СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЗАПУСКА В ПОЛЕТЕ ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF INCREASING RELIABILITY OF AIRCRAFT TURBOJET IN-FLIGHT START AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к авиации, в частности к турбореактивным двигателям.
Известен способ запуска авиационного двигателя в воздухе [1], например на самолете МИГ-17, когда необходимо, после выключения двигателя, снизиться на высоту не менее 6 км, после чего осуществлять запуск. Это необходимо делать для того, чтобы кислорода в воздухе было достаточно для воспламенения топлива в камере сгорания. Недостатком этого метода является то, что часто запустить двигатель в воздухе не удается.
Также в этом случае, перед началом запуска, уменьшается скорость полета самолета до минимально возможной (для МИГ-17 - не менее 300 км/ч). Однако и это не помогает.
Наиболее близким к предлагаемому является способ подпитки пусковых воспламенителей турбореактивного двигателя чистым кислородом из баллонов, расположенных на борту летательного аппарата и служащих для обеспечения жизнедеятельности экипажа на больших высотах полета [2].
Недостатком этого способа является то, что и при использовании чистого кислорода не всегда удается запустить двигатель в воздухе, особенно если топливо в баках имеет минусовую температуру.
Задачей изобретения является повышение надежности запуска турбореактивных двигателей летательных аппаратов в воздухе в любых условиях.
Технической задачей изобретения является разработка способа повышения надежности запуска турбореактивных двигателей в воздухе.
2
Запуск двигателя предполагает инициировать надежное горение топлива в камере сгорания двигателя. Для того, чтобы горение началось, необходимо создать определенные начальные условия в системе - подготовить смесь и воспламенить (зажечь) ее. Вот процесс воспламенения смеси является самым важным в начальный момент запуска двигателя, как на земле и, особенно, в воздухе. Установившаяся реакция горения осуществляется только тогда, когда молекулы горючего и окислителя встречаются между собой. В большинстве случаев зажигание смеси осуществляется с помощью искры. Сам процесс горения представляет из себя окислительно-восстановительную реакцию. При горении окислителем и восстановителем являются различные атомы, входящие в состав разных исходных веществ. При горении топлива в турбореактивном двигателе окислителем является кислород, который в воздухе и кислородном баллоне находится в молекулярном виде O. При горении, чтобы окислительно-восстановительная реакция имела место, необходимо молекулы, участвующие в реакции, диссоциировать, т.е. перевести их в атомарное состояние, для чего надо затратить достаточно много энергии, которой в момент воспламенения смеси (запуске двигателя) неоткуда брать. Кроме того, при восстановительно-окислительных реакциях участвуют ионы и электроны, для образования которых необходимо затратить еще энергию. Например, молекула кислорода должна присоединить к своим атомам 12 электронов, чтобы образовать 6 ионов кислорода по уравнению электронного баланса [2]:
2
-2
3O+12e→6O
Поэтому и не происходит надежного запуска турбореактивных двигателей летательных аппаратов в воздухе, т.к. не хватает энергии для перевода атомов смеси в ионы и электроны.
Сущность изобретения заключается в том, что чистый кислород, подаваемый из бортовых баллонов в камеру сгорания турбореактивного двигателя летательного аппарата, непосредственно перед пусковыми воспламенителями переводится из молекулярного состояния в отрицательно ионное посредством пропускания его через систему конусных иголок ромбовидной или круглой формы в поперечном сечении, на которые подается минусовой потенциал высокого напряжения от 4 до 6кВ с источника постоянного тока и с которых стекают электроны в окружающее их пространство и присоединяются к атомам кислорода или же это происходит при касании атомами кислорода иголок, что обеспечивает образование отрицательных ионов.
Так как при горении смеси в турбореактивном двигателе летательного аппарата участвуют отрицательные ионы кислорода, поэтому и переводится молекулярный кислород в отрицательно ионное состояние. В этом виде он готов вступать в реакцию с топливом, не требуя никакой дальнейшей подготовки и энергии.
