ИМПУЛЬСНЫЙ ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к воздушно-реактивным двигателям.
Известны прямоточные воздушно-реактивные двигатели, которые могут обеспечить получение скоростей до М=4...7. Например, «Пульсирующий гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель» по патенту РФ №2059852, 1996 г. Однако он включается в работу только после набора скорости полета летательным аппаратом в диапазоне числа М=3,5...4.
Наиболее близким по принципу работы и по техническому устройству к заявленному устройству является "Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель детонационного горения» по свидетельству РФ на полезную модель №6838, 1998 г. Он состоит из детонационной камеры с топливоподающим каналом, отводящим насадком и инициатором. При запуске двигателя в полузамкнутую полость детонационной камеры одновременно подаются горючее и воздух. Горючее предварительно распыляется с помощью ультразвуковой форсунки. По мере заполнения полости детонационной камеры рабочей (топливно-воздушной) смесью от системы управления подается команда на инициатор, который создает детонационный импульс и детонирует рабочую смесь.
Недостатком данного устройства является его низкая надежность. Это объясняется тем, что для реализации очередного детонационного импульса необходимо, чтобы в детонационной камере была новая порция свежей рабочей смеси. При невыполнении этого требования рабочая смесь может воспламениться от соприкосновения с продуктами детонации и тогда двигатель не сможет работать как детонационный, а будет работать как реактивный или как ракетный. Единственным способом для устранения этого недостатка является продувка детонационной камеры после срабатывания каждого детонационного импульса с целью удаления из нее продуктов детонации. Опыт разработки детонационных двигателей показал, что стенки детонационной камеры за время срабатывания детонационных импульсов не успевают прогреться до температуры, достаточной для воспламенения рабочей смеси.
Задачей полезной модели является повышение надежности работы детонационного двигателя.
Технический результат, который может быть получен при использовании
полезной модели, заключается в повышении длительности работы двигателя и возможности использования компонентов топлива с различной вязкостью за счет введения в детонационный цикл работы двигателя продувки детонационной камеры и использования двухкомпонентной ультразвуковой форсунки.
Поставленная задача достигается тем, что импульсный детонационный двигатель содержит детонационную камеру, выполненную в форме полузамкнутой полости, систему топливоподачи с ультразвуковой форсунки и инициатор. При этом дополнительно введен узел подвода воздуха, каналы которого направлены в зазор, образованный между полузамкнутой полостью детонационной камеры и полусферическим стаканом с осевым отверстием для подвода рабочей смеси и воздуха в детонационную камеру, расположенным в его вершине и с отверстиями для прохода воздуха, выполненными на его сферической поверхности, которые жестко соединены друг с другом скегами, при этом ультразвуковая форсунка выполнена двухкомпонентной.
На рисунке изображен импульсный детонационный двигатель,
где:1 - детонационная камера;
2 - топливоподающие каналы;
3 - двухкомпонентная ультразвуковая форсунка;
4 - ультразвуковой преобразователь;
5 - отводящий насадок;
6 - инициатор;
7 - полусферический стакан;
8 - центральное отверстие в стакане для подвода рабочей смеси и воздуха в детонационную камеру;
9 - отверстия в стакане для подвода воздуха в детонационную камеру;
10 - скеги;
11 - узел подвода воздуха;
12 - каналы в корпусе детонационной камеры.
На чертеже представлен импульсный воздушно-реактивный двигатель, который состоит из детонационной камеры I с топливоподающими каналами 2, двухкомпонентной ультразвуковой форсунки 3 с ультразвуковым преобразователем 4, отводящим насадком 5 и инициатором 6.
Детонационная камера I выполнена в виде полузамкнутой полости и предназначена для организации процесса импульсного детонационного преобразования
рабочей смеси, а ее топливоподающие каналы 2 - для подачи горючего и окислителя в полость детонационной камеры 1. Внутри детонационной камеры 1 расположен полусферический стакан 7 с центральным отверстием 8, расположенным в его вершине и предназначенным для подвода рабочей смеси в детонационную камеру 1 и с отверстиями 9, предназначенными для прохода воздуха и выполненными на его сферической поверхности. Детонационная камера 1 и полусферический стакан 7 жестко соединены друг с другом скегами 10. Подвод воздуха осуществляется через узел подвода 11.
