Zespół inżynierów z Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa przeprowadził pierwszą na świecie udaną próbę lotu rakiety doświadczalnej napędzanej silnikiem rakietowym wykorzystującym proces wirującej detonacji. Próbę przeprowadzono 15 września 2021 roku na poligonie Wojskowego Instytutu Technicznego Uzbrojenia w Zielonce pod Warszawą. Silnik rakietowy, zgodnie z planem, pracował przez 3,2 sekundy i rozpędził rakietę do prędkości około 90 metrów na sekundę, co pozwoliło na osiągnięcie przez rakietę pułapu 450 metrów.
Udana demonstracja technologii wirującej detonacji przeprowadzona przez inżynierów Instytutu Lotnictwa to sukces na skalę międzynarodową. To pierwsza na świecie udana próba wykorzystania do napędu rakiety silnika detonacyjnego zasilanego ciekłymi materiałami pędnymi, ciekłym propanem oraz ciekłym podtlenkiem azotu.
Do napędu rakiety wykorzystano detonacyjny silnik stożkowy opracowany przez dr. inż. Michała Kawalca z Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa, który również kierował zespołem budującym rakietę i doświadczalnym lotem tej rakiety. Opiekunem merytorycznym zespołu jest zatrudniony w Instytucie prof. Piotr Wolański, światowej klasy ekspert w dziedzinie wirującej detonacji.
Udana próba startu rakiety z silnikiem detonacyjnym to olbrzymi sukces naszego zespołu. Obecnie przodujemy w badaniach nad tą technologią, ale jesteśmy też świadomi tego, że dużo pracy jeszcze przed nami. Zastosowanie dla nowego silnika może być bardzo szerokie, od branży lotniczo-kosmicznej po energetyczną. Naszym celem jest w tym momencie dalsze rozwijanie technologii tego procesu – mówi dr inż. Paweł Stężycki, dyrektor Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa.
Pionierami w badaniach w zakresie wirującej detonacji są Polacy oraz Japończycy. Ci ostatni także przeprowadzili test własnej rakiety z napędem detonacyjnym – próbę przeprowadzono w kosmosie, jednak przy zastosowaniu napędu pomocniczego. Polskie rozwiązanie pozwoliło na całkowicie samodzielny start rakiety.
Możliwości zastosowania procesu wirującej detonacji są bardzo szerokie – od napędu rakiet, poprzez napędy lotnicze, po zastosowania w urządzeniach energetycznych. Komory spalania wykorzystujące proces wirującej detonacji mają kilka istotnych zalet – m.in. prostą i zwartą konstrukcję, dzięki czemu są lekkie i tanie. Nad technologią wykorzystania wirującej detonacji pracują obecnie największe światowe koncerny. Przykładem mogą być Pratt&Whitney oraz General Electric, które na prowadzenie prac związanych z rozwojem napędu detonacyjnego otrzymały łącznie 500 mln USD z laboratorium badawczego lotnictwa amerykańskiego (US Air Force Research Laboratory).
Przewaga nad klasycznymi napędami silników rakietowych
Wykorzystany do napędu silnik był chłodzony oboma składnikami materiału pędnego. Zastosowanie tzw. regeneracyjnego chłodzenia silnika pozwala na odzyskanie z detonacyjnej komory spalania ciepła przekazywanego do ścianek silnika. Ciepło to ogrzewa więc oba czynniki chłodzące silnik – propan i podtlenek azotu – które w podwyższonej temperaturze doprowadzane są do komory detonacyjnej silnika. Dzięki temu tzw. „straty ciepła na chłodzenie” są odzyskiwane i możliwe jest uzyskanie większej sprawności silnika.
Wykorzystanie w komorze silnika procesu wirującej detonacji pozwala na uzyskanie większej sprawności silnika, gdyż w procesie detonacji, w odróżnieniu od klasycznego spalania deflagracyjnego, ciśnienie rośnie (tzw. pressure gain combustion – spalanie powodujące wzrost ciśnienia). Dodatkowo, z uwagi na bardzo dużą gęstość wydzielanej energii, silnik jest znacznie mniejszy, bardziej zwarty, a w efekcie – lżejszy. Wykorzystanie silnika z wirującą detonacją do napędu rakiet umożliwi więc poprawienie efektywności napędu oraz zwiększenie osiągów rakiet napędzanych takimi silnikami w stosunku do rakiet napędzanych klasycznymi silnikami rakietowymi.
Nagranie wideo z testu.
Wirująca detonacja w Polsce
W Polsce od ponad 15 lat, pod kierunkiem prof. Wolańskiego, prowadzone są badania doświadczalne procesu wirującej detonacji, zarówno w aspekcie jej stosowania do silników turbinowych, jak i rakietowych – początkowo tylko w Instytucie Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej, a od 11 lat również w Łukasiewicz – Instytucie Lotnictwa. Szczegółowe zestawienie tych prac znajduje się w monografii profesora Wolańskiego pt. „Research on detonative propulsion in Poland” (Badania napędów detonacyjnych w Polsce), wydanej ostatnio przez Biblioteką Naukową Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa (nr 60).
Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa należy do najnowocześniejszych placówek badawczych w Europie, a jej tradycje sięgają 1926 roku. Instytut ściśle współpracuje ze światowymi potentatami przemysłu lotniczego, takimi jak: GE, Airbus czy Pratt&Whitney, oraz instytucjami z branży kosmicznej, w tym z Europejską Agencją Kosmiczną (ESA). Strategicznymi obszarami badawczymi Instytutu są technologie lotnicze, kosmiczne oraz bezzałogowe. Prowadzone są tutaj także badania i usługi dla przemysłu krajowego i zagranicznego w zakresie technologii materiałowych, kompozytowych, przyrostowych, teledetekcyjnych, energetycznych oraz wydobywczych.
Źródło: Instytut Lotnictwa
Opracowanie: Paweł Z. Grochowalski