Реактивные двигатели 6-го поколения: КВАНТТОР для БПЛА и малой авиации

Скачать PDF презентацию

Аналитическая справка

1. Правительство РФ 28 июня 2023 года утвердило Стратегию развития беспилотной авиации до 2030 года и на перспективу до 2035 года (распоряжение от 21 июня 2023 года № 1630-р).

По данным, приведенным в Стратегии, с 2018 года объем инвестиций в развитие мирового рынка беспилотных авиационных систем (БАС) вырос более чем в девять раз и составил в 2021 году почти $7 млрд, из которых около 75% обеспечили США и Китай, что в первую очередь определяет лидерство компаний из этих стран на рынке. США имеют первенство в сегменте оказания услуг с помощью БАС, в то время как КНР является мировым лидером в сегменте производства самих БАС (более 80% произведенных в мире БАС приходится на эту страну).

По прогнозу, приведенному в Стратегии, мировая индустрия БАС к 2030 году может вырасти в 1,8 раза, достигнув $55,8 млрд. Согласно другой оценке, Global Unmanned Aircraft Systems Market Report, по состоянию на 2022 год мировой рынок БАC оценивался в $22,3 млрд и ожидается, что в 2028 году он достигнет $63,7 млрд, то есть продемонстрирует рост в 2,8 раза.

Планируется, что в течение ближайших шести с половиной лет в России появится новая отрасль, связанная с производством и использованием гражданских БАС, а российский рынок достигнет 1 трлн рублей, то есть вырастет в 20 раз (объем этого рынка в России в 2022 году оценивается всего в 50 млрд рублей).

1. С 1 января этого года в РФ запущен национальный проект «Беспилотные авиационные системы»

Проект, предусматривающий выделение до 2030 года более 696 млрд рублей на развитие отечественной отрасли производства гражданских БПЛА.

Минпромторг России ожидает, что за счет реализации данного нацпроекта к 2030 году объем отечественного рынка беспилотных систем достигнет порядка 180 тыс. аппаратов, а доля отечественных изделий составит не менее 70%.

1. Мишустин заявил о необходимости увеличения выпуска беспилотников в пять раз
   

Премьер-министр Михаил Мишустин провел стратегическую сессию по подготовке национальных проектов на 2025-2030 годы. В ближайшие годы в стране необходимо продолжить создание собственной производственной базы.

В химической промышленности до конца десятилетия должны появиться десятки новых технологических цепочек. В сфере композитных материалов планируется создание свыше 15 производств и 60 продуктов. Также выпуск беспилотников, как напомнил Мишустин, нужно нарастить более чем в пять раз.

Отдельной важной задачей для отечественной гражданской авиации является то, что не менее половины ее парка должны составлять российские самолеты.

27.08.2024
Российская газета - Федеральный выпуск: №191(9433)

1. Путин назвал нацпроект по БПЛА ключом к технологическому суверенитету
   

Нацпроект "Беспилотные авиационные системы" поможет производству отечественных компонентов и материалов для беспилотников, а потому его можно считать ключом к технологическому суверенитету в этой сфере.

Всего за 2023 год в Вооружённые Силы было поставлено порядка 140 тысяч беспилотных аппаратов различных типов. В текущем году выпуск беспилотников планируется увеличить в разы, а если сказать поточнее, практически в 10 раз.

Такую оценку дал президент РФ Владимир Путин на заседании Военно-промышленной комиссии (ВПК) 19.09.2024 по вопросу развития беспилотных авиационных систем специального назначения.

http://kremlin.ru/events/president/news/75145

Интро

с 2000 по 2008 год технология QUANTTOR была многократно проверена в серийно выпускаемых газотурбинных двигателях (ГТД) различной мощности. Применение технологии было реализовано посредством замены стандартной камеры сгорания ГТД на реактор «КВАНТТОР». Реактор «КВАНТТОР» работает практически на любом водородсодержащем топливе, включая все известные виды низкокалорийного топлива (сланцевый газ, биогаз, угольная пыль, мазут, древесный газ), производя на первом этапе высококачественное газообразное топливо для дальнейшего преобразования химической энергии в кинетическую или механическую энергию.

