Универсальный реактивный двигатель (УРД)
UNIVERSAL JET ENGINE (URE)

1. Описание изобретения
Изобретение относится к производству реактивных двигателей летательных аппаратов, создающих тягу только за счет реактивной струи, и предназначено к использованию летательными аппаратами в качестве его модификации в виде двигателя для крылатой ракеты, дозвукового, сверхзвукового и гиперзвукового летательного аппарата, космоплана на жидком, газообразном топливе.
2. Уровень техники
Универсальный реактивный двигатель, (УРД), и его модификации, (с 2 секционной камерой сгорания - УРД2с), относятся к ракетным и воздушным реактивным двигателям, использующим для создания тяги с механическими клапанами, только реактивную струю газов, в том числе и от ядерного реактора, как источника тепловой энергии, но без использования компрессора, турбины.
1) Прототипы
Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (далее ПуВРД) немецкой крылатой ракеты времен Второй мировой войны Фау-1 (см. Г.Б. Синярев, М.В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. - Оборонгиз, 1957, с. 19, 20).
Так же известны конструкции ПуВРД, использующие аэродинамические клапаны, "Нестационарное распространение пламени", под ред. Дж. Г. Маркштейна, М.: МИР, 1968, с. 401-407. Кроме того, ПуВРД, в которых осуществлена замена механических клапанов на аэродинамические, описаны в патентах США №2796735, 1957; №2796734, 1957; №2746529, 1956; №2822037, 1958; 2812635, 1957; 3093962, 1963.
Достоинствами ПуВРД с механическими клапанными решетками являются простота и дешевизна, небольшой вес, надежность. К недостаткам таких ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия), один режим работы, малый диапазон эксплуатационных высот и скоростей.
Повысить удельную и лобовую тягу и снизить удельный расход топлива можно путем увеличения амплитуды пульсаций давления для пульсирующих режимов, а так же использования в прямоточных и ракетных режимах работы УРД больших степеней сжатия воздуха в камерах сгорания. Увеличение же амплитуды пульсаций давлений на пульсирующих режимах, повышение степени сжатия воздуха в камере сгорания в прямоточных и некоторых ракетных режимах приведет к росту термодинамического КПД и соответственно к снижению удельного расхода топлива.
К недостаткам таких ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия), потери тяги на аэродинамические клапана.
2) Техническая задача решается за счет:
a) Объединения 3 типов двигателей (ракетного «РД», Воздушных; Пульсирующего-«ПуВРД», прямоточного-«ПВРД»,) в один, который может иметь по крайней мере 10 режимов работы двигателя.
b) Снабжения двигателя газогенераторным отсеком, соединенным с топливной системой и системой подготовки и впрыска топливной смеси.
c) Системы одновременного воспламенения, которая содержит свечи зажигания, размещенные через равно удаленные промежутки по всей длине камеры сгорания и соединенные с системой зажигания.
d) Применения способов организации и регулировки пульсирующих режимов работы камер сгорания, путем использования форсунок, которые выполнены с возможностью осуществлять впрыск топлива только при понижении давления в ней, где для рассогласования пульсаций камер сгораний, в режимах автоколебаний использовать систему одновременного воспламенения этой камеры сгорания.
e) Применения способов регулирования параметрами и режимами работы двигателя при помощи передних клапанов с осями вращения, путем приложения к ним переменных усилий пружинного механизма, зависящих от величины скоростного напора, которые выполнены с возможностью их закрытия до начала цикла воспламенения под воздействием струи впрыскиваемого топлива и упомянутого пружинного механизма.
f) Применения способов улучшения характеристик двигателя, управления его параметрами и режимами работы, за счет применения максимально-возможных площадей отбора воздуха воздухозаборником и поэтапными изменениями упомянутых площадей.
g) Применения способов; управления параметрами и режимами двигателя, увеличения эксплуатационного ресурса, при помощью выдвигающегося заднего клапана с осью вращения, за счет увеличения амплитуды его угловых отклонений, удаления его из зоны горения на прямоточных и некоторых ракетных режимах.
3) Техническим результатом изобретения является:
a) Расширения диапазона высот и скоростей от нулевых до космических, за счет использования; пульсирующих прямоточных, и ракетных режимов работы УРД и высотной программы полета.
b) Создания универсального реактивного двигателя для освоения воздушного и космического пространства самолетными технологиями.
c) Повышение термодинамического КПД, снижению удельного расхода топлива, пульсирующего и других режимов работы УРД, путем увеличения; степени сжатия и массы расхода воздуха в камере сгорания, амплитуды пульсаций давления, скорости сгорания горючей смеси, использования детонационных режимов сгорания топлива.
4) Краткое описание чертежей и рисунков.
Все фигуры и детали пронумерованы по порядку. Повторяющихся номеров нет. Большая часть рисунков по УРД с двух секционной камерой сгорания.
a) Рисунки:
Фиг. 1. УРД в режиме «Максимального взлетного, ракетного» в таблице (фиг. 35) за №1. Передние клапана (5) закрыты, Топливо с окислителем (24), заполняет камеры сгорания (2). Задний клапан (8)убран.Через форсунки (6) впрыскивается окислитель и топливо. Реактивная газовая струя (10) из камеры сгорания(2) создает реактивную тягу.
Фиг. 2. УРД в режиме «Пульсирующий вынужденный ракетный» в таблице (фиг. 35) за №2. Передние клапана (5) закрыты, Топливо с окислителем (24), заполняет правую камеру сгорания (2). Задний клапан (8)перекрывает ее. Реактивная газовая струя (10) из левой камеры сгорания создает реактивную тягу.
Фиг. 3. УРД в режиме «Пульсирующий вынужденный воздушный» в таблице (фиг. 35) за №5. Правый передний клапан (5) открыт, воздушный поток (11), заполняет свою камеру сгорания (2) воздухом. Задний клапан (8)перекрывает ее. Реактивная газовая струя (10) из левой камеры сгорания создает реактивную тягу.
Фиг. 4. УРД в режиме «Пульсирующий вынужденный воздушный» в таблице (фиг. 35) за №5. Правый передний клапан (5) открыт, воздушный поток (11), заполняет свою камеру сгорания (2) воздухом. Задний клапан (8)перекрывает ее. Реактивная газовая струя (10) из левой камеры сгорания создает реактивную тягу.
