Камера сгорания с каталитическим покрытием для прямоточного воздушно-реактивного двигателя и способ нанесения каталитического покрытия
COMBUSTION CHAMBER WITH CATALYTIC COATING FOR RAMJET ENGINE AND METHOD FOR APPLYING A CATALYTIC COATING

Изобретение относится к камерам сгорания [КС] для прямоточного воздушно-реактивного двигателя [ПВРД] и может быть использовано для освоения моторного гиперзвука в плотных слоях атмосферы.
Способ нанесения каталитического покрытия на сетчатый металлический носитель может быть использован при наработке необходимого количества продуктов конверсии (ПК) в термохимическом реакторе (ТХР).
Бортовой ТХР в составе двухконтурной сверхзвуковой КС является определяющим элементом в разработке концепции по реализации м. гиперзвука на углеводородном топливе [УВТ] в плотных слоях атмосферы.
Предлагается техническая реализация моторного гиперзвука в широком плане на ПВРД, а именно, как на разгонной траектории, так и на крейсерской высоте в атмосферном полете на углеводородном топливе [УВТ]. Решение таких задач основано на базе концепции активного взаимодействия летательного аппарата [ЛА] с набегающим потоком воздуха.
Существует несколько программ разработок ПВРД со сверхзвуковым горением в разных странах, но на начало XXI века эти типы двигателей остаются гипотетическими. Не существует ни одного образца, прошедшего летные испытания, подтвердившие практическую целесообразность их серийного производства.
Основной проблемой при освоении моторного гиперзвука является то, что невозможно добиться устойчивого горения УВТ в сверхзвуковом потоке воздуха в КС ПВРД.
Момент перехода на сверхзвуковое горение является началом гиперзвуковой скорости полета ЛА в плотных слоях атмосферы на УВТ.
Проблемы, возникающие при реализации моторного гиперзвука, разбиваются на решение следующих первоочередных задач:
- наработка необходимого количества продуктов конверсии [ПК] в бортовом термохимическом реакторе [ТХР];
- освоение перехода с дозвукового на сверхзвуковое горение УВТ в КС ПВРД;
- разработка двухконтурной камеры сгорания как на дозвуковом, так и на сверхзвуковом горении в составе ПВРД; при этом первым контуром является собственно КС, а вторым - ТХР.
- освоение моторного гиперзвука на разгонной траектории переходного режима, до предельно достижимой скорости с последующим выходом на крейсерскую высоту полета.
Моторного гиперзвука, в узком плане, можно добиться при переходе с дозвукового на сверхзвуковое горение в ПВРД.
Такой фрагментарный подход избрали американцы, проводя бросковые испытания по программе X - 51 А. Испытания X - 51А проводятся в исследовательском центре NASA Ленгли в г. Хэмптон, штат Вайоминг.X - 51А разгоняется до скорости 4,5М с помощью твердотопливного двигателя, и на высоте 30 км происходит запуск ПВРД с.г. с которым предполагаемая скорость X - 51А должна составить от 6М до 7М. Максимальная длительность таких полетов пока составляет единицы минут и не понятна конечная цель этих испытаний при получении окончательных предельных результатов этого эксперимента.
ПВРД - одно из самых многообещающих направлений развития военного двигателестроения. Прежде всего, это касается ПВРД в двухрежимном варианте - со сжиганием топлива, как в дозвуковом, так и сверхзвуковом потоке воздуха. Например, научный руководитель Государственного научно-исследовательского института авиационных систем академик Евгений Федосов в интервью «Интерфаксу» в 2017 году по теме ПВРД сверхзвукового горения сказал, что пока успехи в этой области не достигнуты.
На сегодняшний день ведутся работы в рамках программы Hypersonic Air-breathing Weapon Concept (HAWC), финансируемой DARPA и ВВС США. Этим проектом занимаются как Lockheed Martin, так и Raytheon, получив контракты на 171,2 и 174,7 млн. долларов соответственно. Еще 14,3 млн. долларов было выделено в военном бюджете на 2019 год. Работа заключается в создании прототипа гиперзвуковой крылатой ракеты с ПВРД (журнал «Новый оборонный заказ стратегии», 2018, №6 (53).
В России на сегодняшний день максимальная сверхзвуковая кратковременная скорость полета составляет 4,5 Маха. Следовательно, «моторный гиперзвук» начинается с 4,5М. До 4,5М - это сверхзвук. Моторный гиперзвук в интервале от 4, и даже от 3 или 3,5 М еще никем не осуществлен в мире.
