ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С УСТРОЙСТВОМ МАГНИТОГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям с резонансными камерами сгорания, а также к комбинированным прямоточно-пульсирующим воздушно-реактивным двигателям. Имеется опыт разработки реактивных двигателей, в которых ускоряющая камера выполнена в виде расширяющегося сопла. Такое выполнение камеры способствует сверхзвуковому разгону продуктов сгорания. Из химических реактивных двигателей близкими к заявленному являются пульсирующие воздушно-реактивные двигатели. Однако они имеют большой удельный расход топлива и небольшой удельный импульс. Данные двигатели работают с фиксированной частотой, так как сгорание топлива происходит в камере акустического типа. Например, двигатель по патенту США №3727409, 1973.
Частично эти недостатки устранены в патенте РФ №2066778, МПК F 02 K 7/04, 1993 г. В нем детонационный процесс интенсифицирован за счет увеличения частоты детонационных импульсов. Это достигается тем, что система возбуждения детонации представляет собой форкамеру с газодинамическим клапаном. Однако данное устройство имеет ограниченное применение, так как процесс смесеобразования происходит в камере после подачи компонентов топлива, а работа системы инициирования связана с работой систем подачи и смесеобразования и носит импульсный характер от внешнего источника питания.
Наиболее близким по принципу работы и техническому устройству является «Пульсирующий детонационный двигатель с замкнутым циклом работы» (свидетельство РФ на полезную модель №20549, МПК F 02 K 7/04, F 42 D 1/04, 2001). В нем увеличение и регулирование частоты детонационных импульсов осуществляется за счет организации замкнутого цикла работы двигателя, под которым подразумевается такая работа двигателя, когда он после подачи начального импульса продолжает работать автоматически и автономно, то есть без использования внешнего источника энергии. Это достигается тем, что система инициирования представляет собой магнитогазодинамический генератор (МГД-генератор), расположенный в районе сопла и соединенный через усилительно-преобразующее устройство с инициатором.
Недостатками данного устройства является установка МГД-генератора в районе сопла камеры двигателя, т.к. наиболее высокая температура достигается в конце ее цилиндрической
части, что не способствует усилению ионизации, а также возможность проникновения детонационной волны в систему топливоподачи.
Задача полезной модели состоит в повышении надежности работы детонационного двигателя и улучшении его характеристик за счет эффективного воздействия на внутрикамерные процессы путем ионизации топливно-воздушной смеси и дальнейшего воздействия на нее.
Технический результат, который может быть получен при использовании полезной модели, заключается в организации непрерывного импульсного цикла работы детонационного двигателя и уменьшении затрат внешней энергии, необходимой на срабатывания инициатора.
Поставленная задача достигается тем, что детонационный двигатель с устройством магнитогазодинамического регулирования тяги состоит из детонационной камеры, МГД-генератора, систем топливоподачи, управления и инициирования. При этом дополнительно введены два устройства ионизации, основное - в районе переднего днища детонационной камеры и дополнительное - непосредственно перед инициатором, а между ними последовательно размещена кольцевая катушка и МГД-генератор, причем входы устройств ионизации и кольцевой катушки соединены с системой управления, а МГД-генератор через систему управления связан как с инициатором, так и с кольцевой катушкой.
На фиг.1 представлена конструктивно-компоновочная схема детонационного двигателя с устройством магнитогазодинамического управлением, на фиг.2 - принцип действия измерительной части МГД-генератора, на фиг.3 - положение детонационной волны в момент подачи сигнала на инициатор, на фиг.4 - положение детонационной волны в момент прохождения ее через МГД-генератор. К основным элементам детонационного двигателя относятся:
1 - детонационная камера,
2 - система топливоподачи,
3 - система управления,
4 - кольцевые полузамкнутые магниты,
5 - МГД-генератор,
6 - усилительно-преобразующее устройство,
7 - инициатор,
8 - дополнительное устройство ионизации,
9 - входное отверстие,
10 - основное устройство ионизации,
11 - кольцевая катушка.
Детонационная камера 1 предназначена для преобразования химической энергии рабочего тела в кинетическую энергию продуктов детонации. Она представляет собой трубчатую конструкцию, с одного конца которой находится система топливоподачи, а с другого - выход продуктов детонации.
Система топливоподачи 2 предназначена для качественного смешения компонентов топлива с целью образования топливно-воздушной смеси и подачи ее в детонационную камеру под давлением.
Система управления 3 предназначена для организации процессов запуска, программного изменения режима работы двигателя и его выключения, а также для преобразования напряжения, снимаемого с МГД-генератора, в сигнал для инициатора.