Заявленный способ реализуется в устройстве, которое включает в себя корпус цилиндрической формы из диэлектрического материала с открытыми торцами, который помещается внутрь трубопровода, обеспечивающего подачу кислорода, а в корпусе располагается цилиндр из металла с высокой электропроводностью и коррозионностойкостью, к которому изнутри радиально в одной плоскости присоединены, например пайкой, металлические лепестки в виде конусов с заостренными краями или иглами, для концентрации на них электрических зарядов, к которым подсоединен минусовой электрод источника постоянного тока высокого напряжения величиной от 4 до 6 кВ, причем количество плоскостей с лепестками зависит от объема подаваемого кислорода и может составлять, например, 10 плоскостей, или больше или меньше.
Известно [3], что на острых поверхностях предметов, таких, например, как игла или кромка, напоминающая лезвие ножа, концентрируются электрические заряды, в данном случае - отрицательные заряды, т.е. электроны. По мере накопления эти заряды стекают с этих поверхностей в окружающее их пространство. Так как электроны будут находиться на пути протекания кислорода, то они будут присоединяться к атомам последнего, образуя отрицательные ионы. Или же атомы кислорода будут касаться лепестков, на которых сконцентрированы электроны, и присоединять их к себе, что будет обеспечивать образование отрицательных ионов. В таком виде они поступят к пусковым воспламенителям. А так как на их образование уже не надо тратить энергию, которой при воспламенении и так мало, то вероятность воспламенения увеличивается.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, являются:
1. Использование ионизации молекулярного кислорода в качестве его подготовки перед воспламенением.
2. Использование постоянного электрического напряжения отрицательного знака для обеспечения накопления и стекания в окружающее пространство электронов.
3. Использование образовавшихся и сконцентрированных на острых поверхностях электронов для получения отрицательных ионов кислорода.
Существенными отличительными признаками по устройству являются:
- наличие лепестков в виде конусов с заостренными кромками или иглами для концентрации электрических зарядов;
- наличие нескольких плоскостей с лепестками;
- наличие ионизатора в трубопроводе подачи кислорода к пусковым воспламенителям;
- связи между элементами.
Использование новых признаков обеспечивает достижение технического результата изобретения, а именно: повышение вероятности запуска турбореактивного двигателя на летательном аппарате в воздухе и, тем самым, повышение безопасности полетов.
Изобретение поясняется чертежом. На фиг.1 представлено предлагаемое устройство, где на виде «а» приведен схематично его состав и взаимодействие составляющих элементов. В его состав входят: камера сгорания 3 турбореактивного двигателя летательного аппарата, в которой располагаются топливные форсунки 1 и пусковые воспламенители 2 при запуске в воздухе, ионизатор отрицательных ионов кислорода 10, электроклапан 6 для включения подачи чистого кислорода от кислородного баллона к ионизатору и далее - к пусковому воспламенителю, бортовой кислородный баллон 7, реле 9 для соединения минусовой клеммы источника электрической энергии постоянного высокого напряжения с ионизатором, источника 8 электрической энергии высокого напряжения постоянного тока, источника электрической энергии 4 для питания электроклапана и реле, кнопка соединения источника электрической энергии 4 с электроклапаном и реле. На виде «б» представлен поперечный разрез ионизатора 10, который помещается в трубопровод 11 подачи чистого кислорода к пусковым воспламенителям 2. Ионизатор включает в себя корпус 12, выполненный из диэлектрического материалаув виде трубки с открытыми торцами. Внутрь корпуса помещен цилиндр 14, изготовленный из металла с высокой электропроводностью и коррозионностойкостью. Внутри цилиндра 14 расположены лепестки 15 в виде конусов с заостренными краями или в виде игл. Поперечное сечение лепестка с заостренными краями показано на виде «в». Такой вид лепестков более выгоден, т.к. электрические заряды будут концентрироваться и стекать как с боковой острой кромки, так и с кончика лепестка. На лепестке в виде иглы заряды будут концентрироваться только на кончике. Лепестки соединены с цилиндром неразъемным соединением, например пайкой. Лепестки 15 в цилиндре формируют плоскости. В зависимости от объема подаваемого к пусковым воспламенителям кислорода, этих плоскостей может быть как одна, так и несколько: чем больше объем, тем больше плоскостей, чтобы образовать достаточное количество отрицательных ионов кислорода. И чем больше будет образовано этих ионов, тем надежнее произойдет запуск двигателя в воздухе.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Исходное состояние: турбореактивный двигатель на летательном аппарате выключился, и его требуется запустить в воздухе. Запуск двигателя в воздухе или его незапуск будут определять степень безопасности дальнейшего полета летательного аппарата. Если, например, на самолете один двигатель, и он выключился, то посадка с выключенным двигателем не разрешается, т.к. может погибнуть пилот. Поэтому, если двигатель запустится в воздухе, то можно продолжать полет, если же нет, то самолет придется бросать и летчику катапультироваться, что тоже не всегда безопасно для него. Лучший вариант во всех отношениях - это чтобы двигатель запустился в воздухе. Если два двигателя на летательном аппарате, то выключение одного из них снижает тягу в два раза, что не безопасно.
