ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ И СПОСОБ ЕГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
SOLID FUEL RAMJET ENGINE AND METHOD OF ITS FUNCTIONING

Область техники
Изобретение относится к силовым установкам летательных аппаратов различного назначения (беспилотных летательных аппаратов, летающих мишеней и т.п.), работающих на твердом углеводородном топливе (предпочтительно легкоплавком), не содержащем окислитель, например, полиэтилене, полипропилене, полистироле, полибутадиене, полиметилметакрилате и др.
4
2
Главная проблема, стоящая на пути создания воздушно-реактивных двигателей, работающих на твердом углеводородном топливе - обеспечение быстрой газификации твердого топлива и последующего быстрого и полного сгорания образованной топливно-воздушной смеси в условиях полета с высокими скоростями. Газификация - это процесс термической деструкции длинных цепочек углеводородов в присутствии потока газифицирующего агента (в отличие от пиролиза, который протекает в его отсутствие) в результате плавления и сублимации твердого топлива с последующими химическими превращениями, приводящими к выходу горючих продуктов газификации. В качестве газифицирующего агента могут использоваться инертный газ, воздух, продукты сгорания или их смеси. Процесс газификации твердого углеводородного топлива в потоке газифицирующего агента, как правило, сопровождается диспергированием твердого топлива с выносом конденсированной фазы, включающей твердые частицы и капли расплава твердого топлива, в поток газифицирующего агента с возможной последующей газификацией в этом потоке. Другими словами, поток продуктов газификации твердого углеводородного топлива представляет собой поток многофазной смеси, содержащей многокомпонентный горючий газ, твердые частицы и капли расплава твердого топлива. При относительно низких температурах продукты газификации твердого углеводородного топлива в основном содержат фракции тяжелых углеводородов, тогда как при высоких температурах продукты газификации в основном содержат водород и фракции легких углеводородов, таких как метан, этилен, ацетилен, пропилен и т.д. Присутствие окислителя в потоке газифицирующего агента позволяет организовать процесс горения над границей раздела «твердое топливо - газ» и тем самым значительно увеличить тепловой поток к твердому топливу, способствующий газификации. При этом предпочтительно, чтобы кислород, содержащийся в потоке газифицирующего агента, был полностью использован в процессе горения. В работе (Gonzalez H, Саго S, Toledo M, Olguin H. Syngas production from polyethylene and biogas in porous media combustion, Int J Hydrogen Energy 2018; 43(9):4294e304) изучено испарение полиэтилена в процессе газификации, вызванное фильтрационным сжиганием газообразной смеси СН/СО и воздуха в пористой среде. Выполнен большой объем исследований скорости регрессии и абляции поверхности твердого топлива в воздушном потоке. Вследствие низкой скорости регрессии обычных углеводородных полимерных материалов для улучшения характеристик их газификации предлагается использовать различные добавки (см., например, George Р, Krishnan S, Varkey РМ, Ravindran М, Ramachandran L. Fuel regression rate in hydroxylterminated polybutadiene/gaseous-oxygen hybrid rocket motors, J Propul Power 2001; 17(1):35e42).
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели на твердом топливе, как правило, выполнены по схеме с дроссельной заслонкой в воздуховоде (так называемые ракетно-прямоточные двигатели) (Pinto PC, Kurtha G. Robust propulsion control in all night stages of a throttleable ducted rocket, In: 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE joint propulsion conference and exhibit; August 2011. https://doi.Org/10.2514/6.2011-5611, AIAA Paper 2011-5611). Обязательным элементом такого двигателя является газогенератор, содержащий твердое топливо и небольшое количество окислителя (10%-20%). Окислитель необходим для газификации твердого топлива за счет его частичного сгорания в газогенераторе и для вывода газообразных продуктов частичного сгорания в камеру дожигания двигателя, где они полностью сгорают в высокоскоростном воздушном потоке в дефлаграционном (дозвуковом) режиме горения. Очевидный недостаток такой схемы - наличие на борту летательного аппарата дополнительного окислителя, что значительно ухудшает экономические характеристики двигателя. Кроме того, регулирование расхода продуктов высокотемпературной газификации, выводимых в камеру дожигания - сложная техническая задача (Besser H-L. History of ducted rocket development at Bayem-Chemie, In: 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE joint propulsion conference and exhibit; July 2008, https://doi.org/10.2514/6.2008-5261. AIAA Paper 2008-5261.).
