Настоящее изобретение относится к импульсным детонационным воздушно-реактивным и ракетным двигателям и может быть использовано в качестве двигателя летательных аппаратов, а также в качестве двигателя газореактивного электрогенератора. Импульсный детонационный двигатель содержит камеру сгорания, выполненную в виде полусферического газодинамического резонатора, сопло двигателя, систему подачи и впрыска компонентов топлива, систему инициирования детонационного горения. Дополнительно в камеру сгорания установлена камера-ускоритель с системой крепежных распорок соосно камере сгорания. Передний торец камеры-ускорителя совпадает с центром полусферической тяговой стенки газодинамического резонатора, а задний ее конец непосредственно примыкает к сопловому блоку. Изобретение позволяет сократить преддетонационное расстояние топливно-воздушной или топливной смеси и увеличить удельный импульс тяги двигателя. 1 ил.
Изобретение относится к импульсным детонационным воздушно-реактивным и ракетным двигателям и может быть использовано в качестве двигателя летательных аппаратов, а также в качестве двигателя газореактивного электрогенератора.
К настоящему времени авиационные и жидкостные ракетные двигатели традиционных схем в значительной степени исчерпали возможности существенного улучшения своих удельных параметров. Одним из путей решения проблем создания новых более эффективных двигателей является переход от термодинамического цикла с подводом тепла при постоянном давлении (цикла Брайтона) к циклу с периодически повторяющимся (пульсирующим) детонационным сгоранием топлива, иными словами - к циклу с постоянным объемом. Известно [1-3], что при прочих равных условиях (температуре и степени сжатия) цикл с постоянным объемом имеет более высокий термодинамический коэффициент полезного действия, чем цикл при постоянном давлении.
Пульсирующий процесс в таком двигателе возникает за счет возбуждения высокочастотных автоколебаний в газодинамическом резонаторе (камере сгорании), периодически заполняющейся специально подготовленной топливно-воздушной или топливной смесью, а выделение тепла, усиливающее амплитуду этих колебаний, происходит вследствие детонационного сгорания этой смеси в ударно-волновых структурах, периодически образующихся в газодинамическом резонаторе.
Одним из наиболее существенных недостатков, присущих большинству модельных импульсных детонационных двигателей, являются достаточно высокий уровень энергии инициирования и большие преддетонационные расстояния топливно-воздушной или топливной смеси.
Известна [4] конструкция импульсного детонационного двигателя, в которой указанные недостатки в значительной степени устраняются введением в состав элементов двигателя связки трубок, расположенных в проточной части камеры сгорания.
Указанное техническое решение [4] обеспечивает существенное снижение энергии инициирования и сокращение преддетонационного расстояния топливно-воздушной или топливной смеси. Однако данной конструкции присущ такой недостаток, как относительно низкий удельный импульс тяги двигателя. Связано это с большим количеством трубок в проточной части детонационной камеры сгорания. Отраженные от тяговой стенки газообразные высокотемпературные продукты детонационного сгорания и ударные волны «натыкаются» на большое количество стенок металлических трубок в торцевой части связки. Как результат - потеря скорости истечения, частичное охлаждение продуктов сгорания, повышение вероятности турбулентного движения продуктов, диссипации энергии ударных волн.
Известен [5] импульсный детонационный двигатель, в конструкцию детонационной камеры сгорания которого для сокращения преддетонационного расстояния топливно-воздушной или топливной смеси включена полусферическая тяговая стенка - газодинамический резонатор. Данное техническое решение, являющееся наиболее близким по существу к заявляемому, принято за прототип.
Имея существенные преимущества перед другими конструкциями импульсных детонационных двигателей в плане сокращения преддетонационного расстояния, двигателю-прототипу присущ такой недостаток, как относительно высокое значение энергии инициирования топливно-воздушной или топливной смеси и относительно низкое значение удельного импульса тяги. Связано это с значительными потерями энергии при движении продуктов детонационного сгорания внутри камеры.
Задачей предложенного технического решения является создание эффективного импульсного детонационного двигателя с высокими энергобаллистическими характеристиками.
Технический результат, который может быть получен при его использовании, заключается в том, что существенно повышается удельный импульс тяги двигателя.
Указанный технический результат достигается тем, что в конструкцию известного «пульсирующего двигателя детонационного горения», состоящего из камеры сгорания, выполненной в виде полусферического газодинамического резонатора и сопла двигателя, системы подачи и впрыска горючего и окислителя, системы инициирования детонации топливной смеси, внесено изменение. В камере сгорания двигателя размещена дополнительная камера-ускоритель, представляющая собой трубу круглой, сплющенной или усечено-конической формы, располагаемая в проточной части детонационной камеры сгорания на одной с ней оси вращения, выполненная из того же конструкционного материала, что и сама камера сгорания (жаропрочной стали, титанового сплава), и жестко скрепленная с детонационной камерой сгорания системой крепежных распорок. Передний торец камеры-ускорителя совпадает с центром полусферической тяговой стенки; задний торец непосредственно примыкает к сопловому блоку. При отражении от тяговой стенки высокоэнергетические продукты детонационного сгорания и ударные волны фокусируются в плоскости передней стенки дополнительной камеры-ускорителя; происходит интегрирование их скоростей. Реализуется эффект, близкий к известному в физике высокоскоростных процессов «канальному» эффекту. Как результат - сокращение преддетонационного расстояния топливно-воздушной или топливной смеси и значительное увеличение удельного импульса тяги двигателя.