Известна КС (патент РФ №2046203), в которую подают водородосодержащую топливную смесь, полученную при термическом превращении исходного УВТ в присутствии перегретых паров воды и в присутствии катализатора. Однако такие система и способ подачи топлива не могут обеспечить устойчивость горения, так как она определяется концентрацией водорода в составе продуктов конверсии [ПК], а это зависит от способа подачи ПК в топливовоздушный поток [ТВП]. В этом патенте ПК смешивают с ТВП, что снижает объемный процент водорода до 0,45% вместо 4%, поэтому, самовоспламенение водорода при его концентрации 0,45% невозможно. (Статья «Определение верхнего и нижнего пределов самовоспламенения» https://stamzavas.net/l-50653).
Самый большой недостаток этого патента заключается в том, что ПК нарабатываются только на скорости полета равной 14М. А наработка ПК необходима для перехода на сверхзвуковое горение в начале переходного режима на скорости около 4М. Кроме того, не удается добиться эффективного охлаждения из-за расположения ТХР под обшивкой планера ЛА, вследствие чего температура обшивки достигает более1000 градусов, а это увеличивает градиент температуры более 300°С по нормали в обшивке ЛА, что приводит ее к саморазрушению.
Известна КС (патент РФ №2565131), в которой внутренняя стенка охлаждающего тракта выполнена из каталитически активного материала на основе меди, или платины и т.п. Продукты газификации под действием катализаторов разлагаются на низшие углеводороды, но их количества нарабатывается недостаточно для самовозгорания. При этом увеличивается время работы ПВРД на твердом топливе на больших скоростях. А поскольку система работает на твердом топливе, то она обладает существенным недостатком - имеет низкий удельный импульс от 250 с до 300 с, что увеличивает расход топлива в несколько раз.
Известна КС (патент на полезную модель №178988), в которой достигается устойчивое непрерывное горение за счет специального устройства поджига - воспламенителя топливовоздушной смеси и вкладыша, имеющего форму трубы, расположенных в проточной части на стенке КС. Такое расположение ведет к образованию семейства косых скачков уплотнения большой интенсивности, что значительно увеличивает степень сжатия, а с ростом скорости ТВП интенсивность скачков возрастает настолько, что они могут запереть КС и двигатель заглохнет.
Известна КС (патент РФ №2262000), в которой управление подачи топлива осуществляют с помощью бортовой ЭВМ. Целью этого изобретения является улучшение смешения компонентов топлива. Топливную форсунку располагают в носовой части двигателя перед воздухозаборником, где происходит взаимодействие подаваемой струи с системой волн сжатия и скачков уплотнения, генерируемых самим воздухозаборником. Изменяя расход, температуру и давление топлива из топливной форсунки регулируют режим работы воздухозаборника. При малых давлениях топлива из топливной форсунки обеспечивают запуск воздухозаборника и выход на расчетный режим при малых числах Маха полета (М<4). При увеличении скорости полета летательного аппарата увеличивают степень сжатия топливно-воздушной струи в воздухозаборнике, управлением параметрами подачи топлива из топливной форсунки, например, изменяют температуру и давление подаваемого топлива. При увеличении степени сжатия происходит падение скорости топливно-воздушной смеси, что ведет к снижению скорости продуктов горения на выходе из КС и, следовательно, к падению скорости полета ЛА.
Известен процесс гидроконверсии углеводородов (патент США №3876524 Фирма Chevron Research Со США) для получения топлива для реактивных двигателей с использованием катализатора гидрокрекинга на основе палладия и алюмосиликатного компонента с содержанием оксида алюминия 40-95% масс. Он включает обеспечивающий гидрогенизацию оксидный компонент, подвергаемый термообработке в сухом невосстанавливающем газе при температурах 700-1000°С. Несмотря на высокую эффективность, катализаторы на основе драгоценных металлов являются экономически невыгодными, кроме того, в данном катализаторе нет стабильного соотношения активных компонентов, что не дает возможность регулировать его свойства, а, следовательно, и каталитическую активность.