Энергию, необходимую для газификации твердого топлива в газогенераторе, можно значительно уменьшить за счет использования твердых углеводородных топлив с низкой температурой плавления (на уровне 100°С). Такие материалы называют легкоплавкими горючими веществами. К ним относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол, полибутадиен, полиметилметакрилат и др. В работах Фролова С.М., Звегинцева В.И., Аксенова В.С., Билера И.В., Казаченко М.В., Шамшина И.О., Гусева П.А., Белоцерковской М.С., Коверзановой Е.В. Детонационная способность воздушных смесей продуктов пиролиза полипропилена, Горение и взрыв, 2018, том 11, №4, с. 44-60 и Фролова С.М., Звегинцева В.И., Шамшина И.О., Казаченко М.В., Аксенова В.С., Билеры И.В., Семенова И.В. Детонационная способность воздушных смесей продуктов пиролиза полиэтилена. Горение и взрыв, 2020, т. 13, №. 2, с. 48-61 представлены результаты экспериментального исследования детонационной способности воздушных смесей продуктов пиролиза полипропилена и полиэтилена соответственно. Оказалось, что такие смеси имеют детонационную способность, сравнимую с детонационной способностью воздушных смесей мономеров - пропилена и этилена. Более того, скорость детонации в воздушных смесях продуктов пиролиза полипропилена и полиэтилена оказалась на уровне скорости детонации в воздушных смесях авиационного керосина (1700-1800 м/с). Это означает, что в камере дожигания можно использовать не только дефлаграционный (дозвуковой) режим горения, но и детонационный (сверхзвуковой) режим горения, имеющий более высокую термодинамическую эффективность превращения химической энергии топлива в полезную работу расширения (Фролов С.М., Аксенов В.С., Гусев П.А., Иванов В.С., Медведев С.Н., Шамшин И.О. Экспериментальное доказательство энергоэффективности термодинамического цикла Зельдовича, Доклады академии наук, 2014, том 459, №6, с. 711-716).
Предшествующий уровень техники
Известно устройство - прямоточный воздушно-реактивный двигатель на твердом топливе - предложенное в статье Vaught, С., Witt, М., Netzer, D., & Gany, A. Investigation of Solid-Fuel, Dual-Mode Combustion Ramjets, Journal of Propulsion and Power, Vol. 8, No. 5, Sept. - Oct. 1992. Устройство содержит основной сверхзвуковой воздухозаборник, газогенератор с зарядом твердого топлива, сверхзвуковую камеру дожигания и реактивное сопло. Газогенератор, размещенный в центральном теле основного сверхзвукового воздухозаборника, содержит сверхзвуковой воздухозаборник газогенератора, дозвуковую камеру сгорания и выходное сопло между дозвуковой камерой сгорания и сверхзвуковой камерой дожигания. В дозвуковой камере сгорания размещен заряд твердого топлива с центральным осевым каналом. К недостаткам устройства следует отнести возможность организации только дефлаграционного сгорания продуктов газификации твердого топлива в сверхзвуковой камере дожигания, что накладывает ограничения на полетные характеристики устройства.
Известно устройство - прямоточный воздушно-реактивный двигатель с газогенератором открытого типа и регулируемым расходом твердого топлива - предложенное в патенте RU 2627310 С1, F02K (2006.1), 07.08.2017. Устройство содержит воздухозаборник, систему подачи твердого топлива в камеру сгорания, газогенератор, камеру сгорания и установленный на выходе из камеры сгорания профилированный сопловой насадок. Газогенератор выполнен в виде барабана со сквозными продольными каналами, в которых размещены заряды твердого топлива с возможностью их перемещения в камеру сгорания. При этом барабан соединен с кольцевой перфорированной решеткой, отверстия которой направляют воздушный поток на поверхность зарядов твердого топлива. Основной недостаток устройства -использование пневмомеханического или гидромеханического устройства подачи твердого топлива, что усложняет конструкцию и, как следствие, снижает ее надежность.