Двухкомпонентная ультразвуковая форсунка 3 совместно с ультразвуковым преобразователем 4 предназначена для улучшения качества смешения компонентов топлива (окислитель и горючее) в газовой фазе, образования рабочей смеси и подачи ее в детонационную камеру 1. При этом тонкость и однородность распыла рабочей смеси улучшаются. Срез сопла форсунки выставляется таким образом, что это сечение соответствует точке с максимальной амплитудой ультразвуковых колебаний.
Отводящий насадок 5 предназначен для увеличения скорости потока продуктов детонации, а, следовательно, для создания дополнительной составляющей силы тяги и представляет собой полое тело вращения с формой внутренней поверхности в виде боковой поверхности усеченной пирамиды.
Инициатор 6 предназначен для выработки и подачи детонационного импульса во внутренний объем полузамкнутой полости детонационной камеры I.
Работает устройство следующим образом.
При запуске детонационного двигателя в полузамкнутую полость детонационной камеры 1 одновременно подаются компоненты топлива: горючее и окислитель.
Двухкомпонентная ультразвуковая форсунка 3 обеспечивает высокое качество смешения компонентов топлива в газовой фазе, образование рабочей смеси и подачи ее в детонационную камеру 1 через центральное отверстие 8 в полусферическом стакане 7. При этом срез сопла форсунки находится в точке с максимальной амплитудой.
По мере полного заполнения внутренней полости детонационной камеры рабочей смесью от системы управления подается команда на инициатор 6, который генерирует детонационную волну и направляет ее в детонационную камеру 1. В процессе ее перемещения происходит детонация рабочей смеси. Образовавшиеся детонационные волны взаимодействуют со стенками камеры 1. При этом основная
составляющая импульса силы тяги создается за счет взаимодействия детонационных волн с внутренней поверхностью детонационной камеры I, а дополнительная ее составляющая - за счет ускорения движения продуктов детонации в отводящем насадке 5.
Кроме того, детонационная волна кратковременно перекрывает подачу рабочей смеси из двухкомпонентной ультразвуковой форсунки 3 в детонационную камеру 1. С другой стороны, процесс истечения продуктов детонации сопровождается уменьшением давления в детонационной камере 1. По мере уменьшения этого давления до значения, равного давлению продувки, воздух из узла подвода воздуха 11 через каналы 12 поступает в зазор, образованный между детонационной камерой 1 и полусферическим стаканом 7. Далее воздух через отверстия 9 в полу сферическом стакане 7 поступает во внутренний объем детонационной камеры 1 и через насадок 5 истекает в окружающую среду. На этом первый детонационный цикл завершается и детонационная камера 1 подготавливается к очередному детонационному циклу.
При автоматическом режиме работы импульсного детонационного двигателя по мере дальнейшего уменьшения давления в детонационной камере 1 до значения, равного давлению подачи, двухкомпонентная ультразвуковая форсунки 3 открывается и вновь начинает работать. Новая порция свежей рабочей смеси поступает в детонационную камеру 1. По мере полного заполнения внутреннего объема детонационной камеры 1 рабочей смесью от системы управления подается команда на инициатор 6, который генерирует детонационную волну и направляет ее в детонационную камеру 1. Детонационный процесс продолжается вновь с частотой, определяемой объемом детонационной камеры 1 и суммарным секундным массовым расходом рабочей смеси.
Таким образом, работа импульсного детонационного двигателя может осуществляться как автоматически, так и по командам системы управления. В первом случае он можем быть использован в качестве маршевого двигателя при малых скоростях полета летательного аппарата, а во втором случае - в качестве двигателя коррекции или управления.
Предложенный импульсный детонационный двигатель может использовать компоненты топлива с различной вязкостью и не требует предварительного смешения компонентов топлива для получения рабочего тела.