2
2
Высокоактивный катализатор (патент РФ №2268087) получения синтез-газа паровой конверсией углеводородов при 450-850°С, содержит оксиды никеля и магния, нанесенные на жаростойкий металлопористый носитель при следующем соотношении компонентов, % масс: оксид никеля - 2,2-8,2, оксид магния - 3,0-6,5, термостойкий металлопористый носитель - остальное. Используемый носитель имеет величину удельной поверхности равной 0,10-0,15 м/г. У данного катализатора более, чем в тысячу раз меньше необходимая нам удельная поверхность - 158 м/г, что приводит к снижению каталитической активности и невозможности наработки необходимого количества водорода в ПК для его самовоспламенения
Ближайшим аналогом (патент РФ №2663252) является КС для ПВРД, состоящая из двух цилиндров с зазором между ними, цилиндры со стороны сопла соединены друг с другом, между цилиндрами размещают ТХР, с каталитическим покрытием; устройство с отверстиями для подачи исходного УВТ расположено перед входом в КС, а во внутреннем цилиндре на входе в КС располагают форсунки для подачи ПК в камеру сгорания. Данный способ дает возможность перехода на моторный гиперзвук только на ограниченном фрагментарном участке разгонной траектории полета, начиная с 4М.
В процессе полета ЛА в плотных слоях атмосферы необходимо добиться наработки водорода, которая обеспечивала бы локальную его концентрацию в топливно-воздушном потоке не менее 4% объемных единиц. (Статья «Определение верхнего и нижнего пределов самовоспламенения» https://stamzavas.net/1-50653)
Решать такие задачи возможно в комплексе при проведении паровой каталитической конверсии на борту ЛА в ТХР.
Цель изобретения - достижение моторного гиперзвука на ПВРД за счет устойчивого и полного сжигания топлива в КС.
2
Цель достигается тем, что в КС, состоящей из двух цилиндров с зазором между ними, цилиндры со стороны сопла соединены друг с другом, между цилиндрами размещают ТХР с каталитическим покрытием; устройство с отверстиями для подачи исходного УВТ помещают перед входом в КС, во внутреннем цилиндре на входе в КС располагают форсунки для выхода ПК в КС; новым является то, что цилиндры изготовлены с конусностью не более 1,2 градуса в сторону сопла, зазор между цилиндрами около 30 мм, ТХР представляет собой каркас с ребрами жесткости с обеих сторон, промежутки между ребрами жесткости заполняют набором сеток из проволочной ткани с ячейками не менее 0,04 мм, на сетки наносят каталитическое покрытие с удельной поверхностью не менее 158 м/г; со стороны воздухозаборника размещают соединительное устройство в виде полуТора, внешний диаметр которого соединяют с краем внешнего цилиндра КС, внутренний диаметр соединяют с каркасом ТХР, а внутренний цилиндр камеры сгорания примыкает к полуТору, в полуТоре размещают устройство для подачи парокеросиновой смеси; форсунки - во внутреннем цилиндре располагают равномерно по диаметру, не менее шести; при этом регулирование подачей топлива осуществляют с помощью бортовой ЭВМ.
В способе нанесения пористого каталитического покрытия на набор сеток, включающем оксидирование, нанесение на него подложки и суспензии с последующей сушкой и прокаливанием, новым является то, что оксидирование набора сеток проводят при t=700-900°С, сушку - при температуре не менее 250°С, а суспензия состоит из гамма-оксида алюминия и смеси нитратов кобальта, церия и меди.
КС состоит из двух цилиндров, конусность которых снижает скорость топливно-воздушного потока, благодаря чему обеспечивается более надежное сгорание топливной смеси. Кроме того, конусность цилиндров облегчает сборку второго контура.
Зазор между цилиндрами около 30 мм и их соединение друг с другом со стороны сопла обусловлены расположением в них ТХР, который представляет собой каркас с ребрами жесткости с обеих сторон, промежутки между ребрами жесткости заполнены набором сеток из проволочной ткани.
Сырьем для ТХР является парокеросиновая смесь, а так как термическое разложение парокеросиновой смеси зависит от «температурного фактора», который влияет на глубину превращения исходного топлива, то термохимический реактор располагается в самой «горячей» области на борту летательного аппарата, т.е. на внешней стенке КС прямоточного двигателя. При таком расположении ТХР его выход на рабочий температурный режим наступает с момента запуска ПВРД.
Наработка необходимого количества ПК в ТХР, в процессе полета ЛА, требует дополнительной тепловой энергии, которую можно получить за счет рекуперации от тепловых потерь при активном взаимодействии ЛА с набегающим потоком воздуха.
Только испарительная система охлаждения позволяет увеличить в несколько раз количество возвращаемой тепловой энергии, чем при пассивном взаимодействии ЛА с набегающим потоком воздуха
Возвращаемая тепловая энергия используется для проведения физико-химических процессов на борту ЛА.
Часть тепловой энергии идет на испарение воды и перегрева ее паров, которыми испаряют часть керосина для наработки парокеросиновой смеси, являющаяся сырьем для ТХР.