Известно устройство - прямоточный воздушно-реактивный двигатель с распределенным по длине тепломассоподводом - предложенное в патенте RU 2315193 C1, Z/M (2006.1), 20.01.2008. Устройство содержит воздухозаборник, газогенератор с топливом, камеру сгорания с блоком горючего и выходное сопло. В камере сгорания установлены подсоединенные к блоку управления топливонесущие секции с соплами для истечения топливных струй из внутренних полостей секций во внутреннее пространство камеры сгорания. В каждой топливонесущей секции сопла распределены по периметру камеры сгорания, а их оси направлены под углом от 90° до 0° к оси камеры сгорания. В разных топливонесущих секциях размещены заряды топлив, различные по химическому составу и агрегатному состоянию. Одна или несколько топливонесущих секций установлены в суживающейся (дозвуковой) части выходного сопла двигателя. Основной недостаток устройства - сложность конструкции, что снижает его надежность.
Известно устройство - интегральный прямоточный воздушно-реактивный двигатель на твердом топливе - предложенное в патенте RU 2623134 C1, F02K (2006.1), 22.06.2017. Устройство содержит воздухозаборное устройство с каналами подачи и перепуска воздуха, камеру сгорания с размещенным в передней части канальным зарядом твердого горючего маршевой ступени, стабилизатор пламени, заряд твердого топлива стартовой ступени и маршевое сопло. Каналы подачи и перепуска воздуха соединяют воздухозаборное устройство с камерой сгорания в передней и задней частях заряда твердого горючего маршевой ступени. Заряд стартовой ступени выполнен в цилиндрическом корпусе и размещен центрально с кольцевым зазором в передней части камеры сгорания. К недостаткам устройства следует отнести возможность организации только дефлаграционного сгорания продуктов газификации твердого топлива в камере дожигания, что накладывает ограничения на полетные характеристики устройства.
Известен прямоточный воздушно-реактивный двигатель с проточным газогенератором и раздельными воздухозаборниками, предложенный в работе Александрова В.Н., Быцкевича В.М., Верхоломова В.К. и др. Интегральные прямоточные воздушно-реактивные двигатели на твердых топливах, М.: Академкнига, 2006, 329 с. Устройство содержит воздухозаборник камеры сгорания, камеру сгорания с блоком твердого горючего, стабилизатором пламени и инжектором, воздухозаборник камеры дожигания, камеру дожигания и сопло. К недостаткам устройства следует отнести возможность организации только дефлаграционного сгорания продуктов газификации твердого топлива в камере дожигания, что накладывает ограничения на полетные характеристики устройства. Кроме того, надежная и устойчивая работа устройства требует согласованной работы воздухозаборника камеры сгорания и камеры дожигания, что затруднительно обеспечить в условиях многорежимного полета, особенно на больших углах атаки.
