Raport ştiinţific final
(2020 - 2022)

1. Prezentare generală a realizării obiectivelor proiectului, cu punerea în evidenţă a rezultatelor şi gradul de realizare a obiectivelor. Prezentarea trebuie să includă explicaţii care să justifice diferenţele (dacă există) dintre activităţile preconizate şi cele realizate.
    Obiectivele proiectului au fost:

• Obiectivul 1: Creşterea frecvenţei de funcţionare a camerei de detonaţie pulsatorie prin exploatarea integrală a modului de operare al supapelor aerodinamice, prin atingerea unui regim de detonaţie auto-susţinut şi demonstrarea experimentală a unui sistem capabil să depăşească performanţele maxime atinse la nivel mondial, în ceea ce priveşte detonaţia amestecurilor de hidrogen şi aer.
  Grad de realizare: 100 %
  Demonstratorul de cameră de detonaţie realizat funcţionează în regim de detonaţie auto-susţinut la frecvenţe între 50 şi 133 Hz, în funcţie de frecvenţa bujiei. La regimul nomical, frecvenţa de funcţionare a camerei de detonaţie pulsatorie este de 100 Hz.
• Obiectivul 2: Îmbunătăţirea aerodinamicii structurii sistemului de unde de şoc din interiorul camerei de detonaţie pulsatorie, astfel încît să se obţină auto-aprinderea;
  Grad de realizare: 25 %
  Optimizarea geometriei camerei de ardere a condus la o îmbunătăţire a structurii sistemului de unde de şoc, intensitatea acestora fiind crescută, aşa cum o arată măsurătorile de presiune realizate la capătul închis al rezonatoarelor. Creşterea intensităţii undelor de şoc s-a dovedit însă insuficientă pentru auto-aprinderea amestecului combustibil. Concluzia cercetărilor derulate în cadrul proiectului este că auto-aprinderea nu poate fi realizată decât în condiţiile preîncălzirii amestecului proaspăt, ceea ce ridică probleme semnificative de siguranţă în timpul campaniilor experimentale. Continuarea cercetărilor în această direcţie necesită reconfigurarea camerei experimentale în scopul reducerii la niveluri acceptabile a riscului de explozie necontrolată, ceea ce necesită investiţii suplimentare în infrastructură.
  Este important de menţionat că nu există menţiuni în literatura de specialitate la nivlel mnodial ale realizării practice a auto-aprinderii în camere de detonaţie pulsatorie.
• Obiectivul 3: Realizarea unei analize numerice şi experimentale detaliate a gazelor arse evacuate din camera de detonaţie pulsatorie în scopul aprofundării cunoştinţelor în domeniul formării oxizilor de azot în condiţii de detonaţie;
  Grad de realizare: 100 %
  Simulările numerice şi măsurătorile experimentale derulate în cadrul proiectului nu au pus în evidenţă cantităţi semnificative de oxizi de azot în gazele de ardere. Deşi temperaturile instantanee în unda de detonaţie depăşesc 2000 ℃, procesul de degajare de căldură este extrem de rapid, de ordinul microsecundelor (fapt confirmat atât de simulările numerice cât şi de vizualizările Schlieren), ceea ce nu dă timp procesului de disociere al moleculelor de azot, semnificativ mai lent, să aibă loc, împiedicând astfel formarea ulterioară a oxizilor de azot.
• Creşterea drastică a rezoluţiei temporale a datelor experimentale obţinute în funcţionarea camerei de detonaţie pulsatorie cu frecvenţă înaltă, prin intermediul măsurătorilor cu rate mari de achiziţie în vederea aprofundării cunoştinţelor şi al optimizării soluţiei;
  Grad de realizare: 100 %
  S-au realizat măsurători experimentale ale presiunii statice cu o rezoluţie temporală de aproximativ 100 µs şi vizualizări Schlieren ale cîmpului curgerii detonante cu o rezoluţie temporală de aproximativ 10 µs.
• Realizarea de analize numerice şi experimentale ale funcţionării camerei de detonaţie pulsatorie la regimuri nenominale;
  Grad de realizare: 100 %
  S-a analizat funcţionarea camerei de detonaţie pulsatorie realizate în proiect la presiuni de alimentare cu aer între 3 şi 8 bari, presiuni de alimentare cu hidrogen între 5 şi 11 bari, şi frecvenţe de aprindere a bujiei între 50 şi 350 Hz.
• Îmbunătăţirea modelării numerice a arderii supersonice a hidrogenului cu scopul eliminării diferenţelor existente în prezent între simulările numerice şi datele experimentale, pe baza expertizei matematice aduse în consorţiu de echipele partenere.
  Grad de realizare: 100 %
  Simulările numerice derulate în cadrul proiectului au fost extinse dincolo de faza de aprindere a combustibil, pe durata întregului ciclu de funcţionare a camerei de detonaţie pulsatorie. Simulările numerice a fost capabile să surprindă închiderea şi deschiderea supapei aerodinamice care controlează admisia combustibilului în camera de preamestecare şi formarea undei de detonaţie la ieşirea din camera de detonaţie, Rezultatele simulărilor numerice se corelează satisfăcător cu observaţiile experimentale realizate prin vizualizări Schlieren la capătul ţevii de evacuare.