В соединительном устройстве, имеющем форму полуТора размещают устройство для подачи парокеросиновой смеси, подачу ее регулируют с помощью бортовой ЭВМ, она проходит через ТХР и из него продукты конверсии поступают в КС через 6 форсунок, расположенных во внутреннем цилиндре на входе в КС равномерно по диаметру. Эти форсунки тоже связаны с ЭВМ и открываются поочередно и согласованно с подачей исходного УВТ.
При переходе на первом этапе на сверхзвуковое горение открыты три форсунки, на втором - четыре, на третьем - шесть.
Такое запрограммированное открытие форсунок связано с тем, что скорость потока растет при фиксированной длине КС, а при этом необходимо обеспечить полное сжигание ТВП на всех трех этапах.
Конкретные цифровые данные определены эмпирически при проведении экспериментов в ЦАГИ в сверхзвуковой КС в импульсном режиме. В результате этого эксперимента, с моделированной добавкой продуктов конверсии, было достигнуто полное сгорание УВТ в сверхзвуковом потоке воздуха на длине 0,5 м.
2
На каталитической поверхности в ТХР нарабатываются продукты конверсии, состоящие из водородосодержащего газа, что является необходимым условием для перехода на сверхзвуковое горение топлива, но недостаточным. Достаточность определяется локальной концентрацией водорода в ТВП не менее 4% объемных, за счет высокой уд. поверхности не менее 158 м/г каталитического покрытия на сетчатом металлическом носителе.
Учитывая требования к прочностным характеристикам каталитического покрытия, соответствующим авиационной технике, необходимо оптимизировать порозность с удельной поверхностью этого покрытия. (Порозность - отношение объема общего слоя к объему, занимаемому частицами. Химическая энциклопедия)
2
Порозность влияет как на прочность каталитического покрытия, так и на удельную его поверхность. А удельная поверхность [м/г] влияет на количество нарабатываемых продуктов конверсии [ПК] и, следовательно, на количество водорода, содержащегося в них.
3
3
2
Исходя из вышеизложенных требований, в качестве металлического носителя была выбрана сетка саржевого плетения из проволочной ткани с ячейками не менее 0,04 мм, при этом порозность каталитического покрытия сетки составляет 54 см/см. При нанесении каталитического покрытия по предлагаемому в данной заявке способу на такую сетку эмпирически была получена удельная поверхность равная 158 м/г.
2
Значение 158 м/г удельной поверхности позволяет осуществить цель изобретения благодаря возможности наработки необходимого количества водорода в ТХР, т.е. добиться устойчивого и полного сжигания топлива в КС, которая в составе ПВРД позволяет достичь моторного гиперзвука. Известно, что увеличение удельной поверхности каталитического покрытия и роста «температурного фактора» влияет не только на рост наработки ПК, но и на разложение парокеросиновой смеси, близкое к ста процентам. Разложение парокеросиновой смеси на катализаторе происходит постепенно. На первом этапе, при температуре 820-830°С разлагается 76% парокеросиновой смеси, на втором этапе, при температуре 830-840°С 87%, а не третьем этапе при 840-850°С разлагается 99% парокеросиновой смеси, т.е. практически полностью.
2
Заявляемый температурный режим, а именно оксидирование набора сеток при температуре 700-900°С, и сушка при температуре не менее 250°С, а также состав суспензии - гамма-оксид алюминия и смесь нитратов кобальта, церия и меди позволяет получить пористое каталитическое покрытие с удельной поверхностью не менее 158 м/г.
2
Сетки из проволочной ткани с ячейками не менее 0,04 мм, на которые наносят каталитическое покрытие, имеют бОльшую площадь поверхности по сравнению пластинчатым металлическим носителем. Высокая удельная поверхность не менее 158 м/г каталитического покрытия сетчатого металлического носителя обеспечивают его высокую химическую активность, что влияет на скорость прохождения реакции, а это в свою очередь, снижает линейные размеры КС и, соответственно, ПВРД.
Разработка таких катализаторов позволяет снизить расход углеводородного топлива, повысить тепловой коэффициент полезного действия, организовать устойчивое горение при малом времени нахождения в КС, что содействует успешной реализации процесса перехода на сверхзвуковое горение.
Таким образом, становится возможным использование такого ПВРД на борту ГЛА при освоении моторного гиперзвука в атмосферном полете.
Кроме того, улучшается экология - при сжигании смешивают пары горючего с продуктами каталитической паровой конверсии, полученными при конвертировании части топлива.
Камера сгорания, обеспечивающая устойчивое горение УВТ в сверхзвуковом потоке воздуха и полное сжигание топливной смеси, существует только в комплексе со способом нанесения каталитического покрытия на набор сеток в ТХР и с последующей реализацией моторного гиперзвука на ПВРД как на разгонной траектории переходного режима, так и в крейсерском режиме полета.