Заявляемое решение отличается от прототипа наличием новых существенных признаков. В конструкцию импульсного детонационного двигателя установлена дополнительная камера-ускоритель, располагаемая в проточной части камеры сгорания. Это отличие позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «новизна».
В научно-технической литературе не обнаружено решений с такой совокупностью существующих признаков, следовательно, заявляемое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемое устройство содержит стандартные элементы из областей двигателестроения и машиностроения, следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «промышленная значимость».
Схематично конструкция заявляемого импульсного детонационного двигателя показана на чертеже, где 1 - система впрыска горючего и окислителя, 2 - камера-ускоритель, 3 - сопло, 4 - камера сгорания, 5 - система инициирования, 6-полусферический газодинамический резонатор.
Положительный эффект по увеличению удельного импульса тяги предлагаемого устройства подтвержден экспериментально.
Удельный импульс тяги импульсного детонационного двигателя замеряли методом баллистического маятника.
В качестве импульсного детонационного двигателя использована модельная камера, представляющая собой металлическую трубу с полусферическим газодинамическим резонатором.
В качестве топливной смеси использовали стехиометрическую смесь паров керосина ТС-1 с воздухом.
Инициирование взрывчатого превращения производили взрывающейся от электрического разряда алюминиевой проволочкой с энергией инициирования 49-50 Дж.
По экспериментальным данным удельный импульс тяги модельного двигателя без камеры - ускорителя составил ≈7000 Н·с/кг, а с установленной камерой - ускорителем ≈10500 Н·с/кг.
Данный импульсный детонационный двигатель может быть использован в качестве двигателя летательных аппаратов авиационной и ракетно-космической техники, а также в качестве двигателя газореактивного электрогенератора. Представленный импульсный детонационный двигатель решает проблему сокращения предетонационного расстояния топливно-воздушной или топливной смеси и повышения удельного импульса тяги.
Источники информации
1. Нечаев Ю.Н. Термодинамический анализ процесса пульсирующих детонационных двигателей. - М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2002.
2. Илларионов А.А., Нечаев Ю.Н. Оценка термодинамической эффективности и выбор оптимальных параметров ПуДД с наддувом // Проблемы создания перспективных авиационных двигателей: Сб. науч. тр. / Центральный институт авиационных моторов. - М., 2005.
3. Мохов А.А., Луковников А.В. Математическое моделирование расчета параметров силовых установок с пульсирующими детонационными двигателями в системе «Летательный аппарат - силовая установка» // Актуальные проблемы российской космонавтики: Тр. XXXI акад. чтений по космонавтике. Москва, январь-февраль 2007 г. / Под. общ. ред. А.К. Медведевой. - М.: Комиссия РАН.
4. Патент РФ №2282044, 22.11.2004 г.
5. Фудживара Т. Исследования импульсных детонационных двигателей в Японии / Импульсные детонационные двигатели/ Под ред. д.ф. - м.н. Фролова С.М. - М.: ТОРУС ПРЕСС, 2006.
Импульсный детонационный двигатель, включающий камеру сгорания, выполненную в виде полусферического газодинамического резонатора, сопло двигателя, систему подачи и впрыска компонентов топлива, систему инициирования детонационного горения, отличающийся тем, что дополнительно в камеру сгорания установлена камера-ускоритель с системой крепежных распорок соосно камере сгорания, причем передний торец камеры-ускорителя совпадает с центром полусферической тяговой стенки газодинамического резонатора, а задний ее конец непосредственно примыкает к сопловому блоку.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Импульсный двигатель содержит корпус с компрессорной камерой и рабочей, установленными под углом 180 градусов относительно друг друга. В корпусе во внутренней полости в центре имеется выступ с центральным отверстием меньшего диаметра. Во внутренней полости центрального выступа по свободной посадке установлен ротор. Ротор имеет минимальное число ступенчатых пазов - четыре и больше, соответственно установленные в них по свободной посадке лопасти. Компрессорная камера, связанная постоянно с впускным окном, и рабочая камера, постоянно сообщающаяся с выпускным окном, расположены во внутренней полости центрального выступа в корпусе согласно рабочему циклу независимо друг от друга по объему. Выступ закрыт с двух сторон крышками. Лопасти выполнены спаренными ступенчатыми и имеют с рабочего торца полуокружность. Компрессорная камера и рабочая камера разделены двумя равными участками меньшего диаметра, длина дуг которых равна длине дуги между двумя ступенчатыми спаренными лопастями по наружному диаметру ротора. Ротор имеет между каждыми двумя спаренными лопастями камеру сжатия с вспомогательным каналом. Техническим результатом является повышение мощности двигателя. 6 ил.
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, предназначенным для преобразования тепловой энергии в механическую работу, и может найти широкое применение в транспортных средствах всех марок, работающих на бензине, дизельном топливе и природном газе.