2. Prezentarea şi argumentarea nivelului de maturitate tehnologică (TRL) la finalul proiectului.
     Nivelul de maturitate tehnologică atins la finalul proiectului este de 4. Conceptul de cameră de detonaţie pulsatorie propus a fost validat experimental în condiţii de laborator, dovedind o funcţionare stabilă la regimuri de funcţionare definite de o presiune de alimentare cu aer între 3,5 şi 5,5 bari, o presiune de alimentare cu hidrogen de 11 bari, şi frecvenţe de aprindere ale bujiei între 50 şi 350 Hz.

3. Gradul de atingere a rezultatelor estimate (prezentarea produsului/tehnologiei sau a serviciului rezultat al proiectului).
     Rezultatele estimate ale proiectului, prezentate mai jos, au fost îndeplinite în totalitate (grad de atingere de 100 %):

1.1 Definirea soluţiilor candidate (raport).

1.2 Campanie experimentală la scară mică (raport).

1.3 Analiza datelor experimentale la scară mică (raport).

1.4 Definiţia soluţiei optime selectate (raport).

2.1 Proiectarea standului experimental (raport).

2.2 Piesele standului experimental (desene de execuţie).

2.3 Proceduri de achiziţie pentru piesele standului experimental (raport).

2.4 Model demonstrator PDC (model CAD).

2.5 Demonstrator PDC (desene de execuţie).

2.6 Piesele fabricate ale standului experimental (hardware).

2.7 Piesele achiziţionate ale standului experimental (hardware).

2.8 Demonstrator (hardware).

3.1 Program experimental (raport).

3.2 Configurarea şi punerea în funcţiune a standului experimental (raport).

3.3 Date experimentale în punctul de proiectare (raport).

3.4 Date experimentale în afara punctului de proiectare (raport).

3.5 Analiza comparativă a datelor (raport).

4.1 Model de detonaţie (software).

4.2 Simulări numerice în punctul de proiectare (raport).

4.3 Simulări numerice ale regimurilor în afara punctului de proiectare (raport).

4.4 Analiza datelor numerice (raport).

Acestea sunt incluse în memoriile tehnice ale celor trei etape de realizare a proiectului, depuse în Arhiva Tehnică a INCD Turbomotoare COMOTI şi rezumate în Rapoartele Ştiinţifice şi Tehnice ale celor trei etape de realizare a proiectului.

4. Impactul rezultatelor obţinute, cu sublinierea celui mai semnificativ rezultat obţinut.

Principalul rezultat al proiectului, şi anume demonstratorul de cameră de detonaţie de frecvenţă înaltă capabil să opereze stabil într-o gamă extinsă de regimuri de funcţionare, reprezintă o bază solidă pentru obţinerea unui produs vandabil pe piaţa internaţională a sistemelor de propulsie de nouă generaţie în viitor. Sistemul de propulsie bazat pe noua tehnologie demonstrată în acest proiect poate fi utilizat atât în aplicaţii aeronautice, cât şi spaţiale, deschizând noi perspective în aceste domenii. În primul rând, randamentul semnificativ mai mare al ciclului termodinamic cu detonaţie, împreună cu dimensiunile mai mici, care se traduc în greutate mai mică şi rezistenţă la înaintare mai mică vor permite reduceri ale consumului specific de combustibil al noilor sisteme de propulsie.

Pe de altă parte, procesul de ardere se desfăşoară la viteze mult superioare celor care au loc în motoarele clasice, ceea ce permite o creştere a eficienţei şi completitudinii combustiei, având un impact favorabil atât asupra randamentului global al motorului, cât şi asupra emisiilor de noxe. În plus, utilizarea eficientă şi sigură a hidrogenului drept combustibil elimină complet emisiile de oxizi de carbon, gaze cu efect de seră, contribuind la atingerea obiectivelor climatice ale industriei aerospaţiale. Ultilizarea combustiei supersonice reprezintă şi un element care uşurează tranziţia către zborul supersonic şi hipersonic, contribuind la o mobilitate mai mare în transportul aerian de pasageri şi mărfuri şi consituind un pas semnificativ în direcţia realizării unui avion spaţial viabil din punct de vedere economic.