Фиг. 5. УРД в режиме «Прямоточный воздушный» в таблице (фиг. 35) за №9. Передние клапана (5) открыты, воздушный поток (11), заполняет камеры сгорания (2) воздухом. Задний клапан (8) убран. Через форсунки (12) впрыскивается окислитель и топливо. Реактивная газовая струя (10) из камеры сгорания (2) создает реактивную тягу.
Фиг. 6. УРД в режиме «Пульсирующий вынужденный синхронный ракетный» в таблице (фиг. 35) за №3. Передние клапана (5) закрыты, Топливо с окислителем (24), заполняет камеры сгорания (2). Задний клапан (8) убран. Через форсунки (12) впрыскивается окислитель и топливо. Реактивная газовая струя (10) из камеры сгорания (2) создает реактивную тягу.
Фиг. 7. УРД в режиме «Пульсирующий автоколебательный ракетный» в таблице (фиг. 35) за №4. Передние клапана (5) закрыты, Топливо с окислителем (24), заполняет левую камеру сгорания (2). Задний клапан (8)закрыт. Через форсунки (6) впрыскивается окислитель и топливо. Реактивная газовая струя (10) из правой камеры сгорания(2) создает реактивную тягу и зажигает другую камеру сгорания.
Фиг. 8. УРД в режиме «Пульсирующий автоколебательный ракетный» в таблице (фиг. 35) за №4. Передние клапана (5) закрыты, Топливо с окислителем (24), заполняет правую камеру сгорания (2). Задний клапан (8) закрыт. Через форсунки (6) впрыскивается окислитель и топливо. Реактивная газовая струя (10) из правой камеры сгорания(2) создает реактивную тягу и зажигает другую камеру сгорания.
Фиг. 9. УРД в режиме «Пульсирующий вынужденный воздушный» в таблице (фиг. 35) за №6. Левый передний клапан (5) открыт, воздушный поток (11), заполняет свою камеру сгорания (2) воздухом и топливом. Реактивная газовая струя (10) из правой камеры сгорания(2) создает реактивную тягу и зажигает другую камеру сгорания.
Фиг. 10. УРД в режиме «Пульсирующий вынужденный воздушный» в таблице (фиг. 35) за №6. Правый передний клапан (5) открыт, воздушный поток (11), заполняет свою камеру сгорания (2) воздухом и топливом. Реактивная газовая струя (10) из левой камеры сгорания (2) создает реактивную тягу и зажигает другую камеру сгорания.
Фиг. 11. УРД в режиме «Пульсирующий автоколебательный с системой зажигания» в таблице (фиг. 35) за №7. Передние клапана (5) открыты, воздушный поток (11), заполняет камеры сгорания (2) воздухом. Через форсунки (6) впрыскивается топливо. Правая система одновременного воспламенения активирует свечи зажигания Реактивная газовая струя (10) из камеры сгорания (2) создает реактивную тягу и зажигает другую камеру сгорания. Используется для запуска в воздухе.
Фиг. 12. УРД в режиме «Пульсирующий автоколебательный с системой зажигания» в таблице (фиг. 35) за №7. Передние клапана (5) открыты, воздушный поток (11), заполняет камеры сгорания (2) воздухом. Через форсунки (6) впрыскивается топливо. Левая система одновременного воспламенения активирует свечи зажигания. Реактивная газовая струя (10) из камеры сгорания(2) создает реактивную тягу и зажигает другую камеру сгорания. Используется для запуска в воздухе.
b) Графики работы 2-камерной камеры сгорания в пульсирующем режиме вынужденных колебаний.
Фиг. 13. Графики работы системы одновременного воспламенения, Генератор переменного тока выдает напряжение, как функция Uп=f(t), которое усиливается в катушках зажигания и подается поочередно на свечи зажигания камер сгорания. Используется при запуске и режимах вынужденных пульсаций.
Фиг. 14. Графики работы камеры сгорания. Пульсация давлений камеры сгорания (Рф1 и Рф2), как функция Р=f(t). Пики давлений от резкого повышения в результате сгорания воздушно топливной смеси от системы одновременного воспламенения.
Фиг. 15. Графики работы камеры сгорания. Пульсация скоростей воздушного потока в камерах сгорания (V1 и V2), как функция V=f(t). Пики скоростей от резкого повышения давления в результате сгорания воздушно топливной смеси от системы одновременного воспламенения.
Фиг. 16. Графики работы камеры сгорания. Изменение углов отклонений; передних (левого, правого) и заднего клапанов, как функция ﮮК=f(t), где магниты (31) создают «Петлю Гистерезиса» улучшающие характеристики работы двигателя.
c) Отдельные элементы конструкции:
Фиг. 17. Работа топливной системы, газогенератора двигателя. Схематичное изображение УРД (воздухозаборника, камер сгорания, сопла…)
Фиг. 18. Закрытое положение Форсунки-клапана. Форсунка вкручена по резьбе в стенку камеры сгорания (2), пружина (37) под давит на поршень (34) силой (Fт), электромагнит (35) обесточен, либо создает силу (Fм) на закрытие форсунки, впрыска нет. Форсунки клапана предназначены для организации пульсирующего, автоколебательного режима работы двигателя.
Фиг. 19. Открытое положение Форсунки-клапана. Реактивная струя газов (10)-отсутствует, электромагнит (35) создает небольшое усилие (Fм) на открытие клапана. Топливная смесь под высоким давлением впрыскивается в камеру сгорания на время длительности импульса на обмотке (35). Длительность импульса, (количество топлива) задается автоматикой или электронно-вычислительным комплексом. С обмотки следящего устройства (36) снимается напряжение в систему контроля двигателя (замер частоты пульсации, контроль работы форсунки), которое может быть также передано в систему зажигания для запуска «системы одновременного воспламенения».
Фиг. 20. Закрытое положение Форсунки-клапана. Реактивная струя газов (10)-давит на поршень перекрывая каналы подачи топлива. В аварийном отключении подачи топлива, электромагнит (35) создает усилие (Fм) на перекрытие канала подачи топлива в форсунку. Впрыска нет.
Фиг. 21. Пружинный механизм, исполняет функцию автоматического регулирования параметров и режимов работы «УРД», путем изменения усилий пружины на передних клапанах в зависимости от величины скоростного напора перед входом в камеры сгорания.