Известные двигатели внутреннего сгорания, предназначенные для вышеуказанных целей, описаны в патентах US 5758617 А от 1998 года, US 5888058 А от 1999 года, DE 3119229 А1 от 1982 года, DE 4436196 А1 от 1995 года, RU 2023887 С1 от 1994 года и GB 2156437 А от 1985 года и других. Близким по своей технической сущности является двигатель внутреннего сгорания, патент US 4638776 A, F02B 53/04 от 1987 года, содержащий корпус с компрессорной и рабочей камерой, установленные под углом 180 градусов относительно друг друга, разделенные перегородкой и закрытые боковыми крышками, в которых установлены по свободной посадке компрессорный и рабочий роторы различной ширины, содержащие пазы, в которых по свободной посадке установлены лопасти, при этом компрессорный и рабочий роторы жестко связаны с валом отбора мощности, а малые камеры сжатия компрессорного ротора сообщаются согласно рабочему циклу с рабочими камерами сжатия рабочего ротора.
Недостатками вышеуказанного двигателя внутреннего сгорания являются: сложный по устройству, плохое охлаждение в целом, большие габариты и вес, большие потери чистого воздуха, потеря тепла при сжатии из-за перепускного окна в перегородке, недостаточная мощность в целом.
Ближайшим аналогом изобретения является импульсный двигатель, содержащий корпус с компрессорной камерой и рабочей, установленными под углом 180 градусов относительно друг от друга, в корпусе во внутренней полости в центре имеется выступ с центральным отверстием меньшего диаметра, во внутренней полости центрального выступа по свободной посадке установлен ротор, имеющий минимальное число ступенчатых пазов - четыре и больше, соответственно установленные в них по свободной посадке лопасти, компрессорная камера, связанная постоянно с впускным окном, и рабочая камера, постоянно сообщающаяся с выпускным окном, расположены во внутренней полости центрального выступа в корпусе согласно рабочему циклу независимо друг от друга по объему (см. патент US 5758617 A, F02B 53/00, 1998).
Технической задачей настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков. Поставленная цель достигается тем, что по свободной посадке во внутренней полости корпуса неподвижно установлено распределительное кольцо, закрытое с двух сторон крышками, имеющими в центральной части неподвижные кулачки, кинематически связанные со штангами, компенсационными пружинами и ступенчатыми лопастями, где во внутренней полости распределительного кольца по свободной посадке установлен ротор, имеющий минимальное число ступенчатых пазов - четыре и больше, соответственно установленные в них по свободной посадке ступенчатые лопасти, имеющие с рабочего торца полуокружность, а во внутренней полости распределительного кольца согласно рабочему циклу расположены независимые друг от друга по объему компрессорная камера, связанная постоянно с впускным окном, рабочая камера, постоянно сообщающаяся с выпускным окном, разделенные двумя равными участками меньшего диаметра, длина дуг которых равна длине дуги между двумя ступенчатыми лопастями по наружному диаметру ротора, имеющего между каждыми двумя лопастями камеру сжатия с вспомогательным каналом.
Такая компоновка импульсного двигателя внутреннего сгорания обеспечивает резкое упрощение конструкции в целом, резко улучшает охлаждение боковых крышек и распределительного кольца, существенно снижаются вес и габариты, а также повышается мощность за счет нового цикла работы двигателя, где за один оборот вала отбора мощности можно делать от четырех ходов и больше.
Таким образом импульсный двигатель, содержащий корпус с компрессорной камерой и рабочей, установленными под углом 180 градусов относительно друг от друга, в корпусе во внутренней полости в центре имеется выступ с центральным отверстием меньшего диаметра, во внутренней полости центрального выступа по свободной посадке установлен ротор, имеющий минимальное число ступенчатых пазов - четыре и больше, соответственно установленные в них по свободной посадке лопасти, компрессорная камера, связанная постоянно с впускным окном, и рабочая камера, постоянно сообщающаяся с выпускным окном, расположены во внутренней полости центрального выступа в корпусе согласно рабочему циклу независимо друг от друга по объему, отличается тем, что выступ закрыт с двух сторон крышками, лопасти выполнены спаренными ступенчатыми и имеют с рабочего торца полуокружность, компрессорная камера и рабочая камера разделены двумя равными участками меньшего диаметра, длина дуг которых равна длине дуги между двумя ступенчатыми спаренными лопастями по наружному диаметру ротора, имеющего между каждыми двумя спаренными лопастями камеру сжатия с вспомогательным каналом.
Устройство импульсного двигателя внутреннего сгорания смотрите на фиг.1; 2; 3; 4; 5 и 6.
На чертежах представлены:
Фиг.1 - продольный разрез импульсного двигателя,
Фиг.2 - поперечный разрез А-А импульсного двигателя,
Фиг.3 - вид сбоку рабочего ротора со ступенчатыми пазами и ступенчатыми лопастями с боковым уплотнением по принципу поршневых колец,
Фиг.4 - разрез В-В пазов ротора со специальным боковым уплотнением,
Фиг.5 - продольный разрез ступенчатой лопасти,
Фиг.6 - вид сверху с радиусом ступенчатой лопасти.