Изобретение поясняется чертежами, где
На фиг. 1 КС
На фиг. 2 каркас ТХР
На фиг. 3 заготовка сетчатого блока ТХР
На фиг. 4 ПВРД с двухконтурной сверхзвуковой КС
На фиг. 5 расположение форсунок на каждом этапе разгонной траектории полета ЛА
На фиг. 6 график изменения располагаемой и потребной тяг в зависимости от скорости полета ЛА
На фиг. 7 зависимость пропульсивных КПД от типа ВРД
На фиг. 8 схема примера получения катализатора с пористым покрытием на сетчатом металлическом носителе.
КС 1 состоит из двух цилиндров - внешнего 2 и внутреннего 3, соединенных со стороны сопла 4 (фиг. 2) с зазором между ними. Между цилиндрами размещен ТХР. ТХР представляет из себя каркас 5 с ребрами жесткости 6, 7 (фиг. 2) с обеих сторон, в образовавшихся каналах помещают два набора сеток - внешний 8 и внутренний 9. Сетки 8 и 9 изготовлены из проволочной ткани с ячейками не менее 0,04 мм с пористым каталитическим покрытием. Сетчатые каталитические блоки располагают без жесткого крепления, что придает им устойчивость к разрушению при воздействии инерциальных сил в процессе полета ГЛА.
Ребра внешние 6 и внутренние 7 примыкают к внешнему 2 и внутреннему 3 цилиндрам, что обеспечивает им устойчивость к разрушению при воздействии инерциальных сил в процессе полета ГЛА.
Набор сеток имеет не цилиндрическую, а конусную форму, ее зауженный край располагают к соплу 4, для лучшего прохождения парокеросиновой смеси (Фиг. 3).
Соединительное устройство 10 в виде полуТора (ТОР - «бублик» - геометрическое тело, образуемое вращением круга вокруг не пересекающей его и лежащей в одной с ним плоскости прямой) присоединяют внешним диаметром с краем внешнего цилиндра 2, а внутренний диаметр соединен с каркасом 5 ТХР, внутренний цилиндр 3 КС 1 примыкает к полуТору 10.
В полуТоре 10 размещают устройство 11 для подачи парокеросиновой смеси.
Во внутреннем цилиндре 3, на входе в КС 1, располагают по диаметру не менее шести форсунок 12, которые связаны с ЭВМ.
В ПВРД (фиг. 4), в воздухозаборнике 13, до КС 1, расположен коллектор 14 подачи углеводородного топлива (УВТ) с инжектором 15, через который в коллектор 14 поступает УВТ. В коллекторе 14 имеются форсунки 16 (фиг. 5), подающие топливо в сверхзвуковой поток воздуха. В ПВРД, с противоположной стороны воздухозаборника 13 находится сопло 4. Количество форсунок 16 предлагается такое же, как и форсунок 12 - шесть штук. Рекомендуется расположить их со смещением относительно друг друга на 30°, 45° и 60° (Фиг. 5). Обе группы форсунок связаны с ЭВМ и открываются одновременно. Устройство работает следующим образом:
2
2
2
Парокеросиновая смесь через устройство 11 попадает в ТХР. При температуре от 820°С до 850°С на каталитической поверхности ТХР нарабатываются продукты конверсии, состоящие из парогазовой смеси, в состав которой входит водородосодержащий газ следующего состава: Н - 70%, СО - 24%, СO - 6%, проценты даны в объемных единицах. Нарабатываемые продукты конверсии в бортовом ТХР являются необходимым условием для перехода на сверхзвуковое горение исходного УВТ. Кроме того, сверхзвуковое горение требует необходимой локальной концентрации водорода в ТВП для его самовоспламенения, а именно 4% объемных - эта необходимая наработка водорода осуществляется за счет высокой удельной поверхности, не менее 158 м/г, каталитического покрытия на сетчатом блоке.
2
3
2
2
В качестве носителя высокоэффективного катализатора для КС ПВРД необходимо использовать оксидированную при температуре не менее 700-900°С в течение 10-15 часов сетку из нержавеющей стали. На нее наносят суспензию состава гамма-оксид алюминия и смесь нитратов кобальта, церия и меди, высушенную при температуре 300°С в течение 1-3х часов и прокаленную при температуре 650°С в течение 3-6ти часов. Затем сетку окунают в суспензию с последующей сушкой при температуре не менее 250°С и прокаливанием не менее 3-х часов, причем состав суспензии для получения пористого покрытия на металлическом носителе должен содержать следующие вещества (масс. % в пересчете на оксиды) не менее: 73,9% АlO/ 9,1% CuО/ 3,3% MnO/ 13,7% СеO
Сетчатые блоки, в которых сетки имеют ячейки 0,04 мм и на которые наносят катализатор, имеют бОльшую площадь поверхности по сравнению с плоской поверхностью, и это обуславливает большую удельную поверхность.