Известны устройство - воздушно-реактивный двигатель на твердом горючем - и способ его функционирования, предложенные в патенте RU 2565131 С1, F02K 7/10 (2006.1), (2006.1), 20.10.2015. Способ функционирования двигателя включает подачу воздушного потока на вход воздухозаборника, неполное торможение воздушного потока в воздухозаборнике, низкотемпературную газификацию твердого горючего в газогенераторе, высокотемпературное разложение продуктов газификации в охлаждающем тракте, смешение воздуха и продуктов разложения, воспламенение и сжигание смеси в камере дожигания, расширение продуктов сгорания в сопле. Устройство содержит воздухозаборник, газогенератор с зарядом твердого горючего в отдельном корпусе, камеру дожигания и реактивное сопло. Воздухозаборник и газогенератор гидравлически сопряжены с соплом через камеру дожигания. Воздухозаборник выполнен в виде передней части нижней поверхности планера летательного аппарата и имеет форму пространственного клина. Камера дожигания выполнена в виде каналов проточного тракта. Каждый канал снабжен на входе, по меньшей мере, одним топливным пилоном с форсунками. Сопло выполнено в виде кормовой части нижней поверхности планера и имеет одностороннее расширение. Газогенератор выполнен в отдельном корпусе и установлен на двигателе в планере. К недостаткам способа и устройства следует отнести внешнее расположение газогенератора, что требует дополнительного источника тепла для поддержания температурного режима газогенератора.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по технической сущности являются прямоточный воздушно-реактивный двигатель на твердом топливе и способ его функционирования, предложенные в патенте RU 2706870 С1, F02K 7/10 (2006.1), F02K 7/10 (2019.08), 21.11.2019. Способ-прототип включает сгорание смеси горючего пиролизного газа с воздухом в камере сгорания (дожигания) в детонационной волне, обеспечивающей поток тепла в реактор-пиролизер из камеры сгорания (дожигания), достаточный для достижения требуемой скорости образования горючего пиролизного газа на том или ином рабочем режиме, а также достаточный для надежного охлаждения элементов конструкции камеры сгорания (дожигания) за счет эндотермического пиролиза гранулированного твердого топлива. Способ реализован в устройстве-прототипе, в котором реактор-пиролизер отделен от кольцевой камеры сгорания (дожигания) стенкой, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, а кольцевая камера сгорания снабжена источником зажигания в виде инициатора детонации. Внутри реактора-пиролизера расположен теплообменный каркас, выполненный из материала с высокой теплопроводностью и находящийся в тепловом контакте со стенкой, отделяющей реактор-пиролизер от кольцевой камеры сгорания (дожигания). Гранулированное твердое топливо в реакторе-пиролизере находится в тепловом контакте как со стенкой, отделяющей реактор-пиролизер от кольцевой камеры сгорания (дожигания), так и с элементами теплообменного каркаса. К недостаткам способа-прототипа и устройства-прототипа следует отнести наличие дополнительного газогенератора для запуска реактора-пиролизера, что не только усложняет конструкцию, но и затрудняет подготовку к старту, так как требуется дополнительная предпусковая операция - продувка реактора-пиролизера с твердым топливом газами из газогенератора для вывода реактора-пиролизера на рабочий режим.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - создание способа организации детонационного или дефлаграционного горения в прямоточном воздушно-реактивном двигателе на твердом топливе, который обеспечит газификацию твердого топлива в набегающем воздушном потоке с фазовым и химическим составом продуктов газификации, требуемым для самоподдерживающегося детонационного или дефлаграционного горения.
Задача изобретения - создание устройства для осуществления способа организации детонационного или дефлаграционного горения в прямоточном воздушно-реактивном двигателе на твердом топливе, который обеспечит газификацию твердого топлива в набегающем воздушном потоке с фазовым и химическим составом продуктов газификации, требуемым для самоподдерживающегося детонационного или дефлаграционного горения.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:
- способом, включающим поступление набегающего воздушного потока в воздухозаборник, торможение воздушного потока в воздухозаборнике, газификацию заряда твердого топлива с получением горючего газа, подачу потока горючего газа в камеру дожигания и его смешение с воздушным потоком, поступающим в камеру дожигания через воздухозаборник, с последующим сгоранием образованной горючей смеси в детонационной волне и истечением продуктов горения из камеры дожигания через выхлопное сопло в атмосферу в виде реактивной струи, создающей реактивную тягу, в котором набегающий воздушный поток разделяется на два воздушных потока: один воздушный поток поступает через основной воздухозаборник в камеру дожигания, а другой воздушный поток поступает через воздухозаборник газогенератора в газогенератор и термически взаимодействует с зарядом твердого топлива, что приводит к плавлению, диспергированию и испарению заряда твердого топлива с образованием многофазной смеси продуктов газификации твердого топлива, содержащей воздух, горючий газ, твердые частицы и капли расплава твердого топлива, а образованная многофазная смесь продуктов газификации твердого топлива зажигается, что приводит к горению заряда твердого топлива до полного расходования кислорода воздуха, поступающего в газогенератор, а образующийся при горении поток высокотемпературных продуктов горения, термически взаимодействуя с зарядом твердого топлива, газифицирует заряд твердого топлива, а из образующегося потока многофазной смеси продуктов горения и продуктов газификации твердого топлива, содержащей горючий газ, твердые частицы и капли расплава твердого топлива, отделяются твердые частицы и капли расплава твердого топлива, а поток горючего газа направляется в камеру дожигания, где происходит его смешение с воздушным потоком, поступившим через основной воздухозаборник, и сгорание в непрерывной детонационной волне или в продольно-пульсирующей детонационной волне, или в режиме стационарной дефлаграции, причем процесс сгорания инициируется форкамерно-факельным источником зажигания.