Импульсный двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих основных частей, корпуса - 1 цилиндрической формы, где с передней и задней стороны в центральной внутренней полости по свободной посадке установлены боковые крышки - 2 тоже цилиндрической формы, упирающиеся в центральный выступ, где во внутренней поверхности имеются свободные рабочие компрессорная камера - 3, связанная постоянно с впускным окном - 4, и рабочая камера - 5, связанная с выпускным окном - 6. Внутренняя поверхность центрального выступа корпуса - 1 всегда разделена на четыре равных сектора, где два их них являются компрессорной камерой - 3 и рабочей камерой - 5, разделенные двумя равными участками меньшего диаметра, длина дуг которых равна длине дуги между двумя ступенчатыми лопастями - 7. Передние торцы крышек - 2 уплотняются кольцами - 8, а наружный диаметр крышек - 2 сцентрирован с внутренним диаметром корпуса - 1, и уплотняются кольцами - 9. Между центральным выступом корпуса - 1 и малыми диаметрами крышек - 2 образуется герметичное свободное пространство - 10, сообщающееся между собой окнами - 11, а расточки - 12 в боковых крышках - 2 улучшают общий отвод тепла. Крышки - 2 крепятся к корпусу - 1 с помощью болтов - 13. Внутри центрального малого диаметра корпуса - 1 по свободной посадке размещен ротор - 14. Ротор - 14 равномерно по окружности имеет четыре сдвоенных ступенчатых паза, где по свободной посадке размещены в каждому пазу по две рабочих ступенчатых лопасти - 7. Количество рабочих пазов - четное число и нечетное, но не меньше четырех и больше. Ступенчатые лопасти - 7 с рабочего торца имеют закругления радиусом, равным половине толщины самой лопасти - 7, а толщина отдельной ступени должна быть равна половине общей толщины, что при работе обеспечит полное уравновешивание с двух торцов давление рабочих газов и рабочий торец будет мало изнашиваться. На рабочие лопасти будет действовать сила прижима. Только инерция и легкое усилие пружин - 15 с толкателями - 16. В промежутках между лопастями - 7 по наружному диаметру ротора - 14 выполнены вспомогательные каналы - 17 малого поперечного сечения, соединенные с камерами - 18 сжатия. Ротор - 14 установлен неподвижно на валу - 19 отбора мощности с помощью шпонки - 20. В верхней части корпуса сделано окно - 21 для установки свечи зажигания. Вал - 19 отбора мощности установлен неподвижно во внутренних обоймах подшипников - 22, размещенных в центральных гнездах крышек - 2. Подшипники - 22 закрыты крышками - 23. Выходные концы вала - 19 отбора мощности уплотняются манжетами - 24, а крышки - 23 крепятся болтами - 25, уплотняются прокладками - 26. С двух боковых сторон у каждой ступенчатой лопасти - 7 имеются разгрузочные пазы - 27, что обеспечивает свободное перемещение последних.
Таким образом, устроен импульсный двигатель внутреннего сгорания. Высота ступени - 28 должна быть равна половине общей толщины - 29. Боковое уплотнение ротора - 14 с двух сторон, смотрите фиг.4, производится с помощью прямоугольной шпонки - 30, подпружиненной волновой пластинчатой пружиной - 31. Уплотнение с боков лопастей - 7 производится шпонками фигурными - 32 таким же способом. Данное уплотнение обеспечит надежное уплотнение и долговечность работы при нормальной смазке или хорошем подборе материала.
Работа импульсного двигателя внутреннего сгорания происходит следующим образом, смотрите фиг.1; 2; 3; 4; 5 и 6.
При вращении вала - 19 отбора мощности вправо по стрелке и когда спаренные ступенчатые лопасти - 7 будут утоплены в ступенчатых пазах ротора - 14, то в данный момент времени компрессорная камера - 3 полностью наполнена горючей смесью, а вспомогательный канал - 17 в данный момент времени совместно с камерой - 18 сжатия тоже заполнены горючей смесью под давлением и соединены с окном - 21, где установлена свеча зажигания, зажигающая в данный момент рабочую, горючую смесь. В результате в камере - 18 сжатия создается высокое давление. При дальнейшем вращении вала - 19 отбора мощности передние две спаренные лопасти - 7 совмещаются с рабочей камерой - 5, выдвигаясь из ступенчатого паза ротора - 14, и давление сразу начинает давить на передние две спаренные лопасти - 7, а задние спаренные две лопасти находятся в данный момент полностью в утопленном положении и не оказывают обратного сопротивления, что обеспечивает поворот вала - 19 на 90 градусов. При дальнейшем вращении вала - 19 отбора мощности в передней зоне сдвоенных лопастей - 7 из рабочей камеры - 5 вытесняются отработавшие рабочие газы в выпускное окно - 6, под действием разрежения всасывается рабочая смесь в компрессорную камеру - 3 и одновременно происходит сжатие рабочей смеси в вспомогательном канале - 17 и в камере - 18 сжатия. При дальнейшем вращении вала - 19 отбора мощности, когда очередная пара сдвоенных, ступенчатых лопастей - 7 будут полностью утоплены, а камера - 18 совместится с окном - 21 со свечой, снова происходит рабочий ход, длящийся поворотом вала - 19 на 90 градусов. В импульсном двигателе за один оборот вала - 19 происходят четыре рабочих хода, потому что одновременно происходят все четыре рабочих такта, впуск, выпуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Вот так работает новый импульсный двигатель на бензиновой рабочей смеси, а чтобы двигатель работал на дизельном топливе, необходимо вместо свечи зажигания установить форсунку, топливный насос и систему распределения, как и на бензиновой смеси.
