detonacyjny zamyka tę falę wewnątrz komory spalania,  gdzie wiruje ona z ogromną prędkością (ok. 2 km/s) i spala wciąż napływającą świeżą mieszaninę palną.

To samopodtrzymujący się proces zwany właśnie wirującą detonacją. Spalanie takie jest bardzo szybkie i efektywne. Zjawisko to mogą wykorzystywać silniki rakietowe lub przepływowe (strumieniowe lub turbinowe - przypis red.). Właśnie głównie nad detonacyjnymi silnikami strumieniowymi pracujemy w Łukasiewicz - Instytut Lotnictwa.

A jak działa silnik detonacyjny opracowany przez Państwa zespół?

Posiada on wlot, który spręża powietrze przy locie naddźwiękowym. Za wlotem znajduje się komora spalania, gdzie doprowadzana jest nafta lotnicza i odbywa się wirującą detonacja tej nafty w powietrzu. Powstają gorące produkty spalania, które rozpędzają się następnie w dyszy, i tak generowany jest ciąg.

Co jest takiego istotnego w tej technologii?

Same silniki detonacyjne to przyszłość, w którą inwestuje coraz więcej państw. Zapewniają duże osiągi, są względnie proste w konstrukcji, a przy tym oszczędne. Choć koncepcje ich użycia pojawiły się w latach 60 i 70, a na przestrzeni  dekad odłożono ten temat na półkę. Propagowaniem ich rozwoju zajął się m.in. śp. polski uczony, profesor Piotr Wolański z Politechniki Warszawskiej, który pracował także w naszym Instytucie. To on zainicjował prace nad silnikiem detonacyjnym w Polsce i zbudował światową społeczność, która rozwijała ten temat na całym świecie.

W okolicach 2015/16 roku cały rozwój silników detonacyjnych na świecie ruszył z kopyta i dziś inwestują w nie Amerykanie, Rosjanie, Japończycy, Francuzi czy Chińczycy. My Polacy możemy być naprawdę mocnymi zawodnikami, jeśli chodzi o opracowywanie silników detonacyjnych. W Łukasiewicz - Instytucie Lotnictwa pracujemy nad nimi już od 15 lat. To nam jako pierwszym na świecie udało się osiągnąć wirującą detonację nafty w czystym powietrzu (bez żadnych dodatków). Co więcej jako pierwsi na świecie zdołaliśmy wynieść rakietę, za pomocą rakietowego silnika detonacyjnego. Naprawdę jesteśmy pionierami.

Jakie cechy szczególne ma silnik detonacyjny opracowany przez Łukasiewicz - Instytut Lotnictwa?

Spalanie detonacyjne podnosi sprawność silnika, co czyni go oszczędniejszym, a po drugie, ponieważ jest to proces bardzo szybki, pozwala znacznie zminiaturyzować i skrócić komorę spalania. Najjaskrawiej widać to właśnie na przykładzie silnika strumieniowego. Aktualnie silnik taki poza wlotem i dyszą posiada bardzo długą, nieraz kilkumetrową komorę spalania.

Przekłada się to na znaczne rozmiary samego silnika, a co za tym idzie efektorów które on napędza. Dzięki zastosowaniu wirującej detonacji komora naszego silnika ma długość tylko kilkunastu centymetrów. Dzięki temu łatwo zbudować mały, kompaktowy i efektywny układ napędowy.

Do czego można wykorzystać detonacyjny silnik strumieniowy?

Przede wszystkim liczymy tu na zastosowanie wojskowe np. w szybkich pociskach czy w  dronach. Ten silnik może rozpędzać się do kilkakrotności prędkości dźwięku i może to robić także na niższych wysokościach. W oparciu o tą technologię, można zbudować małe, bardzo szybkie i trudno widoczne dla radarów obiekty latające, jak pociski manewrujące.

W miarę rozwijania się technologii, w przyszłości będzie można stworzyć np. prawdziwe pociski hipersoniczne (o prędkości przekraczającej 5 Ma - przypis red.). Dziś pociski określane jako "hipersoniczne", jak np. rosyjski Kindżał, to ogromne rakiety na stały materiał pędny, niosące ze sobą utleniacz i wymagające rozbudowanego systemu startu (np. z szybko lecącego samolotu na dużej wysokości). Pocisk z naszym silnikiem strumieniowym byłby pod tym względem znacznie lepszy, nie wymagając zbyt dużych zbiorników na materiały pędne czy paliwo.

Ale silniki strumieniowe mogą napędzać także np. samoloty. Bazując na spalaniu pod wysokim ciśnieniem, miałyby mniejsze zużycie paliwa. Mówimy tu o mniejszych wartościach rzędu 5-10 proc. co przy obecnych technologiach już mocno ograniczających spalanie, stanowi wręcz skok cywilizacyjny.

Niemniej należy pamiętać, że aby silnik strumieniowy w ogóle mógł zacząć działać, potrzebna jest odpowiednia, naddźwiękowa prędkość, aby wlot mógł zacząć sprężać powietrze. Taki pocisk z silnikiem strumieniowym musi więc mieć swój booster np. dodatkowy silnik rakietowy lub zostać odpalony z szybko lecącego samolotu.

W jakim kierunku Łukasiewicz Instytut Lotnictwa rozwija swój silnik detonacyjny?

Na ten moment pracujemy nad stworzeniem demonstratora potencjalnego pocisku, napędzanego naszym silnikiem. Teraz przede wszystkim  rozwijamy system chłodzenia. W przypadku silników detonacyjnych jak nasz, problemem są wysokie temperatury spalania, oraz intensywny transfer ciepła do ścianek przy zjawisku detonacji. Po za tym rozwijamy system doprowadzania powietrza oraz układ zasilania takiego silnika. Wierzymy, że niedługo uda nam się skonstruować taki demonstrator, który pokaże faktyczne możliwości tej technologii. I że wzbudzimy nią zainteresowanie np. Wojska Polskiego.

***

Bądź na bieżąco i zostań jednym z 90 tys. obserwujących nasz fanpage - polub Geekweek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!