Замена классической камеры сгорания на реактор «КВАНТТОР» позволила достичь сокращения выбросов СО2 более чем на 30% и достичь одних из самых низких уровней выбросов: CO - ноль, CH - ноль, NOx до 2 ppm. На момент проведения промышленных экспериментов, полученные результаты являлись лучшими в мире. Таковыми они остаются и сегодня.

2024 Эволюция и развитие технологии

В настоящее время значительное увеличение эффективности сгорания получено авторами технологии КВАНТТОР в вихревом имплозивном реакторе «КВАНТТОР» (более подробное описание смотри в файле Малоразмерные винтовые имплозивные реактивные двигатели.).

Реактор «КВАНТТОР», благодаря происходящим в нем процессам активации, диссоциации и окисления реагентов (тепловое и расходное воздействие с изменением физических постоянных), по сути, является симбиозом камеры сгорания, теплового сопла и эжектора. Испытания прототипов показали высокий уровень КПД реактора (примерно 0,7) при коэффициенте эжекции к = 6. При коэффициенте эжекции n=6,64, достигнут прирост тяги более 50% (коэффициент увеличения тяги δ≃1,5). Достигнутые показатели объясняется высокоэффективным волновым способом передачи энергии и близки к КПД передачи энергии в системе «турбина-компрессор».

В ГТД имеется свободный кислород для изотермического сжигания дополнительного топлива в реакторе «КВАНТТОР» и за счёт этого есть возможность повысить мощность 1000-киловаттного двигателя до 2500 кВт.

В дальнейшем, благодаря карнотизации цикла (повышение эффективности ГТД на 25-30%), мощность 1000-киловаттного двигателя можно довести до 3000 кВт и выше.

Газотурбинные двигатели (ГТД) 6-го поколения и вклад технологии КВАНТТОР

Газотурбинные двигатели шестого поколения (ГТД 6-го поколения) с применением технологии КВАНТТОР представляют собой передовой уровень в развитии авиационных и энергетических установок.

Использование технологии КВАНТТОР обеспечивает значительное превосходство по множеству показателей:

1. Увеличенная удельная мощность: Прирост мощности в три раза по сравнению с двигателями предыдущих поколений.
2. Сниженный удельный расход топлива: Более чем на 25%, что позволяет значительно повысить топливную эффективность и снизить эксплуатационные расходы.
3. Низкий уровень выбросов: Эмиссия NOx, CO и CH снижена до менее чем 3 ppm, при полном отсутствии сажи, что делает эти двигатели экологически чистыми.
4. Повышенная надежность: В конструкции отсутствуют движущиеся части, что повышает надежность по сравнению с обычными двигателями с движущимися частями. В результате надежность увеличена в два раза, что позволяет значительно продлить ресурс двигателя. Например ресурс авиационного ТРД повышен до уровня ресурса планера.
5. Снижение трудоемкости обслуживания: Трудоемкость обслуживания снижена более чем в 1,5 раза, что упрощает эксплуатацию и снижает затраты на техническое обслуживание.
6. Расширенные возможности рекуперации тепловой энергии: Позволяет эффективно использовать выделяющееся тепло, повышая общую энергетическую эффективность системы​(Дайджест на Русском Яз…)​.

Вклад технологии КВАНТТОР в реализацию ГТД 6-го поколения

ОКБ КВАНТТОР предлагает инновационное решение для создания и оптимизации ГТД 6-го поколения, используя передовую технологию инерционной диффузии активированных частиц. Эта технология включает:

1. Реактор «КВАНТТОР»: Разработанный для объединения всех известных устройств для сжигания и активации топливовоздушных смесей, включая основные, промежуточ- ные и форсажные камеры сгорания. Реактор устанавливается между компрессором и турбиной, где происходит активация топлива и окислителя, их радикализация и начало процесса окисления, достигая оптимальных значений температуры и скорости рабочего тела.
2. Преимущества технологии: Реактор Quanttor обеспечивает минимальные потери давления (менее 2%), высокую устойчивость горения во всем диапазоне нагрузок, многократное сокращение количества деталей и снижение требований к системам контроля и управления. Это достигается за счет высокоэффективного процесса активации, диссоциации и окисления реагентов, что позволяет оптимизировать работу ГТД и значительно повысить их эффективность​ (Дайджест на Русском Языке)​.
3. Реактор «КВАНТТОР» представляет собой симбиоз камеры сгорания, теплового сопла и эжектора, что обеспечивает оптимальные соотношения температуры, давления и скорости рабочего тела в проточной части двигателя. Таким образом, «КВАНТТОР» не только способствует созданию двигателей нового поколения, но и позволяет модернизировать существующие ГТД, переводя их на карнотизированные циклы, что значительно повышает их эффективность и экологическую чистоту ​(Дайджест на Русском Языке)​.

Рынок БПЛА в России

Правительством РФ планируется, что в течение ближайших шести с половиной лет в России появится новая отрасль, связанная с производством и использованием гражданских БАС, а российский рынок достигнет 1 трлн рублей, то есть вырастет в 20 раз (объем этого рынка в России в 2022 году оценивается всего в 50 млрд рублей).

Росавиация сообщает, что на сегодняшний день в России зарегистри- ровано всего лишь 73 беспилотных воздушных судна массой выше свыше 30 кг, а БАС меньшей массы— 84 655.

Существующие технологии двигателей для БПЛА

Достоинства и недостатки каждой технологии

1 Электрические двигатели:

Достоинства: Высокая эффективность, очень низкий уровень шума, низкие затраты на обслуживание, минимальное воздействие на окружающую среду, высокий потенциал автономности.

Недостатки: Низкая мощность и скорость, ограниченная дальность полета и грузоподъемность. Стартап ГК «ТехноСпарк» под названием «Н2 Дроникс» работает над созданием энергетической установки на водородном топливе для дрона самолетного типа. «Эксперт» уже писал о российском конвертоплане компании «Морфинг Технолоджис», летающем на водородных топливных элементах. Энергоемкость обычных АКБ составляет примерно 250 Вт⋅ч/кг, а топливных элементов «Н2 Дроникс» — 700‒800 Вт⋅ч/кг для летательных аппаратов взлетной массой 10‒40 кг. Такие источники тока позволяют увеличить дальность полета до трех раз.

2 Поршневые двигатели:

Достоинства: Низкая стоимость производства, высокая грузоподъ- емность и дальность полета, средние показатели мощности и скорости.

Недостатки: Средний уровень шума и обслуживания, умеренное воздействие на окружающую среду, средний потенциал автономности.

3 Микротурбинные двигатели:

Достоинства: Высокая мощность и эффективность, средне-высокая дальность полета, низкий уровень шума, высокий потенциал автономности.

Недостатки: Высокая стоимость производства и обслуживания, высокое воздействие на окружающую среду, средняя грузоподъемность.

4 Реактивные двигатели:

Достоинства: Очень высокая мощность, скорость, грузоподъемность и дальность полета.

Недостатки: Очень высокая стоимость производства и обслуживания, высокий уровень шума, значительное воздействие на окружающую среду, низкий потенциал автономности.

5 Реактивные двигатели с реактором Quanttor:

Достоинства: Очень высокая мощность, скорость, грузоподъемность и дальность полета. Значительное снижение уровней шума, снижение удельного расхода топлива и выбросов, высокий потенциал автономности. Простая конструкция реактора упрощает общий конструктив двигателя, удешевляет его производство и обслуживание.

Недостатки: Средняя стоимость производства.

Пояснение

Реактор Quanttor внедряет двухэтапный процесс сгорания, который значительно улучшает характеристики двигателя:

Первый этап: Нетермическое разрушение реагентов в сверхзвуковом винтовом тороидальном вихре, преобразование топливно воздушной смеси в атомарный водород и оксид углерода.

Второй этап: Основной процесс сгорания преобразованных продуктов, обеспечивающий высокую эффективность сгорания за счет частых столкновений молекул в ограниченные временные рамки.