Для нормальной работы необходимо в бензин заливать масло 10…15% на литр, установив опытным путем. Коренные опоры можно смазывать практически любой смазкой.
Импульсный двигатель, содержащий корпус с компрессорной камерой и рабочей, установленными под углом 180° относительно друг друга, в корпусе во внутренней полости в центре имеется выступ с центральным отверстием меньшего диаметра, во внутренней полости центрального выступа по свободной посадке установлен ротор, имеющий минимальное число ступенчатых пазов - четыре и больше, соответственно установленные в них по свободной посадке лопасти, компрессорная камера, связанная постоянно с впускным окном, и рабочая камера, постоянно сообщающаяся с выпускным окном, расположены во внутренней полости центрального выступа в корпусе согласно рабочего цикла независимо друг от друга по объему, отличающийся тем, что выступ закрыт с двух сторон крышками, лопасти выполнены спаренными ступенчатыми и имеют с рабочего торца полуокружность, компрессорная камера и рабочая камера разделены двумя равными участками меньшего диаметра, длина дуг которых равна длине дуги между двумя ступенчатыми спаренными лопастями по наружному диаметру ротора, имеющего между каждыми двумя спаренными лопастями камеру сжатия с вспомогательным каналом.
www.findpatent.ru
Импульсный детонационный ракетный двигатель содержит камеру сгорания, вход которой служит для порционного ввода детонационного топлива, систему импульсного зажигания и устройство запирания выхода камеры сгорания в момент заполнения ее порцией детонационного топлива и тяговое осесимметричное сопло и устройство запирания. Тяговое осесимметричное сопло установлено на выходе камеры сгорания и содержит канал в виде сопла Лаваля, сужающийся и быстро расширяющийся в направлении истечения продуктов детонации. Устройство запирания выполнено в виде роторного клапана, расположенного в критическом сечении сопла и выполненного в виде приводного цилиндрического тела с осью вращения, проходящей через критическое сечение тягового сопла и перпендикулярно его оси. В направлении оси сопла в цилиндрическом теле выполнен сквозной канал, внутренний профиль которого совпадает с контуром тягового сопла на длине поперечного размера цилиндрического тела. Ось вращения цилиндрического тела и ось тягового сопла лежат в одной плоскости. Двигатель также содержит лазерную систему импульсного зажигания лазерной искрой, возбуждаемой в камере сгорания, командный датчик синхронной подачи импульса зажигания и запирания выхода камеры сгорания роторным клапаном, один выход которого соединен с лазерной системой, а другой связан с приводом роторного клапана. Изобретение позволяет увеличить стабильность работы двигателя, расширить диапазон его рабочих режимов, уменьшить вибрационные нагрузи. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, а точнее к импульсному детонационному ракетному двигателю.
Известны импульсные реактивные двигатели для создания управляющих моментов небольшой длительности (Реактивные системы управления космических летательных аппаратов. / Н.М.Беляев, Н.П.Белик, Е.И.Уваров. - М., Машиностроение, 1979 - 232 с.). Эти устройства (Фиг.1) включают камеру сгорания в виде детонационной трубы, импульсное воспламенительное устройство топливной смеси, размещенное в камере сгорания, газодинамическое осесимметричное тяговое сопло для создания направленного импульса тяги, расположенное на выходе камеры сгорания.
Известно что увеличение эффективности рабочего процесса в указанных двигателях может быть достигнуто путем перехода от дефлаграционного режима горения к детонационному режиму, когда тепловые процессы в камере сгорания проистекают взрывным образом.
При этом энергия, выделяющаяся при детонационном горении, будет больше, чем при дефлаграционном горении за счет более высокой температуры образующихся продуктов сгорания по сравнению с обычным дефлаграционным горением. (См., например, Фролов С.М. Перспективы использования детонационного сжигания топлива в энергетике и на транспорте. // Тяжелое машиностроение. - 2003. №9 - С.18.)
Тяга в импульсных детонационных двигателях (см. Фиг.1) создается в результате воздействия продуктов сгорания на торцевую стенку высоким давлением за детонационной волной, которая может опосредованно инициироваться объемным микровзрывом в камере сгорания, заполненной горючей смесью.
Известны пульсирующие детонационные двигатели двух типов: воздушно-реактивные с потреблением атмосферного кислорода (импульсные детонационные воздушно-реактивные двигатели) и ракетные (импульсные детонационные ракетные двигатели). Режим работы микродвигателей в системе стабилизации и ориентации характеризуется временем одиночного импульса создания тяги и частотой следования импульсов включения двигателя, которая может составлять от одного импульса в секунду до одного импульса за несколько минут или часов. Для эффективной работы импульсного детонационного ракетного двигателя необходимо обеспечить высокую частоту повторения инициирования детонационной волны (порядка 100-200 Гц). При использовании импульсного детонационного ракетного двигателя в системе ориентации система управления должна обеспечивать условия периодического, кратковременного запирания тракта двигателя от внешней среды в момент наполнения свежей горючей смесью камеры сгорания после прохождения детонационной волны.