Фиг. 22. Вариант модификации УРД; 3 отсека камеры сгорания в форме треугольных призм образуют треугольную призму с вогнутым основанием со стороны воздухозаборника(1) и выпуклым со стороны сопла. 3 передних клапана(5)и 3 задних (9) на осевых шарнирах крепятся по 3 сторонам периметра камеры сгорания впереди и сзади.
Фиг. 23. Вид спереди на (фиг. 22) на 3 отсека камеры сгорания (2) и передние клапана (5).
Фиг. 24. Вид с боку на УРД с 3 отсеками камеры сгорания, воздухозаборник, сопло.
Фиг. 25. Вид сзади на (фиг. 22) камеру сгорания, клапана, сопло.
Фиг. 26. Вариант модификации УРД; Прямоугольная, (квадратная) камера сгорания состоящая из 4 треугольных призм с вогнутым основанием со стороны воздухозаборника (1), и выпуклой со стороны сопла(3).
Фиг. 27 Вид сзади квадратной камеры сгорания (2)на (фиг. 26), задних клапанов (9)и сопла (3). Верхний клапан открыт, правый приоткрыт, остальные закрыты.
Фиг. 28 Вид с боку воздухозаборника (1) на (фиг. 26), квадратной камеры сгорания (2), задних клапанов (9) и сопла (3)
з
Фиг. 29. Вариант УРД с увеличением углов отклонений заднего клапана (ﮮК)
Фиг. 30. Вариант сужающейся камеры сгорания, образующую «сопло Ловаля», для одноразовых модификаций УРД.
Фиг. 31. Сверзвуковой, Гиперзвуковой летательный аппарат с двумя УРД на концах крыла. Способ размещения максимально больших воздухозаборников на крыле с поэтапным, посекционным регулированием площади входного сечения (Sвх) воздухозаборника с корневых частей крыла.
Фиг. 32. Сверзвуковой-Гиперзвуковой Летательный аппарат с 1 УРД на фюзеляже. Способ размещения максимально большого воздухозаборника на крыле с поэтапным, посекционным регулированием площади входного сечения (Sвх) воздухозаборника с концевых частей крыла.
Фиг. 33. Сверзвуковой-Гиперзвуковой летательный аппарат «обратной стреловидности» с двумя УРД на концах фюзеляжа. Способ размещения максимально больших воздухозаборников на крыле с изменяемыми углами наклона воздухозаборников с поэтапным, посекционным регулированием площади входного сечения (Sвх) воздухозаборников с корневых и концевых частей крыла.
Фиг. 34. Сверзвуковой-Гиперзвуковой летательный аппарат крыла «обратной стреловидности с одним УРД на фюзеляже. Способ размещения максимально большого воздухозаборника на крыле с постоянными углами наклона воздухозаборников с поэтапным, посекционным регулированием площади входного сечения (Sвх) воздухозаборников с концевых частей крыла.
Фиг. 35. Таблица эксплуатационных режимов работы двигателя, описанных в (фиг. 1-12).
d) Детали.
(1) Условное изображение. Сужающийся (конфузорный) регулируемый по площади отбора воздуха воздухозаборник прямоугольного сечения с максимально-возможными степенями сжатия воздуха (фиг. 1-8, 31-34).
(2) Камера сгорания прямоточная многосекционная, (две и более секций) прямоугольного, (треугольного) сечения. В 2-х секционной камере сгорания между секциями возможна установка модуля ядерного реактора для преобразования атомной тепловой энергии в реактивную впрыском воды и нагревом воздуха, без использования другого топлива.
(3) Сопло регулируемого входного и выходного сечения, прямоугольного сечения. Условное изображение.
(4) Накладные опорные пластины в камере сгорания. Расходный элемент конструкции. Создают опору для клапанов по периметру, герметизируют секции камеры сгорания.
(5) Передние клапана секций камер сгорания с осью вращения и пружинным механизмом на этой оси. Расходный элемент конструкции. Передают усилия от реактивной струи (10) на корпус двигателя.
(6) Форсунки впрыска топлива, окислителя, воды, в том числе струйные топливные со встроенным обратным клапаном (Форсунки-клапана) (фиг. 18-20) и следящей системой для запуска системы зажигания (36), только для пульсирующего режима. Условное изображение. Их количество, расположение, тип подбирается из условий модификации УРД.
(7) Система одновременного воспламенения и сгорания горючей топливной смеси. (Фиг. 17) Содержит несколько свечей зажигания в каждой секции камеры сгорания, расположенных по всей ее длине через одинаковое расстояние. Обеспечивает надежный запуск и сгорание топлива близкое к детонационному, работу на пульсирующих режимах работы.
(8) Задний клапан с свободной осью вращения (фиг. 29, 30) используется в выдвинутом и убранном (фиг. 1-12), и в неполном убранном положении. Повышает степень сжатия, защищает от самовоспламенения при режимах работы двигателя на вынужденных пульсациях двигателя. Использование магнита (31) улучшает характеристики работы УРД. Использование больших углов отклонений клапана (амплитуды) увеличивает его эксплуатационный ресурс.
(9) Накладные сменные, опорные пластины в конце секции камеры сгорания. Расходный элемент конструкции (фиг. 1-12).
(10) Реактивная расширяющаяся струя газов, создающая тягу двигателя (фиг. 1-12).
(11) Входящий воздушный поток (фиг. 1-12).
(1) Форсунки впрыска топлива и окислителя для гиперзвукового режима (фиг. 10-11).
(2) Турбина газового электрогенератора.
(3) Газогенераторный отсек камеры сгорания.
(4) Бак основного топлива.
(5) Бак стартового топлива.
(6) Расходный бак № 1.
(7) Расходный бак № 2.
(8) Перепускной клапан.
(9) Топливный подкачивающий насос.
(10) Распределительный механизм.
(11) Кран регулировки подачи топлива и окислителя, регулирует с учетом величины воздушного скоростного напора.
(12) Баллон инертного газа.
(13) Горючая смесь (топливо и окислитель) через форсунки.
(14) «УРД».
(15) Вертикальное оперение.
(16) Отбор воздуха для наддува кабины и зарядки пневмосистемы.
(17) Пружины, закрепленные на оси вращения переднего клапана.
(18) Планка управления пружинным механизмом.
