ГИПЕРЗВУКОВОЙ ПРЯМОТОЧНЫЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ
HYPERSONIC RAMJET ENGINE AND CONCEPT OF COMBUSTION

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, а именно к гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ГПВРД), и может быть использовано в силовых установках гиперзвуковых летательных аппаратов, использующих кислород воздуха в качестве окислителя.
Процессы подготовки топливовоздушной смеси и ее горения в ГПВРД играют важную роль для улучшения топливной эффективности и массогабаритных характеристик двигателя. Связано это с тем, что высокая скорость набегающего потока накладывает дополнительные ограничения на смешение топлива с потоком воздуха, сокращает время пребывания топливовоздушной смеси в камере сгорания и снижает полноту сгорания топлива со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Известен гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (патент США №5085048, МПК F02K 7/10, 1990), содержащий воздухозаборник, прямую камеру сгорания с уступами на начальном ее участке с расположенными за ними топливными форсунками и сопло. При этом топливные форсунки размещены на верхней и нижней поверхностях камеры сгорания за уступами для организации за ними рециркуляционной зоны и лучшего смешения топлива с воздухом.
Недостатком данного технического решения является удлинение камеры сгорания из-за расположения в ней зон рециркуляции и нестабильность процесса горения в камере сгорания ГПВРД.
Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемому гиперзвуковому прямоточному воздушно-реактивному двигателю является принятый за прототип гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель и способ организации горения (патент RU №2262000, МПК F02К 7/10, 2005), включающий носовую часть, воздухозаборник, топливную форсунку, расположенную в носовой части двигателя перед воздухозаборником по его оси и соединенную с воздухозаборником пилонами, камеру сгорания, воспламенитель и сопло. При этом способ организации горения в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе включает сжатие воздуха в воздухозаборнике, подачу топлива в камеру сгорания перед воздухозаборником в зону, образованную между топливной форсункой, пилонами и воздухозаборником, горение топливовоздушной смеси и последующее расширение продуктов горения в сопле.
Недостатком известного технического решения является протяженная зона подготовки и горения топливовоздушной смеси и недостаточно хорошие массогабаритные характеристики ГПВРД.
Задачей заявленного изобретения является улучшение качества смешения топлива с потоком воздуха и полноты сгорания топливовоздушной смеси.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в улучшении топливной эффективности и массогабаритных характеристик ГПВРД.
Решение поставленной задачи и технический результат достигается тем, что в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе, содержащем носовую часть, воздухозаборник, топливную форсунку, расположенную в носовой части перед воздухозаборником по его оси, соединенную с ним пилонами, камеру сгорания, воспламенитель и сопло, топливная форсунка выполнена в виде газоструйного резонатора с острой передней кромкой, вход которого совмещен с носовой частью двигателя, обращен навстречу набегающему потоку, а задняя и боковая стенки газоструйного резонатора выполнены пористыми с управляемой скважностью. При этом в способе организации горения в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе, включающем сжатие воздуха в воздухозаборнике, подачу топлива в камеру сгорания перед воздухозаборником, горение топливовоздушной смеси в камере сгорания и последующее расширение продуктов горения в сопле, подают в камеру сгорания через топливную форсунку нанодисперсное топливо, содержащее углеродные нанотрубки с капсулированным в них водородом, двумя потоками: через вход газоструйного резонатора навстречу набегающему потоку и через его пористые стенки и создают в зоне горения пульсирующее электрическое поле напряженностью более 20 В/см.
На фигуре 1 приведена схема заявленного гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Двигатель содержит носовую часть 1, топливную форсунку 2, обтекаемые пилоны 3, соединяющие топливную форсунку 2 с воздухозаборником 4, камеру сгорания 5 и сопло 6. Зону смешения 7 топлива с потоком воздуха 8 формируют в результате взаимодействия потока воздуха 8 и нанодисперсного топлива 9, вводимого через вход 10 газоструйного резонатора 11 навстречу набегающему потоку воздуха 8 и через его пористые стенки 12. Смешение топлива 9 с потоком воздуха 8 и образование топливовоздушной смеси 13 интенсифицируют системой скачков уплотнения 14, волн сжатия 15 и процессом обтекания задней стенки 16 газоструйного резонатора 11. Воспламенение топливовоздушной смеси 13 осуществляют в камере сгорания 5 воспламенителем 17.
Заявленный способ организации горения в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе осуществляют следующим образом. При достижении сверхзвуковой скорости полета летательного аппарата и установлении расчетного режима работы воздухозаборника 4 подают в камеру сгорания 5 через топливную форсунку 2 нанодисперсное топливо 9, содержащее углеродные нанотрубки с капсулированным в них водородом, двумя потоками: через вход 10 газоструйного резонатора 11 навстречу набегающему потоку воздуха 8 и через его пористые стенки 12. Для образования качественной топливовоздушной смеси 13 на входе в камеру сгорания 5 и сокращения размеров зоны подготовки топливовоздушной смеси 13 к горению формируют также систему скачков уплотнения 14 и волн сжатия 15, интенсифицирующую смешение нанодисперсного топлива 13 с потоком воздуха 8.
Воспламенение топливовоздушной смеси 13 и поддержание стабильного ее горения осуществляют в зависимости от режима полета летательного аппарата с помощью воспламенителя 17 или за счет самовозгорания топливной смеси при высокой температуре газа за взаимодействующими скачками уплотнения 14.
Анализ показал, что ввод в высокоскоростной поток воздуха 8 нанодисперсного топлива 9 через газоструйный резонатор 11 двумя потоками через его вход 10 навстречу набегающему потоку воздуха 8 и через пористые стенки 12 интенсифицирует процесс образования топливовоздушной смеси 13 на входе камеры сгорания 5 и способствует уменьшению ее размеров.
Таким образом, предлагаемое техническое решение улучшает подготовку топливовоздушной смеси и повышает полноту сгорания топлива в камере сгорания двигателя. Преимуществом заявленного гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя является также возможность охлаждать впрыском топлива в набегающий поток воздуха теплонапряженные передние кромки двигателя, увеличивать теплосодержание топливовоздушной газовой смеси и повышать топливную эффективность ГПВРД.