МАЛОРАЗМЕРНЫЙ ПУЛЬСИРУЮЩИЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КОРРЕКЦИИ СО СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения, а именно к малоразмерным двигателям, и может быть использована в качестве двигательной установки малоразмерного беспилотного летательного аппарата, совершающего полеты как в атмосфере так и вне ее.
Известен свободнопоршневой газовый двигатель-компрессор [Заявка на патент 97111276/06 от 30.06.1997], содержащий цилиндропоршневые группы двигателя и компрессорных ступеней, механизм синхронизации движения поршневых групп, устройство топливоподачи в цилиндр двигателя, включающее установленный на корпусе двигателя плунжерный насос, содержащий дозирующую и аккумулирующую плунжерные пары с невозвратным клапаном между ними и приводной вал с закрепленной на нем кулачковой шайбой, кинематически связанной с плунжером дозирующей пары насоса.
Недостатком такого двигателя являются сложность конструкции, обусловленная сложностью деталей устройства топливоподачи, больший вес по сравнению с предлагаемой конструкцией, общая неуравновешенность системы и неполнота сгорания топливной смеси, малая экономичность.
Известен воздушно-реактивный двигатель со свободнопоршневым мембранным компрессором, содержащий компрессор, свободнопоршневой привод, камеру сгорания, реактивное сопло [Патент на полезную модель 94634 от 28.11.2009].
Недостатком такого двигателя является необходимость наличия воздушной среды для работы двигателя, наличие системы смесеобразования требующей тонкой настройки, расположением впускных клапанов на подвижных мембранах, снижающее ресурс мембран.
Наиболее близким аналогом является воздушно-реактивный двигатель со свободнопоршневым мембранным компрессором, содержащий компрессор, свободнопоршневой привод, камеру сгорания, реактивное сопло [Патент на полезную модель 124740 от 05.09.2012].
Недостатком такого двигателя является, сложность обеспечения надежного смесеобразования и наличие подвижных мембран имеющих невысокий ресурс.
Задачей данной полезной модели является создание эффективного пульсирующего ракетного двигателя коррекции для малоразмерных летательных аппаратов, уменьшение его веса, обеспечение автоматической подачи топливных компонентов, многоразового запуска, возможности использования в качестве двигателя коррекции орбиты КА, увеличение удельной мощности и повышение экономичности, а также повышение полноты сгорания компонентов топливной смеси.
Решение указанной задачи достигается тем, что в малоразмерном пульсирующем ракетном двигателе коррекции со свободнопоршневой подачей топливных компонентов, содержащем, свободнопоршневой нагнетатель, включающий в себя камеру сгорания, поршневые группы содержащие каналы подачи топливных компонентов в камеру сгорания свободнопоршневого нагнетателя, соединенные с помощью тяг механизма синхронизации, торцевые заборные полости для подачи топливных компонентов, рабочий поршень поршневой группы горючего имеет пористую поверхность для пастообразной фракции топлива, а поршень поршневой группы окислителя содержит форсунку впрыска жидкой фракции топлива, а реактивное сопло напрямую соединено с камерой сгорания свободнопоршневого нагнетателя.
Применение комбинации поршня с пористой поверхностью и поршня с форсункой, позволяет решить комплекс вопросов. Окислитель из форсунки под давлением распыляется и взаимодействует с пастообразным горючим, смывая его с поверхности пористого поршня, обеспечивая эффективное и равномерное смешивание топливных компонентов. Одновременно часть окислителя отраженная от поверхности пористого поршня попадает на стенки камеры сгорания в виде мельчайших капель и испаряясь, внутренне охлаждает их. Другая часть окислителя, в процессе интенсивного смесеобразования смывает оставшуюся часть пастообразного горючего и одновременно не позволяет нагару, образовывающемуся в процессе горения топливных компонентов, загрязнять пористую поверхность поршня и очищает зеркало поршня каждый цикл, Такая «самоочистка» обеспечивает работу поршневых групп в благоприятных условиях и повышает общую надежность системы.
Таким образом, при комбинации поршня с пористой поверхностью и поршня с форсункой достигается эффективное смешивание топливных компонентов, увеличивается полнота их сгорания, что приводит к стабильной величине корректирующего усилия.
Прямое соединение камеры сгорания свободнопоршневого нагнетателя с реактивным соплом и отказ от дополнительных передаточных устройств, позволяет уменьшить вес и увеличить надежность двигательной установки, но главное - избежать потерь импульса тяги, тем самым увеличив точность корректирующего усилия.
В результате, предлагаемый ракетный двигатель обладает стабильным и точным корректирующим усилием, что позволяет совершать прецизионные перемещения летательного аппарата.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется следующими чертежами. На фиг. 1 изображен общий вид малоразмерного пульсирующего ракетного двигателя коррекции со свободнопоршневой подачей топливных компонентов, на фиг. 2 показан вид сверху малоразмерного пульсирующего ракетного двигателя коррекции со свободнопоршневой подачей топливных компонентов.
