Ученые Сколтеха впервые теоретически предсказали эффект синхронизации, своего рода самоупорядочивания, в детонационных волнах. Открытие может помочь обуздать по природе своей хаотичный процесс так, чтобы стабилизировать горение в двигателе с вращающейся детонацией — экспериментальном устройстве, которое могло бы сэкономить значительное количество топлива по сравнению с традиционными ракетными и корабельными двигателями.

Исследование опубликовано в престижном журнале Journal of Fluid Mechanics и признано лучшей теоретической работой года на конференции в Институте химической физики РАН.

Разработкой детонационных двигателей занимаются с целью получить экономию топлива за счет более эффективного режима его горения. При детонации продукты горения распространяются со сверхзвуковой скоростью, что в теории повышает эффективность на 25 процентов.

«В двигателе с вращающейся детонацией цилиндр поменьше расположен внутри цилиндра побольше, в полость между ними периодически впрыскивается горючая смесь, и ее горение происходит в режиме непрерывной детонации: волна круг за кругом огибает малый цилиндр. Но из-за хаотичной природы процесса детонационная волна в общем случае не станет цикл за циклом столь предсказуемо и регулярно себя вести. В частности, скорость распространения волны может довольно сильно и непредсказуемо колебаться во времени, делая двигатель неустойчивым», — объясняет руководитель исследования, доцент Сколтеха Аслан Касимов.

В Сколтехе нашли способ обуздать детонационную волну, упорядочив ее колебания. Для этого ученые впервые теоретически продемонстрировали эффект синхронизации в области детонации. Впервые синхронизацию обнаружил Христиан Гюйгенс в XVII веке. Он наблюдал пару маятниковых часов, которые висят на одной балке и, как выяснилось, из-за этой едва уловимой связи со временем синхронизируют колебания маятников — они начинают двигаться или в фазе, или в противофазе. С тех пор синхронизацию обнаружили не только в механике, но и в самых разных областях химии, медицины, биологии и даже социологии.

«Например, некоторые светлячки мигают с определенной частотой. Когда в одном месте собирается много таких светлячков, то они начинают мигать синхронно за счет весьма слабой связи друг с другом: каждый жук может видеть только ближайших соседей», — рассказывает первый автор работы, аспирант Сколтеха Андрей Голдин, и приводит еще ряд примеров из разных областей.

Так, экспериментально показано, что естественный биоритм каждого человека может иметь периодичность, отличную от 24 часов — это видно, если поместить подопытного в искусственную среду без дня и ночи. Тот факт, что под действием периодического внешнего воздействия (восход, полдень, заход) внутренние ритмы людей и животных подстраиваются под 24-часовой цикл, — это тоже синхронизация.

Кардиостимулятор тоже является подобным периодическим внешним воздействием, которое упорядочивает внутренние колебания сердца — нейтрализует аритмию. С точки зрения синхронизации можно рассмотреть и поворот Луны к Земле всегда одной стороной, и даже зависимость количества жертв серийных убийц от даты. В своей новой работе ученые из Сколтеха впервые продемонстрировали явление синхронизации для детонационной волны.

Природа детонации такова, что детонационная волна даже в идеально однородной среде распространяется «рывками», то есть с переменной скоростью. Это значит, что сама волна является осциллятором, как сердце с аритмией в примере с кардиостимулятором. Причем именно с аритмией, потому что колебания этой волны носят довольно непредсказуемый характер — напомним, именно это мешает работе детонационного двигателя.

«Оказывается, колебания скорости детонационной волны можно упорядочить внешним периодическим воздействием, только это не воздействие в привычном понимании, а закономерные неоднородности среды. Волна распространяется в горючей смеси, которая в случае с двигателем впрыскивается струями в кольцевую полость между двумя цилиндрами. Неоднородность среды в данном случае можно представить себе как череду областей, больше или меньше насыщенных топливом (полоса воздуха, полоса горючего и так далее), — объясняет Касимов. — Так вот, меняя дизайн двигателя, например расстояние между соседними инжекторами, можно менять характерный масштаб неоднородностей среды, с которыми сталкивается детонационная волна».

Как выяснили исследователи, сложные внутренние колебания детонационной волны способны упорядочиваться за счет синхронизации с «колебаниями» (периодической неоднородностью) среды. Если рассмотреть множество характерных масштабов неоднородности среды, то оказывается, что есть целые непрерывные диапазоны этих масштабов, в которых колебания известной детонационной волны регуляризуются, то есть она продолжает распространяться «рывками», но эти рывки становятся весьма предсказуемыми. Из-за особой формы графика совокупность таких диапазонов называют языками Арнольда — в области детонации они описаны впервые.

Открытие синхронизации и языков Арнольда в детонационных волнах закладывает основу для дальнейших исследований, которые в перспективе должны дать ответ на вопрос, какой дизайн двигателя позволит обуздать детонационную волну за счет контроля ее скорости. Пока ученые выполнили расчеты в одном измерении; в двигателе процесс происходит сразу в трех.