Зажигание твердого топлива в газогенераторе может быть самопроизвольным или принудительным с помощью воспламенителя.
Зажигание горючей смеси в камере дожигания может быть самопроизвольным или принудительным с помощью источника зажигания.
- устройством, содержащим воздухозаборник, камеру дожигания, газогенератор с твердым топливом и выхлопное сопло, в котором предусмотрены два проточных тракта: внешний и внутренний, причем внешний проточный тракт образован основным воздухозаборником, камерой дожигания и выхлопным соплом, а внутренний проточный тракт образован воздухозаборником газогенератора, газогенератором с зарядом твердого топлива, уловителем твердых частиц и капель расплава твердого топлива и направляющим каналом, соединенным с камерой дожигания через пояс отверстий для подачи горючего газа.
Камера дожигания может быть выполнена в виде проточного кольцевого канала с источником зажигания форкамерно-факельного типа.
Камера дожигания может быть выполнена в виде проточного канала со стабилизатором пламени или в виде проточного канала со стабилизатором пламени и с источником зажигания форкамерно-факельного типа.
Выхлопное сопло может быть выполнено в виде расширяющегося или суживающе-расширяющегося проточного канала.
Заряд твердого топлива может быть однокомпонентным, то есть содержать только горючее легкоплавкое, или многокомпонентным, то есть содержать горючее легкоплавкое, и энергетические добавки.
Газогенератор может быть оснащен воспламенителем для принудительного зажигания твердого топлива в газогенераторе.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1а и 1б приведены схемы предлагаемого прямоточного воздушно- реактивного двигателя на детонационном (фиг. 1а) и дефлаграционном (фиг. 1б) горении продуктов газификации твердого топлива: 1 - основной воздухозаборник, 2 - камера дожигания, 3 - выхлопное сопло, 4 - воздухозаборник газогенератора, 5 - газогенератор, 6 - уловитель твердых частиц и капель расплава твердого топлива, 7 - направляющий канал, 8 - пояс отверстий подачи горючего газа, 9 - источник зажигания, 10 - стабилизатор пламени, 11 - воспламенитель газогенератора, ТТ - твердое топливо, ДВ - детонационная волна, ГГ - горючие газ.
Осуществление изобретения
На фиг. 1а и 1б приведены схемы предлагаемого прямоточного воздушно- реактивного двигателя на детонационном (фиг. 1а) и дефлаграционном (фиг. 1б) горении продуктов газификации твердого топлива.
Основной элемент устройства - камера дожигания (2). К входному сечению камеры дожигания (2) присоединен основной воздухозаборник (1), а в выходном сечении установлено выхлопное сопло (3). Основной воздухозаборник (1), камера дожигания (2) и выхлопное сопло (3) образуют внешний проточный тракт. Воздухозаборник газогенератора (4), газогенератор (5) с зарядом твердого топлива (ТТ), уловитель твердых частиц и капель расплава твердого топлива (6) и направляющий канал (7) образуют внутренний проточный тракт, соединенный с камерой дожигания (2) через пояс отверстий для подачи горючего газа (8).