(19) Привод пружинного механизма анероидного, электромеханического или гидравлического типа. Изменяет усилия на передних клапанах по их закрытию в зависимости от величины скоростного напора перед камерой сгорания.
(20) Магнит (электромагнит) заднего клапана. В безвоздушном пространстве должен суметь закрыть нужную секцию камеры сгорания для последующего запуска двигателя.
(21) Пластина для увеличения отбора воздуха в УРД.
(22) Корпус форсунки неподвижный вкручивается по резьбе в стенки камеры сгорания (2). На корпусе размещены обмотки электромагнита.
(23) Поршень с иглой форсунки, на оси которого закреплены магниты. От сил; реактивной струи газов (10), пружины (37) направления и силы тока от управляющей обмотки (35) зависит положение поршня, открытие или закрытие впрыска топлива.
(24) Управляющий электромагнит с обмоткой, создает силу (Fм), которая может менять величину и направление приложения силы на 180 градусов.
(25) Следящая обмотка. Перемещение магнита в обмотке будет создавать электрический ток, частота которого совпадет с частотой пульсаций в секции камеры сгорания, а направление движения тока связано с направлением перемещения поршня (34).
(26) Пружина.
a) Обозначения.
Sвх.Обозначениеплоскостисечения площади на входе в воздухозаборник  (фиг. 1 и 8).
Sкс.Обозначение плоскости сечения площади на входе в камеру сгорания (фиг. 1-8, (фиг. 1-8, 31-34).
Для Графиков (фиг. 13-16).
п
л
п,
л
U, U, U - Напряжение управляющее зажиганием (фиг. 13) U U - напряжение включения воспламенения в правой, левой камерах сгорания. Используется при запуске и режимах вынужденных пульсаций;
ф1
ф2
Р - давление и в камерах сгорания (Р, Р) (фиг. 14);
V - скорость воздуха на выходе из камер сгорания (фиг. 15);
_ _ _ Левая камера сгорания (фиг. 14-16);
____ Правая камера сгорания (фиг. 14-16);
__ ___ Углы отклонений заднего клапана (фиг. 16);
л
ло
лз
ﮮК ﮮК ﮮК – углы отклонения переднего левого клапана, открытого, закрытого положения (фиг. 16).
п
по
пз
ﮮК ﮮК ﮮК– углы отклонения переднего правого клапана, открытого, закрытого положения (фиг. 16).
з
зл
зл
ﮮК ﮮК ﮮК– углы отклонения заднего клапана, закрывающего; правую левую камеру сгорания, (фиг. 16), где (31) - изменение характеристик от применения магнитов для заднего клапана.
10
F - Сила струи исходящих газов в камере сгорания.
Fм - Сила от электромагнита.
Fп - Сила действия пружины.
3. Общие описание УРД:
1) Топливная система (Фиг. 17) предназначена:
- для 3-ступенчатого постепенного повышения давления газообразного топлива либо одноступенчатого резкого повышения давления в газогенераторном отсеке перед впрыском через форсунки в камеры сгорания с минимальными затратами электроэнергии.
- отвода лишнего тепла от частей двигателя, путем использования его на; выработку электроэнергии через турбину электрогенератора, обогрева помещений, подогрева и перекачки топлив.
Состоит из газогенераторного отсека (14), двух расходных (18, 17) и двух основных баков; для основного топлива (15) и стартового топлива (16), баллона с инертным газом (23), распределительного устройства (21), топливного насоса (20), перепускного клапана (19), крана регулировки подачи топлива и окислителя (22). Для крылатых ракет и некоторых других летательных аппаратов схему следует упростить частично или полностью, оставив только увеличенный газогенераторный отсек (14).
При запуске Стартовое топливо (спирт, бензин, метан…) из бака (16) закачивается в газогенераторный отсек (14) подкачивающим насосом под давлением, или самотеком в аварийном режиме. По команде запуск открываются краны подачи топлива и окислителя, через разные форсунки (6) осуществляется впрыск окислителя и топлива под низким давлением в камеру сгорания, образуя горючую смесь. Горючая смесь, распыляясь от удара в отражающую линзу передних клапанов, заполняет камеры сгорания. Эта смесь силой давления закрывают и поддерживают передние клапана в закрытом положении до воспламенения, чтобы избежать динамических ударов при воспламенении горючей смеси. Система воспламенения поджигает топливо в нескольких местах одновременно для сокращения времени сгорания горючей смеси, образования детонации.
a) Третья 3 ступень повышения давления топлива. Камера сгорания (2) нагревает газогенераторный отсек (14), поднимая давление за счет испарения топлива до заданного уровня, далее обеспечивая впрыск уже газообразного топлива под высоким давлением и температурой, близкой к самовоспламенению, через форсунки (6) в камеры сгорания (2).
b) Вторая ступень повышения давления топлива. Расходные баки (17, 18), куда поступает давление газов из распределительного устройства (21), поднимая давление топлива перед подкачивающим насосом (20).
c) Первая ступень повышения давления топлива. Излишнее давление газов через перепускной клапан, поступает в распределительное устройство (21), от него в один из расходных баков (17), где повышает давление топлива до заданного повышенного уровня перед подкачивающим насосом (20) (2 ступень повышения давления).
d) Подкачивающий насос состоит из газовой турбины-насоса с возможностью аварийной работы от электродвигателя. Насос за счет давления газов из газогенераторного отсека (14), перекачивает в него топливо, чем поддерживает определенный уровень топлива в отсеке газогенератора. После падения уровня топлива в баке (17) до минимального, распределительное устройство (21) переключает газы поддавливания на другой бак (18), а отработавший бак переключает в режим наполнения с бака основного топлива (15). Излишнее давление газов распределительным устройством (21) через газовую турбину электрогенератора (13), охлаждая камеру сгорания, сбрасывается в бак основного топлива, где конденсируются в жидкое состояние, создавая там небольшое заданное избыточное давление топлива для наполнения пустого бака (17, 18). Баллон инертного газа используется, как аварийный режим для поддержания минимального уровня давления топлива для перекачки топлива в расходные баки, а потом в расходных для поднятия давления топлива перед подкачивающим насосом, и работает, если давления газов из газогенераторного отсека не хватает для пополнения топливом расходных баков, перекачивающего насоса. Основной режим работы топливной системы не предусматривает использование электричества, баллона инертного газа и обеспечивает отвод тепла от камеры сгорания, использование тепловой энергии для обеспечения работы топливной системы.