Datorită contribuţiilor aduse dezvoltării şi validării unei noi tehnologii de vârf, proiectul are un impact relevant în ceea ce priveşte capabilităţile României de a se implica în programe de cercetare şi dezvoltare în domeniul aviaţiei şi spaţiului, crescând vizibilitatea şi competitivitatea instituţiilor partenere la nivel european şi internaţional, şi contribuind la progresul ştiinţific şi tehnologic al industriei aerospaţiale.

Diseminarea rezultatelor proiectului poate contribui, de asemenea la creşterea capabilităţilor industriei aerospaţiale româneşti în ansamblu şi poate constitui un exemplu şi o încurajare a sectorului industrial din aceste domenii de a se impica mai mult în activităţi de cercetare şi dezvoltare şi de a se reconecta la circuitul ştiinţific internaţional.

Un alt impact semnificativ al proiectului este reprezentat de dezvoltarea şi validarea infrastructurii de cercetare experimentală utilizată în proiect, care a fost extinsă şi îmbunătăţită cu această ocazie, şi care şi-a demonstrat capabilităţile, infrastructură care poate susţine activităţi viitoare de cercetare şi dezvoltare ale proprietarului (INCD Turbomotoare COMOTI), ale parternerilor din consorţiu, sau ale altor entităţi de cercetare, academice sau economice interesate, facilitând participarea României la programe de cercetare europene precum Horizon Europe sau cele finanţate de Agenţia Spaţială Europeană.

În cele din urmă, proiectul are un impact şi pe plan educativ şi academic, deschizând oportunităţi de colaborare între instituţa coordonatoare şi instituţiile de învăţământ superior partenere, facilitînd transferul de conşţinţe şi aptitudini către noua generaţie de ceretători şi specialişti în domeniu prin dezvoltarea curriculum-ului universitar în programele de licenţă, masterat şi doctorat, crescând atractivitatea acestora, nivelul de competenţă al studenţilor şi apetenţa acestora pentru o carieră în cercetare.

5. Detalii privind exploatarea şi diseminarea rezultatelor proiectului.

Pentru diseminarea rezultatelor proiectului s-au publicat 11 lucrări ştiinţifice, conform tabelului de mai jos.

     De asemenea, la data de 14.10.2022, în cadrul International Conference of Aerospace Systems AEROSPATIAL 2022 a fost organizat la Bucureşti Workshop-ul Propulsion Systems with Detonation, în cadrul căruia au fost prezentate lucrările listate la poziţiile 3 - 7 din Tabelul 2.
     Rezultatele proiectului vor fi exploatate pe următoarele direcţii:

• Continuarea publicării rezultatelor importante încă nepublicate.
  Datorita programului de realizare a proiectului, atât simulările numerice cât şi măsurătorile experimentale au fost obţinute cătret finalul proiectului. Din această cauză, un număr semnificativ de rezultate obşinute în proiect sunt încă nepublicate.
• Continuarea şi aprofundarea cercetărilor în proiecte naţionale şi internaţionale.
  Există deja două proiecte finanţate de Agenţia Spaţială Europeană pentru continuarea cercetărilor pentru propulsoare cu detonaţie pulsatorie funcţionând cu oxigen pur, şi respectiv detonaţie rotativă. Se are în vedere extinderea acestor proiecte şi depunerea unei propuneri de proiect în programul european Horizon Europe. A fost depusă o propunere de proiect pentru programul de cercetare românesc Proiect Experimental Demonstrativ, însă a fost respinsă.
• Contactarea producătorilor industriali de sisteme de propulsie spaţială.
  Datorită faptului că motorul cu detonaţie pulsatorie se pretează, foarte bine aplicaţiilor de propulsie spaţială, prin intermediul Agenţiei Spaţiale Europeane se are în vedere abordarea producătorilor europeni de echipamente spaţiale în vederea producerii unui prototip utilizând materiale şi tehnologii potrivite pentru spaţiu şi, eventual, trercerea la certificarea acestuia.
• Lansarea de teme de cercetare conexe pentru lucrări de licenţă, masterat şi doctorat în domeniul ingineriei aerospaţiale.
  În colaborare cu Facultatea de Inginerie Aerospaţială a Universităţii Politehnica Bucureşti se află deja în lucru teza de doctorat a d-lui ing. Andrei Cojocea, cu o tematică legată de detonaţia pulsatorie. Se mai află în discuţii avansate şi lansarea unei teze de licenţă pe aceeaşi tematică, lucrul urmând să înceapă până la sfârşitul acestui an. Se are în vedere continuarea şi extinderea acestui program, demonstrat a fi capabil să atragă în institut tineri cercetători valoroşi.

6. Prezentarea livrabilelor/indicatorilor obţinuţi la finalul proiectului comparativ cu cei propuşi.