Малоразмерный пульсирующий ракетный двигатель коррекции со свободнопоршневой подачей топливных компонентов (фиг. 1) содержит свободнопоршневой нагнетатель, размещенный в корпусе 1, состоящий из механизма синхронизации 2, поршневой группы окислителя 3 и поршневой группы горючего 4. Поршневая группа окислителя 3 образуются буферным цилиндром 5 с пусковым клапаном, буферным поршнем 6, соединяемым с рабочим поршнем окислителя 8 полым штоком 9, аналогично поршневая группа горючего 4 состоит из буферного цилиндра 5 с пусковым клапаном, буферного поршня 6, соединенного с рабочим поршнем горючего 7 полым штоком 9. Внутри полых штоков 9 размещены каналы 10 с обратным клапаном для подачи топливных компонентов, завершающиеся заборной полостью жидкой фракции окислителя 11, в случае поршневой группы окислителя и заборной полостью пастообразной фракции горючего 12 в случае поршневой группы горючего, расположенными в противоположных торцах корпуса 1, и соединенные патрубками с баками в которых находятся пастообразное горючее и жидкий окислитель соответственно.
Двигатель так же содержит (см. фиг. 2) камеру сгорания свободнопоршневого нагнетателя 13, из которой высокотемпературные продукты сгорания поступают в реактивное сопло 14, которое создает импульс тяги, тем самым позволяет корректировать положение летательного аппарата в пространстве.
Предлагаемый малоразмерный пульсирующий ракетный двигатель коррекции со свободнопоршневой подачей топливных компонентов работает следующим образом.
Сжатый газ от внешнего источника, например азот из баллона, подается через пусковые клапана в буферные цилиндры 5 и перемещает поршневые группы 3 и 4 навстречу друг другу. При максимальном сближении рабочих поршней 7 и 8 происходит самовоспламенение топливной смеси в камере сгорания 13 свободнопоршневого нагнетателя, коэффициент избытка окислителя принимается α=1÷3. Затем, поршневые группы 3 и 4 совершают рабочий ход, при котором происходит заполнение каналов 10 топливными компонентами из соответствующих заборных полостей 11 и 12. Одновременно с этим происходит отвод образовавшихся продуктов сгорания напрямую в реактивное сопло 14, в результате создается реактивная тяга. При максимальном расхождении поршней 7 и 8, происходит запирание каналов 10, заполненных топливными компонентами, обратными клапанами, давление в буферных цилиндрах 6 становится больше, чем давление в камере сгорания свободнопоршневого нагнетателя 13 и происходит обратный ход поршневых групп 3 и 4 (на встречу друг другу). При обратном ходе поршней 7 и 8 новая порция топливных компонентов поступает из каналов 10 в камеру сгорания свободнопоршневого нагнетателя 13. При этом пористая поверхность поршня горючего 7 остается постоянно смоченной, а из форсунки поршня окислителя 8, окислитель распыляется равномерно, что улучшает смесеобразование и воспламенение. Происходит воспламенение компонентов и цикл повторяется вновь.
Достоинства схемы согласно полезной модели, показанной на фиг. 1, фиг. 2 следующие:
1) Свободнопоршневой привод является уравновешенной системой, поршни свободнопоршневого привода не испытывают боковых нагрузок связанных с перекосом штока как в обычном двигателе внутреннего сгорания.
2) Подача топливных компонентов и регулировка их дозировки осуществляется в автоматическом режиме без применения дополнительных сложных устройств.
3) Применение комбинации поршня с пористой поверхностью и поршня с форсункой, а так же смеси жидкого окислителя и пастообразного горючего позволяет резко увеличить эффективность смесеобразования, внутренне охлаждать поверхность камеры сгорания за счет отраженных капель от зеркала пористого поршня и одновременно решать вопрос очистки пористой поверхности поршня при каждом цикле.
4) Использование в качестве горючего пастообразного компонента позволяет использовать бак горючего меньшего объема, при той же массе горючего, так как плотность пастообразного компонента больше чем плотность жидкого.
5) Максимальное усилие в тяге механизма синхронизации имеет место при прямом ходе поршней, т.е. тяга работает на растяжение при сжатии воздуха. При обратном же ходе нагрузка на тягу намного меньше, следовательно, она может быть выполнена в виде тонкой спицы малого веса.
6) Пуск свободнопоршневого нагнетателя может осуществляться с помощью баллона сжатого газа и электроклапана, отпадает необходимость в стартере и дополнительных устройствах пуска. Возможен многоразовый управляемый пуск.
7) Применение самовоспламеняющихся двухкомпонентных жидких или пастообразных топлив, позволяет использовать двигательную установку в различных средах, а не только в воздушной атмосфере.
8) Импульсный характер работы двигателя коррекции позволяет максимально точно дозировать корректирующее усилие и совершать прецизионные перемещения летательного аппарата.
Источники информации:
1. Заявка на патент 97111276/06 от 30.06.1997
2. Патент на полезную модель 2009139454/22 от 26.10.2009
3. Патент на полезную модель 2012138042/06 от 05.09.2012