Упрощенный вариант топливной системы содержит только газогенераторный отсек со стартовым топливом и основной бак. После воспламенения и нагрева, давление газов топлива из газогенераторного отсека выдавливает топливо в основной бак.
2) Описание 3 видов пульсирующего режима Колебаний (фиг. 13-16):
I. Вынужденный вид пульсаций, когда задний клапан выдвинут и системой зажигания, процессом воспламенения управляет синусоидный электрический генератор. Все графики напряжения, давления и скорости воздуха, отклонения клапанов U, Р, V и К (фиг. 13-16) отражают суть происходящих процессов. В районе точек пересечения кривых давлений воздуха в камерах сгораний, задний клапан меняет свое положение, открывая одну камеру сгорания и перекрывая другую (фиг. 16). Установка магнитов (31) для фиксации закрытого положения заднего клапана улучшит характеристики работы двигателя (фиг. 16).
II. Автоколебательный вид пульсаций (фиг. 2), синхронизированный с системой воспламенения, когда задний клапан задвинут и воспламенение в камере сгорания происходит от реактивной струи газов соседней камеры сгорания (либо через детонационные патрубки). Поэтому график U напряжения электрического тока (фиг. 13) не используется. Графики Р, V, К отражают суть происходящих процессов в этом режиме. Частота пульсаций изменится.
III. Автоколебательный вид пульсаций с использованием системы воспламенения (фиг. 2), когда задний клапан выдвинут и воспламенение в камере сгорания происходит от системы воспламенения через заданный промежуток времени после начала впрыска топлива через электрическую цепь с контактами. Поэтому график U напряжения электрического тока (фиг. 13) не используется. Графики Р, V, К отражают суть происходящих процессов в этом режиме.
3) Графики параметров работы двигателя в Пульсирующем режиме (Фиг. 13-16);
(Р-давлений, V-скоростей воздуха на выходе из камер сгорания, К-отклонения клапанов, U-напряжений электрического тока по времени).
U - напряжение электрического тока в цепи воспламенения горючей смеси, только для режима вынужденных колебаний (Фиг. 13).
Р - давление воздуха в камере сгорания. Наклон роста давления Р зависит от количества точек воспламенения при вынужденном режиме колебаний давления и от наличия и длительности детонационных процессов в камере сгорания (Фиг. 14).
ф1
Р – давление, при котором закроются передние клапана. Определяется моментом включения в работу топливных форсунок. Разница моментов вращения на оси клапана от давлений входного скоростного потока, силы пружинного механизма, и давления в камере сгорания, силы от впрыска топлива через форсунку на клапан. Пружинный механизм подстраивается таким образом, чтобы при дозвуковом потоке воздуха, силы впрыска топлива из форсунки было бы достаточно для закрытия клапана перед воспламенением.
ф2
Р – давление, при котором откроются передние клапана. После цикла сгорания в пульсирующем режиме, возникает пониженное давление в камере сгорания, скоростной напор откроет клапан для обновления воздуха в камере сгорания.
V – скорость движения газов на выходе из камеры сгорания (фиг. 15) и из сопла будет пульсирующей, что дополнительно увеличит тягу.
Кﮮ ,
Кﮮ ,
Кﮮ
по
зп
п
л
ло
лз
ﮮК ﮮК ﮮК - углы отклонения переднего левого, правого клапана, открытого и закрытого положения (Фиг. 13-16). Работают поочередно в пульсирующих режимах, имеют малое лобовое сопротивлении, кроме синхронного. Синхронный режим работы УРД аналогичен работе основного режима прототипа ФАУ-1, имеет низкий КПД.
з
зл
зл
ﮮК ﮮК ﮮК - углы отклонения заднего клапана, закрывающего; правую, левую камеру сгорания, (Фиг. 13-16). В закрытом положении задний клапан герметизирует эту секцию камеры сгорания, для подготовки ее к воспламенению.
(31) - изменение характеристик от применения магнита. Положение заднего клапана будет определяться разностью давлений от отсеков камеры сгорания на пластине клапана. После воспламенения в секции давление резко возрастает, потом быстро падает, а в другом отсеке давление плавно возрастает, клапан начнет приоткрываться. Магнит должен удержать клапан в закрытом положении до момента возгорания.
4) Конструкция УРД, основной модификации УРД2С.
УРД2С состоит из прямоугольного сечения; управляемого воздухозаборника (1) геометрического сжатия, двух секций (вариант УРД2С) камеры сгорания (2), одного выходного регулируемого сопла (3).
Способ управления параметрами и режимами УРД, изменением площадей отбора воздуха воздухозаборником основана на уравнении «Бернули» для горизонтальной трубы, уравнение неразрывности трубы, и особенностей сверхзвукового потока.
+P=const,
где ρ- плотность воздуха,
V - скорость потока,
Р - давление воздуха,
V1 - скорость потока на входе в воздухозаборник,
V2 - скорость потока на выходе из воздухозаборника,
S1, Sвх - площадь отбора потока воздуха на входе в воздухозаборник (фиг. 1-12, 31-34),
S2, Sкс - площадь потока воздуха на входе в камеру сгорания.
На входе в камеры сгорания степень геометрического сжатия Екс1=Sвх/Sкс=S1/S2 увеличит плотность при торможении по сравнению с атмосферным, а скорость потока и число «М» в районе камеры сгорания (Vкс) в геометрической прогрессии от скорости полета летательного аппарата. То есть даже при дозвуковой скорости полета можно достичь числа «М» перед камерой сгорания достаточной для перехода на прямоточный режим.