Известен импульсный детонационный двигатель (Патент США №6,505,462 опубл. 2003 г.) с роторным клапаном, расположенным в детонационной трубе между компрессором и камерой сгорания. В качестве источника воспламенения в камере сгорания используется свеча зажигания. Клапан имеет вращаемый сердечник, который полностью перекрывает сечение детонационной трубы.
Поступление топлива в камеру сгорания осуществляется по отдельным каналам в сердечнике клапана. При вращении сердечника клапана относительно оси трубы и совпадении каналов сердечника с дренажными отверстиями в торцевой стенке камеры топливная смесь периодически, порционно поступает в камеру сгорания через дренажные отверстия в виде отдельных не перемешанных между собой струй топливной смеси по всему сечению детонационной трубы, что создает неравномерность распределения топливной смеси по объему камеры сгорания, препятствует эффективной детонации и уменьшает тяговый импульс двигателя.
Кроме того, данный известный детонационный двигатель является импульсным детонационным воздушно-реактивным двигателем с потреблением атмосферного кислорода. Наиболее близким техническим решением является импульсный детонационный ракетный двигатель (Патент РФ №2026502, опубл. 09.01.1995 г.), содержащий камеру сгорания, в которую порционно с помощью пневмоклапанов и рычагов возвратно-поступательного движения подают компоненты топливной смеси, а выхлопной канал на выходе камеры в момент ее заполнения топливом и поджига от свечи зажигания герметично перекрывают гибкой лентой с помощью поперечной прижимной планки к выхлопному каналу камеры сгорания при обеспечении герметичного поступательного перемещения ленты по прижимной планке с помощью барабанов и пружин различной жесткости.
Недостатком данного устройства является использование в процессе работы двигателя расходного материала в виде гибкой ленты, перемещаемой по прижимной планке. В результате работы двигателя в детонационном режиме лента разрушается и требует периодической замены в процессе эксплуатации, что приводит к общей неравномерности работы двигателя и ухудшает экономические и эксплуатационные характеристики всей реактивной системы ориентации и управления в целом. Кроме того, применение в системах управления рабочим процессом двигателя механизмов, основанных на возвратно-поступательном движении рычагов и штоков, сопровождается повышенной вибрацией всей конструкции двигателя, что вызывает в свою очередь преждевременную изнашиваемость отдельных узлов и нестабильность работы детонационного двигателя в целом. Работа импульсных клапанов вызывает повышенный уровень вибраций, особенно в основных газопроводных магистралях с наибольшим проходным сечением.
В основу изобретения положена задача повышения эксплуатационных характеристик импульсного детонационного ракетного двигателя.
Техническим результатом является повышение стабильности работы и расширение диапазона рабочих режимов работы двигателя.
Другим техническим результатом является уменьшение вибрационных нагрузок и повышение стабильности работы импульсного детонационного ракетного двигателя за счет минимизации количества импульсных клапанов.
Поставленная задача решается тем, что импульсный детонационный ракетный двигатель, содержащий камеру сгорания, вход которой служит для порционного ввода горючей смеси, систему импульсного зажигания и устройство запирания выхода камеры сгорания в момент заполнения ее порцией горючей смеси, согласно изобретению дополнительно содержит тяговое осесимметричное сопло, установленное на выходе камеры сгорания и содержащее канал в виде сопла Лаваля, сужающийся и быстро расширяющийся в направлении истечения продуктов детонации, и устройство запирания в виде роторного клапана, причем клапан расположен в критическом сечении сопла и выполнен в виде приводного цилиндрического тела с осью вращения, проходящей через критическое сечение тягового сопла и перпендикулярно его оси, а в направлении оси сопла в цилиндрическом теле выполнен сквозной канал, внутренний профиль которого совпадает с контуром тягового сопла на длине поперечного размера цилиндрического тела, причем ось вращения цилиндрического тела и ось тягового сопла лежат в одной плоскости, и лазерную систему импульсного зажигания лазерной искрой, возбуждаемой в камере сгорания, командный датчик синхронной подачи импульса зажигания и запирания выхода камеры сгорания роторным клапаном, один выход которого соединен с лазерной системой, а другой связан с приводом роторного клапана.
Лазерная система импульсного зажигания должна содержать лазер, связанный с линзой, установленной в стенке камеры сгорания, и блок импульсного включения лазера, вход которого связан с командным датчиком, а выход соединен с лазером.
Привод цилиндрического тела роторного клапана может быть выполнен в виде ременной или червячной передачи.
Целесообразно чтобы импульсный детонационный ракетный двигатель был бы снабжен емкостью с предварительно перемешанной рабочей смесью детонационного топлива, выход которой через обратный клапан был соединен трубопроводом с входом в камеру сгорания.