Поэтому и делаются попытки запустить двигатель в воздухе после его выключения. И чем надежнее будет осуществляться этот запуск, тем будет безопаснее полет.
Кнопка 5 в исходном положении рассоединяет цепь электрического питания электроклапана 6 и реле 9, которое, в свою очередь, рассоединяет электроцепь высокого напряжения от источника 8 к ионизатору 10.
При попытке запуска, кроме других управляющих воздействий, экипаж нажимает на кнопку 5, что обеспечивает соединение источника питания 4 с обмотками электроклапана 6 и реле 9. При этом электроклапан 6 открывает канал для протекания чистого кислорода из баллона 7 к ионизатору и далее - к пусковым воспламенителям 2. Одновременно срабатывает реле 9 и замыкает электрическую цепь минусовой клеммы источника высокого напряжения, и происходит соединение лепестков 15 ионизатора с «минусом» источника высокого напряжения 8. Величина напряжения выставляется заранее, и должна находиться в пределах от 4 до 6 кВ. После срабатывания электроклапана 6 кислород, по трубопроводу 11, начинает поступать к ионизатору 10. Так как на лепестках имеется высокое напряжение отрицательного знака, после срабатывания реле 9, то на них будут накапливаться (на острых кромках) и стекать электроны в окружающее их пространство и соединяться с атомами кислорода, образуя отрицательные ионы, которые поступают далее к пусковым воспламенителям, улучшая состояние топливной смеси перед воспламенением, чем обеспечивается большая вероятность этого воспламенения. Если в цилиндре 14 располагается несколько плоскостей лепестков 15, то на каждой плоскости будут генерироваться электроны, увеличивая их общее количество в ионизаторе и, тем самым, увеличивая общее количество образующихся отрицательных ионов кислорода. Количество плоскостей лепестков определяется объемом подаваемого к пусковым воспламенителям кислорода: чем больше этот объем, тем больше количество плоскостей лепестков. После запуска двигателя кнопкой 5 разрывается электрическая цепь питания электроклапана 6 и реле 9, которые перекрывают подачу кислорода из баллона 7 и разрывают электрическую цепь минусовой клеммы от источника 8 к ионизатору 10. Баллон(ы) 7 находятся на борту летательного аппарата. Если это - боевые самолеты, например, то на них имеются такие баллоны, которые предназначены для обеспечения жизнедеятельности экипажа при полетах на больших высотах. И кислород этих баллонов можно (и нужно) использовать для повышения надежности запуска выключившегося двигателя в воздухе. Если кислородной системы жизнеобеспечения экипажа (и пассажиров) на летательном аппарате нет, то тогда баллоны с кислородом необходимо устанавливать на борту летательного аппарата только для целей улучшения запуска выключившегося двигателя.
Предлагаемый способ запуска турбореактивных двигателей может значительно увеличить надежность запуска выключившегося двигателя в полете, что резко увеличит безопасность полета летательных аппаратов.
Источники информации
1. http://www.aviation.ru:10055/Leonid.Mehanikov/MIG-17_Flight_Manual/
Самолет МИГ-17. Инструкция летчику. Раздел VIII, статьи 378-379.
2. Майзель Ю.M., Петров В.Н., Резников M.Е., Старостенко Г.К. Химия и авиационные горючие и смазочные материалы/ Под ред. Ю.M.Майзеля. - M.: ВВИА им. Н.Е.Жуковского, 1988. - С.118, 127, 202.
3. Яворский В.M., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования. - M.: Наука, 1989. - С.203.