Управляемые створки воздухозаборника можно разместить на фюзеляже и в крыльях летательного аппарата (фиг. 31-34); (по передней кромке, на верхней или нижней поверхности крыла). Тогда, после обеспечения максимально большого отбора воздуха, управляя площадью входного сечения воздухазаборника с помощью секционных створок, на крыле или на фюзеляже, будет оптимизировано переключение режимов работы двигателя и их использование с режимом полета летательного аппарата, обеспечивая максимальные диапазоны; режимов работы двигателя, высот и скоростей полета Летательных аппаратов с «УРД». Проще расположение на фюзеляже летательного аппарата. Но современные тенденции развития самолетостроения идут по пути создания и фюзеляжами подъемной силы. Размещение управляемых створок и на крыле будет отвечать тенденции развития этой концепции в получении максимально возможных площадей отбора воздуха воздухозаборником.
a) В камерах сгорания установлены передние клапана (5), форсунки для впрыска топлива и окислителя (6), система воспламенения (7), задний клапан в виде выдвигающейся пластины (8), (для 2-секционного варианта использования.) Установка в камеру сгорания модуля ядерного реактора и его включение на прямоточных режимах, снизят расходы углеводородного топлива.
a. Передние (5) и задний (8) клапана крепятся на осях с подшипниками передние клапана в виде пластин (либо жестко защемленные с одного края гибкие пластины в варианте одноразового использования в крылатой ракете), опирающиеся в закрытом положении по всему периметру на верхние и нижние накладные опорные треугольные пластины (4), и элементы конструкции. Передние клапана, (6) силой пружины и впрыска топлива закрываются до момента воспламенения, чтобы исключить резкие удары клапанов о конструкцию от ударных волн. Тогда динамическая нагрузка в камере сгорания от ударной волны на клапана будет передаваться через весь периметр уже закрытых клапанов, опирающихся на накладные пластины и другие элементы конструкции двигателя.
Разность давлений газов реактивной струи (10) и подготовленной горючей смеси (24)в другой секции будет влиять на силу удара заднего клапана о стенки, (фиг. 29). Поэтому в целях продления эксплуатационного ресурса этого клапана, угловую амплитуду колебаний заднего клапана следует увеличивать, даже до углов больше 180 градусов, (фиг. 29) до достижения незначительной разницы давлений воздуха камер сгорания на пластине этого клапана на пульсирующих режимах. Здесь разница давлений воздуха в секции подготовки к горению и реактивной струи другой секции камеры сгорания будет не велика. Что позволит уменьшить разницу сил воздействующих на него, затормозить движение на закрытие за счет противодавления, ослабить силу удара, тем самым увеличить ресурс его эксплуатации.
b. Система воспламенения (фиг. 17) состоит из свечей зажигания расположенных через равные расстояния для одновременного и полного сжигания, подготовленной горючей смеси, нагретой до температуры близкой к самовоспламенению, что позволит сократить; времени горения в цикле и расходы электроэнергии на поджигание горючей смеси, повысит амплитуды давления и КПД. Система воспламенения используется для инициации пульсирующих вынужденных колебаний, а в автоколебательном режиме воспламенение происходит от реактивной струи газов из другой секции камеры сгорания.
10
10
c. Форсунки-клапана (фиг. 18-20, 4) применяются, как вариант инициации, организации пульсирующего, автоколебательного, не синхронизированного с другими секциями камеры сгорания, режима работы двигателя. Они состоят: из корпуса форсунки, поршня, регулировочной пружины, 2 обмоток провода. Перед запуском (фиг. 18) пружина (37) прижимает поршень к соплу форсунки. Впрыск закрыт. При аварийном отключении, дополнительно подается напряжение обратной полярности на обмотку электромагнита для создания силы (Fм) для прекращения впрыска (фиг. 18), либо большего напряжения прямой полярности (фиг. 20). Для включения пульсирующего режима работы двигателя, подается небольшое напряжение на обмотку (35)прямой полярности, чтобы преодолеть силу пружины (Fп) для приоткрытия топливных каналов впрыска горючего (фиг. 19) в течение длительности импульса тока на обмотке (35). После чего поршень переместится влево, перекрыв впрыск топлива (фиг. 18). После возгорания, силой (F) поршень переместится в крайне правое положение, перекрыв подачу топлива. При падении давления (F) в камере сгорания Следящая обмотка (36) выдаст электрический сигнал, для включения начала отсчета времени работы электромагнита, поршень вновь переместиться влево в положение (фиг. 19), произойдет впрыск топлива в период действия электрического импульса.
d. Пружинный механизм (фиг. 21) и струя топлива (24) в пульсирующем режиме должны поддерживать 2 передних клапана (5) в закрытом положении. По мере роста скоростного напора давление воздуха на передние клапана увеличится в разы, для уравновешивания баланса сил, привод пружинного механизма (30) в зависимости от величины скоростного напора воздуха, по заданной программе перемещает Планку управления пружинным механизмом (29), затягивая пружину (28), чем увеличивает крутящий момент на закрытие передних клапанов, компенсируя увеличение силы скоростного потока, не давая ему открыть передние клапана ранее положенного цикла, тем самым обеспечивают герметичность и передачу всей силы реактивной тяги на элементы конструкции УРД, и далее на летательный аппарат.
b) Сопло (3) в зависимости от режима полета меняет свое входное и выходное сечение в целях получения максимальной тяги двигателя.
5) Режимы работы РД (фиг. 32) образуются следующими факторами:
a) Положение заднего клапана.
I. Выдвинутый задний клапан организует с системой зажигания Пульсирующий Вынужденный режим работы УРД.
Пульсация двигателя инициируется и управляется генератором импульсов системы воспламенения горючей смеси.
a. Система воспламенения в камерах сгораниях работает поочередно, если напряжение воспламеняет секции камер сгорания по очереди (фиг. 3-4).
b. Система воспламенения в камерах сгораниях работает синхронно, одновременно если напряжение воспламеняет секции камер сгорания одновременно (аналог режима ФАУ-1) (фиг. 1, 6).
c. Система воспламенения в камерах сгораниях работает по команде от срабатывания клапана форсунки с задержкой времени на распыление топливной смеси. Таким образом, клапана форсунки становится инициирующим устройством автоколебательного пульсирующего не синхронизированного режима с использованием в работе системы воспламенения и заднего клапана (фиг. 18-20).