Суть изобретения основана на организации циклической или периодической детонации смесей горючего с окислителем. Известно, - Г.Н.Абрамович. Прикладная газовая динамика. Из-во «Наука» М., 1976, 888 с.-, что направленный импульс тяги эффективно можно реализовать с помощью струи, истекающей через сопловое устройство типа сопла Лаваля, которое содержит дозвуковую часть, представляющую сужающийся канал в направлении течения, и сверхзвуковую часть - быстро расширяющийся канал, например, конической формы, от некоторого минимального сечения, которое называется критическим сечением.
Сопло со стороны дозвуковой части имеет неподвижную глухую заднюю стенку, взаимодействие с которой струи сопла создает тягу и соответствующий импульс. Задняя стенка является одновременно элементом конструкции камеры сгорания двигателя.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и фиг.1 и фиг.2, где представлена принципиальная схема импульсного детонационного ракетного двигателя, согласно изобретению, с роторным клапаном в открытом положении (фиг.1) и дополнительно показан тот же роторный клапан в закрытом положении (фиг.2).
Импульсный детонационный ракетный двигатель, согласно изобретению, содержит емкость 17 с предварительно перемешанной рабочей горючей смесью топлива, камеру сгорания 2 с задней стенкой 1, соединенную трубопроводом 19 с емкостью 17 через обратный клапан 18 одностороннего движения топливной смеси в камеру сгорания 2. Импульсный детонационный ракетный двигатель содержит также тяговое осесимметричное сопло 12, установленное на выходе камеры сгорания и содержащее канал в виде сопла Лаваля 12 (сужающийся 10 и быстро расширяющийся канал 11 в направлении истечения продуктов детонации) и устройство запирания в виде роторного клапана 9, причем клапан расположен в критическом сечении сопла 12 и выполнен с возможностью переключения расхода продуктов детонации через тяговое сопло. Для переключения роторный клапан 9 снабжен шкивом 13.
Кроме того, импульсный детонационный ракетный двигатель, согласно изобретению, содержит лазерную систему зажигания топливной смеси с лазерной искрой 3, возбуждаемой в камере сгорания 2. Применение лазерной искры позволяет наиболее эффективно возбуждать детонацию в камере двигателя за счет более высокой мощности излучения в лазерной искре по сравнению с действием традиционной свечи зажигания. Искровая лазерная система зажигания включает лазер, в частности твердотельный импульсно-периодический лазер Nd-Yag, например, компании Quantronics. Детонация горючей смеси в компактной камере сгорания может быть осуществима в метановоздушных горючих смесях с помощью современной лазерной техники, проверенной экспериментально (см., например, Тrаn X.PHUOC and FREDRICK P.WHITE. Laser-Induced Spark Ignition of Ch5/Air Mixtures. // Combustion and Flame. November 1999, volume 119, Number 3). Лазер 5 связан с фокусирующей линзой 6, размещенной в боковой стенке камеры сгорания 2, блок 4 импульсного включения лазера соединен с лазером 5, командный датчик 19 соединен с электродвигателем 14 и с блоком 4 для включения лазера синхронно с угловым положением привода роторного клапана 9 при его вращении шаговым электродвигателем 14. Роторный клапан выполнен в виде цилиндрического тела 9 с осью вращения 16, проходящей через критическое сечение тягового сопла 12 и перпендикулярно его оси 20, при этом в направлении оси сопла в цилиндрическом теле выполнен сквозной канал 21, внутренний профиль которого совпадает с контуром тягового сопла на длине поперечного размера цилиндрического тела, причем ось вращения цилиндрического тела и ось тягового сопла лежат в одной плоскости. Привод вращения цилиндрического тела 9 связан с командным датчиком 15 углового поворота роторного переключателя и синхронизован со временем включения импульсного лазера 5 блоком 4.
На фиг.1 сквозной канал 21 совпадает с контуром тягового сопла и сопло открыто; в положении фиг.2 тяговое сопло закрыто.
Импульсный детонационный ракетный двигатель согласно изобретению работает следующим образом. Рассмотрим в начале принцип работы двигателя в режиме одиночных импульсов. После прохождения детонационной волны и выброса продуктов сгорания через тяговое сопло создается единичный импульс тяги. После выброса продуктов сгорания роторный переключатель 9 приводится в закрытое положение, тяговое сопло запирается. Так как после прохождения детонационной волны сжатия следует волна разрежения, в камере сгорания создается разрежение, и свежая порция топливной смеси из емкости 17 по трубопроводу 19 через клапан 18 поступает в камеру сгорания 2, заполняя ее. Далее следует импульс включения лазера, возникает лазерная искра, которая инициирует детонационное сжигание очередной порции топливной смеси в камере сгорания. С помощью командного датчика 15 открывается роторный переключатель. Возникающая детонационная волна выбрасывает продукты горения, через тяговое сопло, создавая второй единичный импульс. Далее процесс может возобновляться периодически в автоматическом режиме с периодом, равным времени между положениями роторного переключателя «открыто» - «закрыто».