Пример конкретных параметров способа нанесения каталитического пористого покрытия на металлический носитель приведен на схеме фиг. 8. Способ подачи продуктов паровой каталитической конверсии в ДСКС, т.е. в сверхзвуковой ТВП, обеспечивает необходимую локальную концентрацию водорода не менее 4% для его самовоспламенения.
(Статья «Определение верхнего и нижнего пределов самовоспламенения» https: //stamza vas.net/1-50653).
Наработанные продукты конверсии под давлением в ТХР 4 и всасывающей силы, образуемой сверхзвуковым ТВП, поступают в обедненную топливовоздушную смесь в пристеночной области на входе в КС 1 с температурой ~820°С.
Обедненная зона топливовоздушной смеси образуется за счет расположения форсунок 12 по подаче продуктов конверсии с поворотом вокруг оси КС на определенный угол 60°; 45° и 30° и последовательным открытием, в зависимости от этапа, относительно форсунок 16 по подаче исходного УВТ. Расположение форсунок на каждом этапе разгонной траектории полета ЛА представлено на фиг. 5, где 12 - форсунки подачи ПК в КС, а 16 - форсунки подачи исходного УВТ перед КС.
Водородосодержащий газ, находящийся в продуктах конверсии, поступает в сверхзвуковой ТВП в КС и за время задержки его самовоспламенения происходит его сепарация. Водород диффундирует в первую очередь за счет своих высоких диффузионных свойств, во вторую очередь диффундирует окись углерода и при их самовоспламенении происходит повышение температуры до самовозгорания ТВП. Таким образом, водород выполняет функцию воспламенителя ТВП в трех различных комбинациях (Фиг. 5).
Самовозгорание - это химическая реакция окисления топлива и от скорости потока она не зависит. Так как скорость пламени горения топлива дозвуковая, то происходит его срыв сверхзвуковым ТВП. Этот процесс идет с непрерывной последовательностью с поглощением тепловой энергии пламени горения этим потоком. Такая непрерывная последовательность процесса подачи ПК в двухконтурную сверхзвуковую камеру сгорания в составе ПВРД обеспечивает устойчивое и полное сжигание исходному УВТ. Двухконтурная сверхзвуковая камера сгорания [ДСКС], представляет собой первый контур - КС и второй контур - ТХР.
Рассмотрим три этапа на разгонной траектории, начиная с 4М до предельной максимальной скорости с последующим выходом на крейсерскую высоту полета в плотных слоях атмосферы.
На трех этапах разгона предлагается, во-первых, техническое решение по сохранению полного сжигания топлива при постоянной длине ДСКС.
Во-вторых, использование основных параметров, полученных эмпирическим путем при проведении паровой каталитической конверсии на декане в Технологическом институте Санкт-Петербурга на кафедре Катализа.
На 1-м этапе разгона осуществляется переход на сверхзвуковое горение в ДСКС. Чтобы получить устойчивое и полное сгорание топлива в сверхзвуковой КС необходимо увеличить скорость его сжигания. Для этого сверхзвуковой ТВП в КС условно делится на три сегмента, и при индивидуальном и одновременном их поджоге водородом, входящим в состав продуктов конверсии, с внешней стороны сегмента скорость их горения увеличивается в три раза.
На фиг. 5 показано, что на первом этапе количество открытых форсунок по подаче продуктов конверсии для поджога ТВП кратно числу условных сегментов, а именно - трем.
На 2-м этапе количество открытых форсунок по подаче ПК и число условных сегментов ТВП кратно четырем.
На 3-м этапе количество открытых форсунок по подаче ПК и число условных сегментов ТВП кратно шести.
Для выполнения таких требований предлагается алгоритм по автоматическому срабатыванию от сигнала ЭВМ электромагнитных клапанов для открытия форсунок, равномерно расположенных как по периметру на входе в ДСКС, так и по периметру перед КС. Форсунки 12 по подаче ПК располагаются равномерно по периметру на входе в КС с поворотом вокруг оси ДСКС относительно форсунок по подаче исходного УВТ на определенный угол, т.е. 60°, 45° и 30°, как показано на Фиг. 5.