II. Задний клапан убран (фиг. 1, 6-12). Тогда реактивная воздушная струя одной секции камеры сгорания сжимает и поджигает горючую смесь в сопловом аппарате другую камеру сгорания со стороны сопла, образуя Пульсирующий, Автоколебательный, Детонационный, режим работы РД с ударной волной от сопла к воздухозаборнику, обеспечивая полное сгорание топлива и хорошие тяговые характеристики, высокое КПД. Электрическая система воспламенения горючей смеси должна быть отключена.
a. Передние клапана закрываются за счет силы пружинного механизма и давления впрыска горючей смеси через струйные форсунки высокого давления (6) до воспламенения, а открываются силой скоростного напора, и только после падения давления в камере сгорания после прогорания горючей смеси. Пульсирующий режим (фиг. 3-4).
b. Передние клапана не открываются при непрерывной подачи топлива, горения горючей смеси в камерах сгорания. Ракетный режим (фиг. 1).
c. Передние клапана не закрываются на сверхзвуке (фиг. 5) сила скоростного напора больше силы пружинного механизма, да и форсунки для закрытия клапанов уже не используются. Прямоточный режим. Здесь возможен переход на подогрев воздушного потока от ядерного реактора и полное отключение питания углеводородным топливом.
Достоинства: Низкий расход электроэнергии, полное сгорание топлива, частично детонационный процесс сгорания горючей смеси.
a) Впрыск окислителя и Положение передних обратных клапанов.
I. При недостаточности кислорода в воздушном скоростном потоке может впрыскиваться окислитель частично или полностью. Условно это Ракетный режим работы РД (фиг. 1).
a. Передние клапана постоянно закрыты. На околонулевой скорости V=0 на земле и при полете в верхних слоях атмосферы, в безвоздушном пространстве, при непрерывной подачи топлива через форсунки и горении, клапана закрыться не могут, (мал скоростной напор). Для поддержания горения нужен окислитель. Задний клапан не нужен. Режим работы РД ракетный взлетный. А для запуска двигателя в космосе нужен задний клапан для повышения надежности запуска за счет повышения давления в камере сгорания.
b. Передние клапана открываются и закрываются образуя Пульсирующий режим работы (фиг. 3-4) с впрыском окислителя Режим работы РД ракетный пульсирующий вынужденных колебаний или автоколебаний, в зависимости от положения заднего клапана. Используется на взлете и разгоне скорости до включения воздушного режима работы двигателя.
c. Передние клапана открыты. При достижении скорости звука перед камерой сгорания, возникает скачок уплотнения, который не допускает расширение газов от горения горючей смеси в воздухозаборник. Передние клапана уже не нужны, и они будут открыты. Режим работы прямоточный (фиг. 5). Это основной режим работы УРД. В верхних слоях атмосферы нужен впрыск окислителя, режим прямоточный ракетный.
II. С разгоном скорости до необходимой для прекращения впрыска окислителя и до достижения верхних слоев атмосферы используется воздушный режим работы двигателя.
a. Передние клапана открываются и закрываются образуя воздушный Пульсирующий воздушный режим работы двигателя вынужденными колебаниями или автоколебаниями.
b. Передние клапана открыты. Дальнейший разгон скорости более сверхзвуковой на входе в камеру сгорания используется Прямоточный воздушный режим.
Совокупность этих факторов и условий полета образуют 10 режимов работы УРД, отражены в таблице (Фиг. 35).
В связи с тем, что ограничения режимов работы связаны со скоростью потока перед камерой сгорания, которая будет зависеть от степени геометрического сжатия воздухозаборником. В частности, включение прямоточного режима УРД произойдет на дозвуковой скорости полета, когда скорость перед камерой сгорания станет уже сверхзвуковой. Еще при детонации, скорость ударной волны будет больше скорости звука, что внесет еще ограничения. Тогда в графе ограничения обозначения, указанные в таблице, будут означать:
Нет - ограничения для данного режима отсутствуют.
Да - ограничения имеются, использование режим не возможно.
Проблемный запуск - для пульсирующего автоколебательного ракетного режима, будет осложнен низким давлением горючей смеси в камере сгорания при убранном заднем клапане.
пр
V=0-V - по скорости от нулевой до включения прямоточного режима.
св
гз
V<V<V - по скорости от сверхзвуковой до гиперзвуковой на входе в камеру сгорания.
св
свк
V<V<V - детонационный прямоточный автоколебательный режим включается по достижению сверхзвуковой скорости прямоточного режима перед ходом в камеру сгорания, и должен быть отключен по достижению сверхзвуковой скорости воздушного потока в самой камере сгорания, когда скорость детонационной ударной волны сравняется со скоростью воздушного потока в камере сгорания.
св
к
V<V<V - Прямоточный ракетный может работать от скорости включения прямоточного режима и до космических скоростей. В космосе в безвоздушном пространстве, передние клапана закроются полностью, режим станет ракетным взлетным.
Разнообразие конструкций и режимов работы УРД определят разнообразие и универсальность его модификаций.
6) Некоторые другие Варианты УРД
a) Трехсекционная камера сгорания, в поперечном сечении треугольная призма. (Фиг. 22-25) Объемное изображение, виды; спереди, с боку (клапана закрыты), сзади (клапана открыты).
Четырех секционная камера сгорания, в поперечном сечении прямоугольник (Фиг. 26-28). Объемное изображение (клапана закрыты), виды: спереди, с боку, сзади (клапан верхний открыт, правый приоткрыт, нижний и левый закрыты). Работа передних клапанов аналогична двух секционной схеме камеры сгорания. Задние клапана не убирающиеся, на прямоточных режимах они прижимаются к стенке сопла (диффузора).
з
(Фиг. 29) Двухсекционная камера сгорания, в поперечном сечении прямоугольник. Здесь у заднего клапана расширен диапазон углов отклонений (К) на углы более 180 градусов. Закругление поверхности сопла, (диффузора) превращает задний клапан в поршень, который силами реактивной струи газов тяги двигателя (10) секции камеры сгорания, сжимает горючую смесь в другой секции камеры сгорания, перекрывая, герметизируя ее для сжатия там, повышения давления воздуха. Таким образом, сила удара пластины об верхние и нижние опорные пластины (9) и уступ будет зависеть от разницы давлений в секциях камеры сгорания. Тогда найдется предельный угол отклонения заднего клапана, где разность этих сил будет минимальна, а следовательно и удар клапана о конструкции незначительным, что позволит облегчить клапан и продлить его ресурс.