Предлагаемое устройство позволяет переходить в многочастотный режим, когда частота следования одиночных импульсов может быть сделана довольно большой и определяться в основном скоростью заполнения камеры сгорания и частотой работы импульсного лазера. В этом случае роторное устройство необходимо установить в положение «открыто», а работу лазера перевести в режим непрерывной импульсной модуляции с частотой следования импульсов порядка 100-200 Гц. При этом алгоритм детонационного процесса, как нетрудно понять, остается аналогичным описанному выше.
Изобретение может быть использовано при конструировании реактивных систем летательных аппаратов, включая космические.
1. Импульсный детонационный ракетный двигатель, содержащий камеру сгорания, вход которой служит для порционного ввода детонационного топлива, систему импульсного зажигания и устройство запирания выхода камеры сгорания в момент заполнения ее порцией детонационного топлива, отличающийся тем, что дополнительно содержит тяговое осесимметричное сопло, установленное на выходе камеры сгорания и содержащее канал в виде сопла Лаваля, сужающийся и быстро расширяющийся в направлении истечения продуктов детонации, и устройство запирания в виде роторного клапана, причем клапан расположен в критическом сечении сопла и выполнен в виде приводного цилиндрического тела с осью вращения, проходящей через критическое сечение тягового сопла и перпендикулярно его оси, а в направлении оси сопла в цилиндрическом теле выполнен сквозной канал, внутренний профиль которого совпадает с контуром тягового сопла на длине поперечного размера цилиндрического тела, причем ось вращения цилиндрического тела и ось тягового сопла лежат в одной плоскости, и лазерную систему импульсного зажигания лазерной искрой, возбуждаемой в камере сгорания, командный датчик синхронной подачи импульса зажигания и запирания выхода камеры сгорания, роторным клапаном, один выход которого соединен с лазерной системой, а другой связан с приводом роторного клапана.
2. Импульсный детонационный ракетный двигатель по п.1, отличающийся тем, что лазерная система импульсного зажигания содержит лазер, связанный с линзой, установленной в стенке камеры сгорания, и блок импульсного включения лазера, вход которого связан с командным датчиком, а выход соединен с лазером.
3. Импульсный детонационный ракетный двигатель по п.1, отличающийся тем, что привод цилиндрического тела роторного клапана выполнен в виде ременной или червячной передачи.
4. Импульсный детонационный ракетный двигатель по п.1, отличающийся тем, что снабжен емкостью с предварительно перемешанной рабочей горючей смесью топлива, выход которой через обратный клапан соединен трубопроводом с входом камеры сгорания.
www.findpatent.ru
pulsed thruster
Русско-английский авиационный словарь. 2013.
Импульсный двигатель — Эта статья об объекте вымышленного мира описывает его только на основе самого художественного произведения. Статья, состоящая только из информации на базе самого произведения, может быть удалена. Вы можете помочь проекту … Википедия
Импульсный детонационный двигатель — Экспериментальный импульсный детонационный двигатель, работающий с частотой повторения импульсов в 35 Гц. Использует водяное охлаждение. Импульсный детонационный двигатель (Пульсирующий детонационный двигатель, англ. … Википедия
ИМПУЛЬСНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — РДработающий в импульсном режиме (периодически включается на заданное короткое время) в результате периодич. впрыска топлива (в ЖРД), периодич. нагрева рабочего тела для его сублимации (в электрич. РД) и т. п. Осн. двигатель для ориентации и… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Двигатель асинхронный — Асинхронная машина это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора. Асинхронные машины наиболее распространённые электрические… … Википедия
Ядерный ракетный двигатель — (ЯРД) разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги. Бывают реактивными (нагрев рабочего тела в ядерном реакторе и вывод газа через сопло) и импульсными (ядерные взрывы… … Википедия
Ядерный реактивный двигатель — Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги. Бывают собственно реактивными (нагрев рабочего тела в ядерном реакторе и вывод газа через… … Википедия
жидкостный ракетный двигатель малой тяги — ЖРДМТ Ндп. микро ЖРД малый ЖРД жидкостный ракетный малый двигатель импульсный двигатель Жидкостный ракетный двигатель тягой не более 1600 Н. Пояснения ЖРДМТ используют в качестве исполнительного органа системы управления космических летательных… … Справочник технического переводчика
Варп-двигатель — Эта статья об объекте вымышленного мира описывает его только на основе самого художественного произведения. Статья, состоящая только из информации на базе самого произведения, может быть удалена. Вы можете помочь проекту … Википедия
Термоядерный ракетный двигатель — варианты конструкции ТЯРД Термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД) перспективный ракетный двигатель для космических полётов, в котором для создания тяги предполагаетс … Википедия
Электрический ракетный двигатель сильноточный — Электромагнитный ракетный двигатель, плазменный ракетный двигатель, ЭРД электрический ракетный двигатель, создающий тягу за счёт разгона в электромагнитном поле рабочего тела, превращённого в плазму. Принципы работы ЭРД состоит из двух основных… … Википедия
Электрический ракетный двигатель импульсный — ЭРД, работающий в режиме кратковременных импульсов длительностью от нескольких микросекунд до нескольких милисекунд. Варьируя частоту включений РД и длительность импульсов, можно получать любые потребные значения суммарного импульса тяги. ДУ с… … Википедия
aviation_ru_en.academic.ru