2
2
Вектор скорости горения направлен от внутренней стенки камеры сгорания к ее центральной осевой. Сжигание топлива в КС за меньшее время увеличивает теплосодержание продуктов горения в ДСКС, где одна часть этой тепловой энергии используется на разрыв межмолекулярных связей углеводородного топлива с образованием Н, СО и СО с эндотермическим эффектом. Другая ее часть идет на повышение «температурного фактора» каталитического блока в ТХР с 820°С до 830°С.
При данной температуре каталитического блока процент разложения сырья, с образованием продуктов конверсии, составляет около 76%. При этом поджог ТВП осуществляется водородом при его самовоспламенении с локальной концентрацией не менее 4% объемных.
р
На скорости полета ЛА равной 4М, где пропульсивный кпд (η) достигает максимального значения, является той оптимальной скоростью, где необходимо осуществлять переход на сверхзвуковое горение УВТ в КС двухрежимного ПВРД.
Пропульсивный КПД в авиации (Д. Кюхеман «Аэродинамическое проектирование самолетов») - это отношение работы тяги к теплу, сообщенному потоку воздуха в КС, то есть:
р
где η - пропульсивный кпд
n
Р - потребная тяга, кг
2
g - земное ускорение, м/с
- расстояние, преодоленное ЛА, на определенном интервале времени, м
кc
Q - количество тепловой энергии, подведенной к потоку воздуха в КС на том же интервале времени, Дж.
р
Согласно графику на фиг. 7 пропульсивный КПД на разгонной траектории от 4М до 6М достигает своего максимального значения: η=0,6
р
p
Если равенство η=0,6 развернуть: (Ньютон метр - механический эквивалент одного Джоуля), то становится понятен физический смысл пропульсивного КПД, т.е. тепловая энергия запасенного топлива при η=0,6 распределяется следующим образом:
0,6 Дж - идет на полезную работу тяги, а
0,4 Дж - на «паразитный» разогрев набегающего потока воздуха.
Следовательно, рост скорости полета ГЛА зависит от преобразователя тепловой энергии в полезную работу тяги, т.е. от ПВРД со сверхзвуковым горением.
На графике фиг. 7 представлены зависимости пропульсивных КПД от скорости для различных типов двигателей. А именно:
1 - двухконтурный двигатель
2 - турбореактивный двигатель
3 - ПВРД
4 - ПВРД со сверхзвуковым горением
Из этого графика видно, что все типы двигателей имеют свои максимальные пропульсивные значения КПД, которые определяют их крейсерскую высоту и скорость полета.
Самым экономичным по расходу топлива и с максимальной скоростью полета на моторном гиперзвуке является прямоточный двигатель со сверх звуковым горением [ПВРД с. г.], что и является, в конечном итоге, целью данного изобретения.
При этом скорость топливовоздушного потока на разгонной траектории полета растет, а его температура на входе в камеру сгорания падает из-за снижения степени сжатия за счет перехода с прямого на косые скачки уплотнения с последующим сокращением их количества не менее двух в тракте ПВРД с.г.
n
р
График как потребной P, так и располагаемой P тяг в зависимости от роста скорости в Махах на моторном гиперзвуке представлен на фиг. 6. Потребная тяга зависит от аэродинамического качества:
n
_
Где P потребная тяга
К - аэродинамическое качество
при росте скорости полета ГЛА возрастает как волновое сопротивление, так и сопротивление трения и донное сопротивление, а это сказывается на росте лобового сопротивления, т.е. возрастает коэффициент лобового сопротивления, а так как:
у
где С - коэффициент подъемной силы
х
С - коэффициент лобового сопротивления и при его возрастании снижается аэродинамическое качество, что ведет к росту потребной тяги. Располагаемая тяга зависит от степени подогрева воздуха в КС:
р
p1
Снижение температуры на входе в КС и рост температуры в ДСКС повышает степень подогрева воздуха, что скачкообразно увеличивает потребную тягу P на ΔP; - это отображено на фиг. 6.
где τ - степень подогрева воздуха;
к.с.
T - температура в ДСКС;
вх.к
Т. - температура на входе в камеру сгорания.
n
р
n
р
Итак, с ростом скорости ГЛА на траектории разгона от 4М до 5М потребная тяга P растет, а располагаемая тяга P падает и при достижении ускорения равному нулю наступает их равенство: P=P
Таким образом, на первом этапе траектории разгона возникает вероятность, что ПВРД с.г. заглохнет.
