2. Performance analysis and validation of a monopropellant air-detonation ramjet engine

Автори: Stoliarchuk V. V., Tertyshnyk S. V.

Організація: ДП "КБ "Південне" ім. М. К. Янгеля", Дніпро, Україна

Сторінка: Kosm. teh. Raket. vooruž. 2025, (2); 12-23

Мова: Англійська

Анотація: Дедалі більша актуальність альтернативних рушійних систем зумовлює необхідність детального вивчення потенціалу детонаційних двигунів на монопаливі для компактного й ефективного застосування в аерокосмічній техніці. Метою цього дослідження був аналіз параметрів роботи та характеристик ефективності прямоточної повітряної детонаційної установки, яка працює на екологічно безпечному монопаливі. У роботі використано комплекс експериментальних методів і чисельне моделювання з використанням валідації термохімічних моделей. Подано результати серії випробувань з модифікованою геометрією камери за змінних умов температури й тиску на вході, з акцентом на досягнення стабільного фронту детонації та аналіз його параметрів поширення. Детальне порівняння експериментальних даних тиску з чисельними прогнозами показало розбіжність менше ніж 6,5 %, що підтверджує надійність моделі для практичного застосування. Також досліджено вплив довжини камери згоряння та конфігурації інжекторів, виявлено, що геометрична оптимізація відіграє ключову роль у забезпеченні стабільності детонації в різних температурних режимах. Визначено критичні параметри потоку для успішного займання та підтримання детонації без зовнішнього окисника, а також охарактеризовано ефективність двох перспективних за складом видів монопалива, зокрема модифікованого на основі проніту. Отримані результати сприяють оптимізації тепловиділення та приросту тиску в камері, що є важливими для створення легких і енергоефективних двигунів нового покоління. Практична цінність дослідження полягає в можливості використання його результатів для проєктування сучасних аерокосмічних рушійних установок з високою компактністю та екологічною безпекою.

Ключові слова: детонаційне згоряння, стабільність хвилі, експериментальне моделюван- ня, теплова динаміка, геометрична оптимізація

Список використаної літератури:

1. Zhang H., Jiang L., Liu W. D., & Liu S. J. Characteristic of rotating detonation wave in an H2/Air hollow chamber with Laval nozzle. International Journal of Hydrogen Energy. 2021. 46 (24). 13389–13401. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.01.143
2. Xue S., Ying Z., Hu M., & Zhou C. Experimental study on the rotating detonation engine based on a gas mixture. Frontiers in Energy Research. 2023. 11. 1136156. https://doi.org/10.3389/fenrg.2023.1136156
3. Xue S., Ying Z., Ma H., & Zhou C. Experimental investigation on two-phase rotating detonation fueled by kerosene in a hollow directed combustor. Frontiers in Energy Research. 2022. 10, 951177. https://doi.org/10.3389/fenrg.2022.951177
4. Kawalec M., Wolanski P., Perkowski W., & Bilar A. Development of a liquid-propellant rocket powered by a rotating detonation engine. Journal of Propulsion and Power. 2023. 39(4). 554–561. https://doi.org/10.2514/1.B38771
5. Zolotko O. Y., Zolotko O. V., Aksyonov O. S., Stoliarchuk V. V., & Cherniavskyi O. S. Analysis of the characteristics of the ejector regime of the impulse-detonation engine of the combined cycle of acceleration. Aerospace technic and technology. 2024. 6(200). 52–59. https://doi.org/10.32620/aktt.2024.6.05
6. Camacho, R. G., & Huang, C. Componentbased reduced order modelling of twodimensional rotating detonation engine with non-uniform injection. AIAA SCITECH 2025 Forum. https://doi.org/10.2514/6.2025-1397
7. Feng W., Zhang Q., Xiao Q., Meng H., Han X., Cao Q., Huang H., Wu B., Xu H., & Weng C. Eff ects of cavity length on operating characteristics of a ramjet rotating detonation enjine fueled by liquid kerosene. Fuel. 2023. 332. 126129.
https://doi.org/10.1016/j.fuel. 2022.126129
8. Bennewitz J. W., Bigler B. R., Ross M. C., Danczyk S. A., Hargus W. A. Jr. & Smith R. D. Performance of a rotating detonation rocket engine with various convergent nozzles and chamber lengths. Energies. 2021. 14(8). 2037.
https://doi.org/10.3390/en14082037
9. Curran D., Wheatley V. & Smart M. High Mach number operation of accelerator scramjet engine. Journal of Spacecraft and Rockets. 2023 60(3). https://doi.org/10.2514/1.A35511
10. Sun D., Dai Q., Chai W. S., Fang W. & Meng H. Experimental studies on parametric eff ects and reaction mechanisms in electrolytic decomposition and ignition of HAN solutions. ACS Omega. 2022. 7(22). 18521–18530. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c01183
11. Stoliarchuk V. V. Validation of effi ciency enhancement methods for detonation jet engines. Aerospace technic and technology. 2024. 4(1). 82–88. https://doi.org/10.32620/aktt.2024.4sup1.12.
12. Wang J., Liu Y., Huang W., Zhang Y. & Qiu H. Direct numerical simulation of infl ow boundary-layer turbulence eff ects on cavity fl ame stabilisation in a model scramjet combustor. Aerospace Science and Technology. 2025. 165. 110463.
https://doi.org/10.1016/j.ast.2025.110463
13. Li W., Oh H. & Ladeinde F. Comparison of fl amelet and transported species-based modeling of rotating detonation engines. AIAA SCITECH 2024 Forum. https://doi.org/10.2514/6.2024-2599
14. Chen Y., Liu S., Peng H., Zhong S., Zhang H., Yuan X., Fan W. & Liu W. Propagation and heat release characteristics of rotating detonation in a ramjet engine with a divergent combustor. Physics of Fluids, 2025 37(2), 026132.
https://doi.org/10.1063/5.0254419
15. Kailasanath K. Review of propulsion applications of detonation waves. AIAA Journal. 2000. 38(9). 1698–1708. https://doi.org/ 10.2514/2.1156
16. Heiser W. H., & Pratt D. T. Thermodynamic cycle analysis of pulse detonation engines. Journal of Propulsion and Power. 2002. 18(1), 68–76. https://doi.org/10.2514/2.5899
17. Munipalli R., Shankar V., Wilson D. R., Kim H., Lu F. K. & Liston G. Performance assessment of ejector-augmented pulsed detonation rockets. In 39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (Paper 2001–0830). Reno: AIAA.
https://doi.org/10.2514/6.2001-830
18. Lu F. K. & Braun E. M. Rotating detonation wave propulsion: Experimental challenges, modeling, and engine concepts. Journal of Propulsion and Power. 2014. 30(5). 1125–1142. https://doi.org/10.2514/1.B34802
19. Armbruster W. et al. Design and testing of a hydrogen–oxygen pre-detonator for RDEs. CEAS Space Journal. 2025. 17. 969-979. https://doi.org/10.1007/s12567-025-00605-y