Кольцевые полузамкнутые магниты 4, МГД-генератор 5, усилительно-преобразующее устройство 6 системы управления 3, инициатор 7, а также дополнительное устройство ионизации 8 образуют систему инициирования, которая предназначена для инициирования, поддержания и управления детонационного процесса в детонационной камере 1. Элементы расположены в следующей последовательности на детонационной камере 1 по направлению движения газового потока: устройство для впрыска топливно-воздушной смеси в виде входного отверстия 9, основное устройство ионизации 10, кольцевая индуктивная катушка 11, кольцевые полузамкнутые магниты 4 совместно с МГД-генератором 5, дополнительное устройство ионизации 8 и инициатор 7 (фиг.1). При этом инициатор 7 располагается ближе к кольцевьм полузамкнутым магнитам 4 и к МГД-генератору 5.
В исходном состоянии в случае использования постоянных магнитов в детонационной камере 1 образуется постоянное магнитное поле, вектор индукции которого  направлен как показано на фиг.3. Пара магнитов, расположенных с противоположных сторон детонационной камеры 1, создает магнитный поток, вектор магнитной индукции которого направлен перпендикулярно движению детонационной волны, т.е. перпендикулярно оси симметрии детонационной камеры 1. Постоянные магниты не требуют дополнительных источников электроэнергии, однако могут использоваться и электромагниты.
Принцип работы магнитогазодинамического управления. Для простоты рассуждения рассмотрим устройство магнитов 4 и МГД-генератора 5, выполненных в виде прямоугольных пластин и расположенных под 90° по отношению друг к другу, а также перпендикулярно движению детонационной волны (фиг.2).
л
В детонационной камере 1 при детонации топливно-воздушной смеси создается высокая температура (до 3500 К), при которой газообразные продукты детонации частично ионизируются, образуя электронно-ионную холодную плазму. Для повышения ее электропроводимости используется дополнительное устройство ионизации 8. С этой целью в топливно-воздушную смесь вводятся легкоионизирующиеся вещества: кальций, натрий или цезий. Высокотемпературная детонационная волна движется по топливно-воздушной смеси, находящейся в детонационной камере 1. При этом ее внутренняя энергия превращается в кинетическую энергию продуктов детонации, скорость перемещения которых возрастает до 2000 м/с и более. Также как и металлический проводник, продукты детонации в целом нейтральны. Детонационная волна направляется вдоль оси детонационной камеры 1. Попадая в область сильного магнитного поля, она подвергается эффекту Холла, суть которого заключается в следующем. При движении ионизированной детонационной волны в результате воздействия магнитного поля  ионы испытывают силу Лоренца F, под действием которой происходит перераспределение концентрации ионов. У одной стороны МГД-генератора возникают положительные заряды, а у другой стороны - отрицательные.
В режиме холостого хода, когда внешняя цепь разомкнута, между электродами возникает наибольшая разница потенциалов, равная ЭДС. В зависимости от конструкции генератора она может достигать нескольких сотен или тысяч вольт. Мощность, выделяемая во внешней цепи, используется для электропитания инициатора. Возникшая Холовская разность потенциалов через усилительно-преобразующее устройство 6 передается на инициатор 7. При этом электроны, двигаясь по внешней цепи к инициатору 7, возвращаются к другому электроду, где нейтрализуют положительные ионы.
Возможны следующие режимы работы детонационного двигателя с устройством магнитогидродинамического регулирования потоком: режим запуска, рабочий режим и режим выключения. Рассмотрим последовательно каждый из них.
Режим запуска осуществляется путем одновременной подачи сигнала от системы управления 3 на систему топливоподачи 2, дополнительное устройство ионизации 8 и с некоторой временной задержкой - на инициатор 7 (фиг.3).
При этом топливно-воздушная смесь с заданными значениями параметров через входное отверстие 9 поступает в детонационную камеру 1. Степень заполнения детонационной камеры 1 вычисляется из общей ее длины, относительной скорости подачи топливно-воздушной смеси и скорости распространения детонационной волны.
После полного заполнения детонационной камеры 1 система управления 3 подает сигнал на инициатор 7, который вырабатывает детонационный импульс, под действием которого инициируется топливно-воздушная смесь, находящаяся в детонационной камере 1.