р
n
Чтобы исключить остановку прямоточного двигателя на втором этапе разгона, необходимо сохранять неравенство: P>P.
n
р
р
Этот факт подтверждается бросковыми испытаниями ракеты, проведенными в США по программе X - 51А в конце 2018 года, где ПВРД с. г. проработал 360 секунд и достиг скорости 5,1 Маха, а затем заглох. Остановка ПВРД на скорости 5,1М может быть по двум причинам: - при наступлении равенства потребной и располагаемой тяг: P=P, т.е. ускорение ЛА падает до нуля и для продления полета с ускорением больше нуля необходимо иметь возможность к увеличению располагаемой тяги P. Похоже на то, что у американцев такой возможности пока нет.
- при достижении степень сжатия ТВП до ее оптимального значения в точке области равной 0,85 и при дальнейшем росте скорости степень сжатия монотонно падает, что соответственно ведет к падению тяги и остановке ПВРД со сверхзвуковым горением.
n
р
р
p1
p2
p3
p4
С одной стороны, для продления полета ЛА на переходном режиме, необходимо иметь возможность к росту располагаемой тяги. С другой стороны, чтобы обеспечить рост скорости на разгонной траектории до ее предельных значений необходимо при достижении оптимальной степени сжатия сохранять ее в дальнейшем на всем протяжении полета ЛА. График как потребной - P, так и располагаемой P тяг в зависимости от роста скорости на моторном гиперзвуке (Фиг. 6), отображает скачкообразный рост P в начале каждого этапа разгона, с последующим их монотонным падением: ΔP>ΔP>ΔP>ΔP.
р
р4
n
p
При сохранении постоянной величины степени сжатия, равной 0,85, имеется возможность на оставшейся траектории разгона переходного режима, на расчетной предельной скорости полета около 7 М, располагаемую тягу P увеличивать наΔP. (Фиг. 6). При неоднородности параметров воздуха на постоянной высоте полета необходимо сохранять неравенство: располагаемая тяга больше потребной P>P, которое гарантирует устойчивость и надежность работы ПВРД с.г. в крейсерском режиме полета.
ПЕРВЫЙ ЭТАП с 4М до 5М:
ТВП в КС условно делим по длине на три сегмента, открыты три форсунки подачи ПК.
Температура на входе в КС - 820°С.
Среднеобъемная температура в КС - 1400°С.
Температура каталитического блока (температурный фактор) - 830°С.
Наработка продуктов конверсии- 76%. Количество водорода в ПК - 53,2% объемных.
Необходимая концентрация водорода на входе в ТВП>4% объемных.
р
р1
Скачкообразный рост располагаемой тяги P на ΔP
ВТОРОЙ ЭТАП с 5М до 6М:
Четыре сегмента ТВП и четыре форсунки подачи ПК.
Температура на входе в КС - 830°С.
Среднеобъемная температура в КС более 1400°С.
Температура каталитического блока (температурный фактор) - 840°С.
Наработка продуктов конверсии - 87%.
Количество водорода в ПК - 60,9% объемных.
Необходимая концентрация водорода на входе в ТВП>3,32% объемных.
р
р2
Рост располагаемой тяги P на ΔP.
ТРЕТИЙ ЭТАП с 6М до 7М:
Шесть сегментов ТВП и шесть форсунок подачи ПК.
Температура на входе в КС - 840°С.
Среднеобъемная температура в КС - 1500°С.
Температура каталитического блока (температурный фактор) - 850°С.
Наработка продуктов конверсии - 99%.
Количество водорода в ПК - 69,3% объемных.
Необходимая концентрация водорода на входе в ТВП>2,79% объемных.
р
р3
Рост располагаемой тягиP на ΔP.
При использовании предлагаемой двухконтурной сверхзвуковой камеры сгорания в составе ПВРД на разгонной траектории полета при оптимальной степени сжатия, равной 0,85 можно достичь предельно - максимальной расчетной скорости около 7Махов с последующим выходом на крейсерскую высоту атмосферного полета.
2
В сверхзвуковой КС использованы современные технологии, позволяющие получать новые нанопористые каталитические материалы. Основные параметры, которые определяют эффективность их использования, это - высокая уд. поверхность, достигающая 158 м/г.
Итак, в полете ГЛА на моторном гиперзвуке на ДСКС по предлагаемому изобретению в составе ПВРД. в верхних слоях атмосферы (27000 м), с долей топлива 0,45, достигает скорости равной 7 Махам с суммарной расчетной дальностью полета около 5000 км.
Таким образом, двухконтурная сверхзвуковая камера сгорания является ключевым элементом в конструкции ПВРД, над которой работают все ведущие страны мира.