Преимущества

• Увеличение удельной тяги: Благодаря технологии Quanttor, удельная тяга двигателя увеличивается почти в три раза, что позволяет БЛА поднимать больший вес и выполнять более сложные задачи.
• Снижение расхода топлива: Уменьшение удельного расхода топлива более чем в 1,5 раза, позволяет дрону летать дольше без необходимости частой дозаправки.
• Экологичность: Выбросы NOx и CO значительно снижаются, соответствуя строгим экологическим стандартам.

Заключение

Технология реактора Quanttor имеет широкий спектр применения в различных областях благодаря своим преимуществам, таким как высокая эффективность, низкий уровень выбросов и возможность использования различных типов топлива и Экстремальная топливная эффективность. Вот основные области применения:

1 Гражданская авиация:

• Дроны для доставки: Увеличенная дальность полета и грузоподъемность позволяют использовать дроны для доставки товаров на большие расстояния.
• Агропромышленный сектор: Использование дронов для мониторинга полей, внесения удобрений и пестицидов.
• Мониторинг инфраструктуры: Осмотр и мониторинг мостов, трубопроводов, линий электропередач и других объектов инфраструктуры.

2 Военные и оборонные приложения:

• Разведывательные миссии: Дроны с технологией Quanttor могут выполнять длительные разведывательные миссии, оставаясь в воздухе дольше без необходимости частой дозаправки.
• Боевые операции: Высокая мощность и грузоподъемность позволяют использовать дроны для доставки вооружения и выполнения атакующих миссий.
• Логистика и снабжение: Использование дронов для транспортировки материалов и оборудования в труднодоступные зоны.

3 Экологический мониторинг и защита окружающей среды:

• Мониторинг загрязнения воздуха и воды: Дроны могут быть оборудованы сенсорами для отслеживания уровня загрязнения и сбора данных для анализа.
• Пожарный контроль: Использование дронов для обнаружения и мониторинга лесных пожаров, а также доставки противопожарных средств.

4 Геодезия и картография:

• Съемка и картографирование: Дроны с реактором Quanttor могут выполнять высокоточные съемки и создавать карты больших территорий благодаря своей высокой дальности полета и устойчивости.

5 Поиск и спасение:

• Поисково-спасательные операции: Использование дронов для поиска людей в труднодоступных или опасных зонах, доставки медикаментов и оборудования.

6 Коммерческие и индустриальные применения:

• Мониторинг и инспекция промышленных объектов: Дроны могут использоваться для осмотра и мониторинга промышленных установок, включая нефтяные и газовые платформы, заводы и т.д.
• Строительство и архитектура: Съемка и мониторинг строительных площадок, создание 3D моделей зданий и территорий.

Технология Quanttor обеспечивает повышение эффективности и снижение эксплуатационных затрат, что делает её привлекательной для широкого круга применения в различных отраслях.

На данный момент разработаны рабочие чертежи Демонстраторов Малоразмерных вихревых имплозивных реактивных двигателей второго (см.рис.1) и третьего поколений.

1. Демонстратор Малоразмерного Вихревого Имплозивного Реактивного Двигателя ВИРД-50 «КВАНТТОР» второго поколения (гиперзвуковой открытый цикл).

Тяга – 50 кгс. Вес менее 5 кг. Себестоимость производства 150 тысяч рублей. Тепловой КПД 15…17% .

1. Демонстратор Малоразмерного Вихревого Имплозивного Реактивного Двигателя ВИРД-120 «КВАНТТОР» третьего поколения (гиперзвуковой полузамкнутый цикл).

Тяга 120 кгс. Вес около 5 кг. Себестоимость производства 175 тысяч рублей. Тепловой КПД 23…25%.

Рис.1 Демонстратор Малоразмерного Вихревого Имплозивного Реактивного Двигателя ВИРД-50 «КВАНТТОР» второго поколения (гиперзвуковой открытый цикл).

Связаться с автором технологии:

• 📩 rakhmailov@quanttor.com
• 📲 +7(951)523-61-47
• 🌐 www.quanttor.com