-7
-8
Изменение состояния топливно-воздушной смеси при детонации происходит в две стадии. Вначале смесь сжимается детонационной волной практически мгновенно без изменения состава смеси и выделения энергии. Затем, сразу же за фронтом детонационной волны, ширина которого примерно равна длине свободного пробега молекул (10...10 см), инициируется и начинает протекать сверхбыстрая химическая реакция, сопровождающаяся выделением тепла и образованием конечных продуктов детонации. Следовательно, сразу же за плоскостью фронта детонационной волны располагается зона химических реакций, ширина которой в случае газовых смесей примерно равна нескольким миллиметрам. За зоной химических реакций находится область, где реакция в основном уже произошла (продукты детонации). Причем при инициировании образуются две детонационные волны (ДВ1 и ДВ2), которые движутся по топливно-воздушной смеси в разные стороны (фиг.3).
Рабочий режим. Для него характерен непрерывный импульсный детонационный режим, при котором ионизированная топливно-воздушная смесь постоянно подается в детонационную камеру 1, а МГД-генератор 5 подает сигналы на срабатывание инициатора 7.
Детонационная волна ДВ1 движется в сторону переднего днища, а детонационная волна ДВ2 - в сторону открытого конца детонационной камеры 1 со скоростью, равной скорости детонации Чепмена-Жуге (фиг.4).
Перед фронтом движения детонационной волны ДВ1 находится ионизированная топливно-воздушная смесь, т.к. сработало основное устройство ионизации 10, а при запуске двигателя сработало дополнительное устройство ионизации 8, которое способствовало еще большей ее ионизации.
Далее детонационная волна ДВ1 направляется вдоль оси детонационной камеры 1 в сторону ее переднего днища и попадает в область воздействия кольцевых полузамкнутых магнитов 4 и МГД-генератора 5. В этот момент времени система управления 3 подает команду на срабатывание кольцевой катушки 11 и МГД-генератора 5.
Попадая в область магнитного поля кольцевых полузамкнутых магнитов, форма детонационной волны ДВ1 подвергается деформации. Кроме того, магнитное поле кольцевой катушки 11 еще больше уменьшает уже деформированную форму детонационной волны ДВ1, что способствует ее ослаблению и дальнейшему разрушению. В
свою очередь, это предотвращает дальнейшее перемещение детонационной волны ДВ1 и проникновение ее в систему топливоподачи топливно-воздушной смеси, что исключает ее детонирование.
С другой стороны, кольцевая катушка 11 способствует перераспределению соотношения компонентов топлива в поперечном сечении детонационной камеры 1. В результате, ближе к оси детонационной камеры 1 сосредотачивается топливно-воздушная смесь с обогащением горючего, а по периферии - с избытком окислителя (воздуха). В итоге это приводит к перераспределению температуры по поперечному сечению детонационной камеры 1. Самая высокая в температура в детонационной камере 1 будет на ее оси, а самая низкая - у внутренней поверхности детонационной камеры 1, что способствует ее охлаждению в процессе работы детонационного двигателя. Кроме того, это перераспределение соотношения компонентов топлива в поперечном сечении детонационной камеры 1 также ослабляет интенсивность детонационной волны ДВ1 путем ее дальнейшего разрушения, что предотвращает проникновение ее в систему топливоподачи топливно-воздушной смеси, а следовательно, исключает ее детонирование.
Детонационная волна ДВ1 проходя через МГД-генератор возбуждает Холовскую разность потенциалов, которая через усилительно-преобразующее устройство 6 передается на инициатор 7.
Когда детонационная волна ДВ2 выходит из детонационной камеры 1, в ней остаются продукты детонации с высокой температурой и давлением. При выходе детонационной волны ДВ2 из детонационной камеры 1 на открытом конце образуется перепад давлений. Эта разность давлений создает серию волн разрежения, которые, распространяясь в камере со скоростью звука, удаляют продукты детонации. Волна разрежения связана с уменьшением внутрикамерного давления и готовит детонационную камеру 1 к поступлению новой порции топливно-воздушной смеси. После завершения данного цикла напряжение с кольцевой катушка 11 снимается до следующего цикла.
Дальнейший детонационный цикл осуществляется автоматически за счет реализации внутрикамерной газодинамической связи.
Выключение двигателя осуществляется путем подачи сигнала от системы управления 3 на систему топливоподачи для прекращения подачи топливно-воздушной смеси в детонационную камеру 1.
Таким образом, сочетание детонационного двигателя с устройством магнитогидродинамического регулирования потоком с устройством ионизации позволит значительно
улучшить характеристики двигателя, в том числе увеличить КПД двигателя за счет более полного использования энергии рабочего тела, а также организовать непрерывный детонационный процесс. Кроме того, реализация данного цикла работы детонационного двигателя способствует упрощению его конструкции, уменьшению габаритов и массы, уменьшению затрат внешней энергии, необходимой на срабатывание инициатора и предотвращению проникновения детонационной волны в систему топливоподачи.