(Фиг. 30) Двухсекционная камера сгорания, в поперечном сечении прямоугольник. Состоит из двух сужающихся секций камеры сгорания. Образуя «Сопло Лаваля».
b) Модификация УРД с ядерным модулем. В камере сгорания на большой площади, между секциями камер сгорания располагается ядерный модуль, который в режиме активации создает поле высоких температур во всех камерах сгорания. Из бака через форсунки обычная, но отфильтрованная вода, поступает в камеру сгорания, организуя следующие режимы УРД:
- Взлетный, максимальный режим: Высокое давление струи воды из передних форсунок закрывает передние клапана, вода под высоким давлением с других форсунок так же попадает в зоны высоких температур, образуя перегретый пар, который через регулируемое сопло создает максимальную постоянную реактивную тягу.
- Импульсный режим работы УРД. По мере разгона скорости, вода по управляющим командам подается импульсно поочередно в разные камеры сгорания передние клапана начинают поочередно открываться, запуская порции воздуха.
- Прямоточный сверхзвуковой режим работы двигателя. При разгоне до сверхзвуковых скоростей на входе в камеры сгорания постепенно прекратить впрыск воды и максимально увеличить расход воздуха через двигатель.
- Гиперзвуковой режим работы. На больших высотах, когда скоростного потока уже не хватит для создания реактивной тяги, вновь начинать впрыск воды в зону высоких температур для увеличения тяги двигателя и дальнейшего разгона в безвоздушном пространстве.
c) Использование парогенераторных циклов впрыска в камеры сгорания; воды, распадающихся на газы при нагревании и без процесса горения. После разогрева двигателя до высоких температур по данным от термодатчиков, вместо топлива одновременно через водные форсунки (46)впрыскивать поочередно;
- для пульсирующих режимов; в соответствии с фазой колебательных процессов в камерах сгорания, а частота повторения парогенераторных циклов переменная;
- для прямоточных режимов через заданные промежутки времени, кратковременно и под высоким давлением в зоны высоких температур камер сгорания, для образования перегретого пара, который охладит элементы конструкции двигателя и создаст реактивную тягу от струи пара через сопловой аппарат. Использование парогенераторных циклов впрыска воды в камеры сгорания позволит увеличить максимальные температуры выходящих газов, предохранит температурно напряженные элементы конструкции двигателя от перегрева, повысит внутреннюю энергию газов и тягу двигателя на пульсирующих и прямоточных режимах работы двигателя.
d) Использование парогенераторных контуров, отсеков для впрыска воды.
Основной двигатель окружает герметичный парогенераторный контур. При повышении температур нагрева камер сгорания и сопла до критических, в эти отсеки через водные магистрали и форсунки из бака насосом высокого давления впрыскивается вода, которая попадая на нагретый металл, охлаждает его, а перегретый пар поступает в сопловой аппарат для увеличения тяги двигателя на различных режимах работы двигателя. На пульсирующем режиме перегретый пар должен поступать в сопловой аппарат поочередно с разных секций в соответствии с частотой и фазой колебаний давлений в камере сгорания. Это обеспечит своевременное охлаждение и увеличит тягу двигателя.
4. Преимущества перед другими Реактивными двигателями
Диапазон скоростей и высот не менее существующих ракетных двигателей, что на порядок больше всех остальных реактивных двигателей, но с более высоким КПД, чем у ракетных двигателей. Пульсирующий режим работы УРД имеет большую тягу и КПД по сравнению с ПуВРД. Прямоточный режим УРД будет иметь больший диапазон скоростей по сравнению с ПВРД. Дешевизна и простота в изготовлении даст возможность использовать его модификации для любительской, малой и большой авиации. Основные характеристики по тяге и КПД УРД приблизятся на трансзвуковых, а на сверхзвуковых скоростях превзойдут ТРД.
5. Недостатки
a) Передние клапана в пульсирующих режимах будут испытывать большие температурные и механические нагрузки, а задние только температурные.
Меры борьбы
a. Клапана Прототипа, ФАУ-1 работали в течении 30-35 минут при частоте пульсаций около 47 Гц. Клапана УРД используют подшипники на оси вращения, которых у прототипа их не было. Амплитуда колебаний переднего клапана УРД будет в разы меньше, чем у Прототипа. Закрытие клапанов осуществляется впрыском струи топлива из форсунок, а не от ударной волны детонации в камере сгорания.
b. Сокращение времени работы пульсирующих режимов, за счет более раннего использования прямоточного режима. Использовать пульсирующие режимы работы УРД, как временные разгонные. Прямоточный основной режим работы двигателя.
c. Подбор материалов, изготовление лопаток с утолщением и ребрами жесткости.
d. Тщательная подгонка прилегания к клапанам верхних и нижних накладных опорных пластин для лучшей прочности и герметизации.
e. Сократить ресурс пластины клапанов. Более частый осмотр и замена. Легкий доступ к осмотру и замене на земле и в космосе.
f. Подбор углов рабочих амплитуд клапанов для уменьшения механической нагрузки на них.
g. Втягивание заднего клапана в нишу на ракетных и прямоточных режимах. Сократить время работы в вынужденном, пульсирующем режиме.
h. Зона горения на прямоточных режимах должна быть достаточно удалена от открытых передних клапанов.
i. Использование парогенераторных циклов в работе двигателя, парогенераторных контуров, отсеков для охлаждения и увеличения тяги двигателя.
b) По мере роста гиперзвуковой скорости зона горения будет все время перемещаться к соплу.
Меры борьбы
a. Снизить сопротивления в воздухозаборнике и камере сгорания. Уменьшать углы атаки, большие повороты воздушного потока в воздухозаборнике, формировать только косые скачки уплотнения.
b. Впрыскивать жидкое топливо, воду, окислитель для охлаждения. Удлинить камеру сгорания.
c. Использовать по очереди другие форсунки расположенные на входе в воздухозаборник.
d. Уменьшать площадь отбора воздуха воздухозаборниками.
c) При Ракетно-взлетном режиме низкое КПД на уровне ракетных двигателей.
d) Использование модификаций с парогенераторными циклами в работе двигателя, и парогенераторных отсеков потребует наличие запасов воды, их подогрева от промерзания, а так же разработку конструкций для конденсации воды из окружающего пространства.
6. Источники информации
a) Г.Б. Синярев, М.В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. - Оборонгиз, 1957, с. 19, 20.
b) "Нестационарное распространение пламени", под ред. Дж. Г. Маркштейна, М.: МИР, 1968, с. 401-407.
c) патенты США №2796735, 1957; №2796734, 1957; №2746529, 1956; №2822037, 1958; 2812635, 1957; 3093962, 1963.