Камера дожигания (2) может быть выполнена в виде проточного кольцевого канала с источником зажигания (9) форкамерно-факельного типа.
Камера дожигания (2) может быть выполнена в виде проточного канала со стабилизатором пламени (10) или в виде проточного канала со стабилизатором пламени (10) и с источником зажигания (9) форкамерно-факельного типа.
Выхлопное сопло (3) может быть выполнено в виде расширяющегося проточного канала или в виде суживающе-расширяющегося проточного канала.
Заряд твердого топлива (ТТ) может быть однокомпонентным, то есть содержать только горючее легкоплавкое, или многокомпонентным, то есть содержать горючее легкоплавкое, и энергетические добавки.
Газогенератор (5) может быть оснащен воспламенителем (11) для принудительного зажигания твердого топлива (ТТ) в газогенераторе (5).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Устройство (фиг. 1а и фиг.1б) разгоняется до требуемой сверхзвуковой скорости полета любым известным способом, так что набегающий воздушный поток поступает в камеру дожигания (2) через основной воздухозаборник (1), а продукты горения истекают из камеры дожигания (2) через выхлопное сопло (3) в атмосферу в виде реактивной струи, создающей реактивную тягу. Часть набегающего воздушного потока поступает в газогенератор (5) через воздухозаборник газогенератора (4), термически взаимодействует с зарядом твердого топлива (ТТ), что приводит к самопроизвольному зажиганию и горению заряда твердого топлива (ТТ) до полного расходования воздуха, поступающего в газогенератор (5). Образующийся при горении поток высокотемпературных продуктов горения, термически взаимодействуя с зарядом твердого топлива (ТТ), газифицирует заряд твердого топлива (ТТ). В результате в газогенераторе (5) образуется поток многофазной смеси продуктов горения и продуктов газификации твердого топлива (ТТ), содержащей горючий газ, твердые частицы и капли расплава твердого топлива (ТТ). В уловителе твердых частиц и капель расплава твердого топлива (6) происходит отделение твердых частиц и капель расплава твердого топлива (ТТ) от потока многофазной смеси продуктов горения и продуктов газификации твердого топлива (ТТ), так что в камеру дожигания (2) направляется только поток горючего газа (ГГ). В камере дожигания (2) происходит смешение потока горючего газа (ГГ) с воздушным потоком, поступившим через основной воздухозаборник (1), с образованием горючей смеси. Затем в камере дожигания (2) однократно инициируется процесс горения. Если прямоточный воздушно-реактивный двигатель работает на детонационном горении продуктов газификации твердого топлива (ТТ) (фиг. 1а), то после однократного инициирования детонации в горючей смеси с помощью источника зажигания (9) в камере дожигания (2) устанавливается режим непрерывной или продольно-пульсирующей детонации. Инициирование детонации и сгорание горючей смеси в режиме непрерывной или продольно-пульсирующей детонации происходит в соответствии с принципами, изложенными в патенте WO 2014/129920 А1, Устройство для сжигания топлива в непрерывной детонационной волне, F23R 7/00 (2006.01), опубликованном 28.08.2014 (авторы Фролов С.М., Фролов Ф.С.) и в статье Фролова С.М., Звегинцева В.И., Иванова В.С., Аксенова В.С., Шамшина И.О., Внучкова Д.А., Наливайченко Д.Г., Берлина А.А., Фомина В.М. Макет-демонстратор непрерывно-детонационного прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Результаты испытаний в аэродинамической трубе // Докл. РАН, 2017. Т. 474. №1. С. 51-55. doi: 10.7868/S0869565217130114. Детонационное горение горючей смеси в камере дожигания (2) обеспечивает ускорение продуктов горения по направлению к выхлопному соплу (3) и создание реактивной тяги.
Если прямоточный воздушно-реактивный двигатель работает на дефлаграционном горении продуктов газификации твердого топлива (ТТ) (фиг. 1б), то после однократного зажигания горючей смеси с помощью источника зажигания (9) в камере дожигания (2) за стабилизатором пламени (10) устанавливается режим дефлаграционного горения, а образующиеся продукты горения истекают через выхлопное сопло (3) в атмосферу в виде реактивной струи, создающей реактивную тягу.
Приводим примеры реализации изобретения.
В статье Shiplyuk A.N., Zvegintsev V.I., Frolov S.М., Vnuchkov D.A., Kislovsky V.A., Kiseleva T.A., Lukashevich S.V., Melnikov A. Yu., and D.G. Nalivaychenko. Gasification of low-melting fuel in a high-temperature flow of inert gas. J Propulsion and Power, 2021, Vol. 37, No. 1, pp. 20-28 (doi: doi/abs/10.2514/1.B37780)) представлены экспериментальные исследования процесса газификации легкоплавкого твердого топлива (полипропилена) в высокотемпературном потоке газифицирующего агента - азота - применительно к условиям в прямоточном воздушно-реактивном двигателе на твердом топливе. Эксперименты проведены на лабораторной установке, включающей секцию подготовки газифицирующего агента с системами подачи кислорода и водорода для подогрева азота и систему подачи азота, газогенератор с зарядом полипропилена, выхлопное сопло, а также систему измерения температуры газов на входе в газогенератор и на выходе из газогенератора. Заряд полипропилена представлял собой набор из нескольких цилиндрических элементов с прямыми продольными каналами диаметром 3-4 мм. Температуру азота в экспериментах варьировали в пределах от 900 до 1700 К за счет сжигания соответствующего количества водородно-кислородной смеси. Результаты экспериментов показали, что с повышением температуры азота и количества тепла, поглощаемого зарядом полипропилена, массовый расход образующихся продуктов газификации возрастает. При повышении температуры азота до 1200 К массовый расход продуктов газификации достигал максимального значения - 2,5 г/с, а отношение массового расхода азота к расходу продуктов газификации составило 15:1.
Чтобы проверить предлагаемые способ и устройство в части газификации твердого топлива применительно к условиям в прямоточном воздушно-реактивном двигателе на твердом топливе, на той же экспериментальной установке проведены эксперименты с заменой азота на воздух. Температуру воздуха в экспериментах варьировали в пределах от 300 до 1500 К за счет сжигания соответствующего количества водородно-кислородной смеси. Результаты экспериментов показали, что с повышением температуры воздуха и количества тепла, поглощаемого зарядом полипропилена, массовый расход образующихся продуктов газификации тоже возрастает. При повышении температуры воздуха до 1200 К массовый расход продуктов газификации достигал максимального значения - 20 г/с, а отношение массового расхода азота к расходу продуктов газификации составило 1,8:1. Сравнение показывает, что использование воздуха вместо азота приводит к повышению эффективности газификации полипропилена более чем в 8 раз.
Чтобы проверить предлагаемые способ и устройство в части реализации рабочего процесса со сгоранием продуктов газификации в непрерывной детонационной волне или в продольно-пульсирующей детонационной волне в прямоточном воздушно-реактивном двигателе на твердом топливе, разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец такого двигателя, включающий воздухозаборник, кольцевую камеру дожигания с форкамерно-факельным источником зажигания и с поясом отверстий для подачи горючего газа, а также расширяющееся выхлопное сопло. Внешний и внутренний диаметры кольцевой камеры дожигания 120 и 90 мм соответственно, общая длина экспериментального образца 700 мм. Образец устанавливали на тяговом столе испытательного стенда с импульсной аэродинамической трубой, позволяющей создавать сверхзвуковой воздушный поток с числом Маха до 2,5. Имея в виду, что детонационная способность воздушных смесей продуктов пиролиза/газификации полиэтилена близка к детонационной способности воздушных смесей мономера - этилена, в экспериментах в качестве горючего газа использовали основной продукт газификации полиэтилена -этилен. Эксперименты проведены при числах Маха набегающего воздушного потока 1,5 и 2,0 с давлением торможения 0,4 и 0,8 МПа соответственно. В экспериментах зарегистрированы, с одной стороны, режимы непрерывной и продольно-пульсирующей детонации с характерными частотами вращения детонации в кольцевой камере дожигания 2,1 кГц и продольных пульсаций детонации 0,3 кГц соответственно при суммарном коэффициенте избытка воздуха, близком к 1, и с другой стороны, режим дефлаграционного горения без выделенной частоты рабочего процесса при суммарном коэффициенте избытка воздуха, меньше 0,8 и больше 1,3.
2
Чтобы проверить предлагаемые способ и устройство в части реализации рабочего процесса со сгоранием продуктов газификации в режиме стационарной дефлаграции в прямоточном воздушно-реактивном двигателе на твердом топливе, разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец такого двигателя, включающий поликлиновый воздухозаборник, камеру сгорания с газогенератором, сопло, системы подачи и зажигания горючего. Поликлиновый воздухозаборник имеет восемь проточных каналов. Диаметр входа воздухозаборника по кольцевой обечайке равен 0,08 м, а лобовая площадь, на которую нормирован коэффициент расхода, равна 0,005026 м. Цилиндрическая обечайка, образующая камеру сгорания диаметром 116 мм, закреплена на клиньях сжатия центрального тела воздухозаборника и на пилоне. В пилоне имеются отверстия для подачи водорода и кислорода, а также для подвода высоковольтного кабеля системы зажигания. По оси камеры сгорания расположен газогенератор с внешним диаметром 50 мм. Внутри газогенератора размещен составной заряд твердого топлива диаметром 40 мм, состоящий из нескольких элементов длиной 50 мм. В качестве твердого топлива используется полипропилен. Элемент заряда твердого топлива имеет 19 продольных отверстий диаметром 3 мм. Для испытаний используется сверхзвуковая труба периодического действия Т-313 Института теоретической и прикладной механики Сибирского отделения Российской академии наук с внешним обтеканием экспериментального образца. Образец устанавливается в рабочей части трубы на силоизмерительном пилоне, оснащенном двумя тензодатчиками консольного типа BCL-200 (CAS) с пределами измерений от 0 до 2000 Н. Силоизмерительный пилон закрыт специальным обтекателем, поэтому аэродинамические силы на пилон практически не действуют. Для синхронизации различных событий в эксперименте используется 6-канальный блок синхронизации, который позволяет по каждому из каналов включать и выключать подачу электропитания на различные устройства в заданные моменты времени. Цифровое реле времени, используемое в блоке синхронизации, обеспечивает выбор моментов срабатывания в диапазоне от 0,0001 с до 999 с через 0,0001 с. В ходе эксперимента непрерывно измеряются давления подачи водорода и кислорода, по которым определяются текущие расходы водорода (во всех экспериментах расход составил менее 1 г/с) и кислорода (во всех экспериментах расход составил менее 45 г/с), подаваемых в камеру сгорания газогенератора. Кроме того, измеряются давление в камере сгорания и осевая аэродинамическая сила, действующая на экспериментальный образец. После эксперимента при помощи взвешивания определяется расход твердого топлива за время работы газогенератора. Эксперименты проведены при числах Маха набегающего воздушного потока 2,05; 2,55; 3,05 и 4,04 и при давлении в газогенераторе 0,2; 0,27; 0,42 и 1,03 МПа соответственно. В экспериментах зарегистрировано устойчивое горение продуктов газификации в режиме стационарной дефлаграции и получена положительная избыточная тяга.
Таким образом, предложенный способ организации детонационного или дефлаграционного горения в прямоточном воздушно-реактивном двигателе на твердом топливе, в котором для газификации твердого топлива используется набегающий воздушный поток, и предложенное устройство обеспечивают реализацию рабочего процесса с детонационным или дефлаграционным горением в прямоточном воздушно-реактивном двигателе на твердом топливе.