ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
INTERMITTENT DETONATION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для создания тяги на летательных аппаратах.
Создание детонационного двигателя является новым направлением в развитии авиадвигателестроения. По сравнению с существующими авиационными газотурбинными двигателями пульсирующие детонационные двигатели обеспечат существенное улучшение тягово-экономических и массово-габаритных показателей, упрощение конструкции и снижение их стоимости (Вестник воздушного флота, июль-август 2003, стр.72-76). Теоретически и экспериментально доказано, что такие двигатели могут обеспечить повышение термического КПД в 1,3…1,5 раза.
Построение пульсирующих детонационных двигателей осуществляется по следующим схемам (Импульсные детонационные двигатели/ Под ред. С.М.Фролова, М.: ТОРУС ПРЕСС, 2006):
- классическая «Оружейная»;
- схема для прямоточного воздушно-реактивного двигателя;
- схема сжигания смеси с помощью стационарно вращающейся детонационной волны.
Кроме того, активно развивается «инвертированная» схема (ж. Двигатель, 2003, №1 (25), стр.14-17; ж. Полет, 2006, №11, стр.7-15, 2007, №5, стр.22-30, 2008, №12, стр.18-26).
Пульсирующий детонационный двигатель, построенный по «оружейной» схеме (патент США №6484492), представляет собой прямолинейную трубу определенной длины, которая открыта с заднего конца и имеет клапанное устройство на переднем конце. При работе двигателя топливно-воздушная смесь подается в трубу через клапан, который затем закрывается.
Детонация топливно-воздушной смеси инициируется с помощью зажигателя, расположенного в трубе, а ударные волны, возникающие в результате детонации, распространяются «вниз» по трубе, повышая температуру и давление образующихся продуктов сгорания. Эти продукты вытесняются из открытого заднего конца, создавая импульс реактивной силы, направленный вперед. После выхода ударной волны возникает волна разрежения, которая обеспечивает подачу в трубу через клапан новой порции топливно-воздушной смеси, и цикл повторяется.
Способ управления детонацией в таком двигателе описан в патенте США №6751943. Возникающая при воспламенении ударная волна и фронт детонационного горения будут стремиться распространяться в обоих продольных направлениях. Воспламенение инициируется на переднем конце трубы, так что волны будут распространяться по потоку к открытому выходному концу. Клапан необходим для того, чтобы препятствовать выходу ударной волны из передней стороны трубы и, что более важно, чтобы воспрепятствовать прохождению фронта детонационного горения в систему топливно-воздушного впуска. Для цикла пульсирующей детонации требуется, чтобы клапан работал при чрезвычайно высоких температурах и давлениях, и кроме того, он должен работать при очень больших частотах, чтобы получить сглаженную по величине силу тяги. Эти условия значительно уменьшают надежность механических клапанных систем из-за многоцикловой усталости.
Для пульсирующего детонационного двигателя, построенного по «оружейной» схеме, варианты управления «электрическим» клапаном предложены в патенте РФ №2287713.
Такой двигатель включает трубу, имеющую открытый передний конец и открытый задний конец; топливно-воздушный вход, выполненный в трубе на переднем конце; зажигатель, расположенный в трубе в месте, находящемся между переднем концом и задним концом, а также систему магнитогидродинамического управления потоком, расположенную между зажигателем и топливно-воздушным входом. Предложено три варианта магнитогидродинамического управления потоком.
Первый вариант системы магнитогидродинамического управления потоком включает обмотку возбуждения электрического поля, намотанную вокруг трубы в месте, находящемся между зажигателем и топливно-воздушным входом, и пару постоянных магнитов, расположенных с противоположных сторон трубы для создания в ней магнитного поля, перпендикулярного продольной оси трубы. Детонация топливно-воздушной смеси в трубе будет приводить к протеканию через магнитное поле электрически проводящих ионизированных продуктов горения, в результате возникает электрический ток в обмотке возбуждения, создающий электрическое поле.
Взаимодействие магнитного и электрического полей приводит к возникновению силы Лоренца, направленной против движения ударной и детонационной волн. На время ее действия прямой фронт горения будет рассеиваться и не пройдет через открытый передний конец трубы. Кроме того, обмотка возбуждения электрического поля подключена к системе управления режимом мощности, обеспечивающей подачу в соответствующие моменты времени импульсов тока на зажигатель.
Второй вариант системы магнитогидродинамического управления потоком включает обмотку возбуждения магнитного поля, намотанную вокруг трубы в месте, находящемся между зажигателем и топливно-воздушным входом. К обмотке через устройство управления подключается источник энергии, обеспечивающий протекание через нее электрического тока и тем самым создание магнитного поля. В районе обмотки находящаяся на входе трубы ионизированная топливно-воздушная смесь под действием магнитного поля разделяется на зону, обогащенную топливом, окруженную обедненной воздушной зоной. При детонации прямая волна давления и прямой фронт горения, распространяясь к входу трубы, сталкиваются с разделенными топливной и воздушной зонами. В результате процесс горения передней зоны детонации нарушается, вызывая рассеивание прямого фронта горения. Как только прямой фронт пламени рассеется, подача электропитания на обмотку прекращается.
Третий вариант системы магнитогидродинамического управления потоком объединяет первый и второй варианты, обеспечивающие отбор энергии и разделения топливно-воздушной смеси. Он содержит расположенные друг за другом обмотку возбуждения магнитного поля и обмотку возбуждения электрического поля, намотанные снаружи трубы на участке между зажигателем и топливно-воздушным входом, пару постоянных магнитов, расположенных с противоположных сторон трубы возле обмотки возбуждения электрического поля, для создания в ней магнитного поля, перпендикулярного продольной оси трубы.
Предложенные варианты магнитогидродинамического управления потоком заменяют механический клапан «электрическим», обеспечивая предотвращение выхода фронта детонационного горения в систему топливно-воздушного впуска. Однако при этом детонационный двигатель существенно усложняется, увеличиваются его массогабаритные характеристики.
Известен способ и устройство получения тяги (патент РФ 2215890). Двигатель на основе данного способа состоит из блока подачи горючего и окислителя, корпуса, размещенной в корпусе с образованием кольцевого канала камеры сгорания, зон резонансной активации горючего и окислителя, в которых помещены средства активации в виде искровых разрядников, соединенных с выходами блока управления. К входу блока управления подключен выход блока питания. На выходе камеры сгорания помещен отражатель и оптически связанный с ним центрально расположенный профильный экран, выполненный с вогнутой поверхностью для фокусировки отраженной детонационной волны. Отражатель и экран изготовлены из материала с высокой магнитной проницаемостью, они могут перемещаться относительно друг друга и предназначены для снятия с их поверхности электрической энергии при ударном взаимодействии по ним ионизированного газового потока.
Однако ионизированный газовый поток при столкновении с экраном теряет часть зарядов за счет их притяжения и растекания по поверхности конусообразного отражателя. В результате уменьшается степень ионизации и скорость отраженного газового потока.
Двойное отражение детонационной волны в противоположных направлениях от экрана и отражателя создает тягу, равную разности сил механических воздействий, что приведет в зависимости от их соотношения или к очень малому значению тяги, или к нулевой тяге или даже изменит направление тяги. Поэтому такое устройство не может использоваться как двигатель.
В кольцевой камере сгорания образовавшаяся детонационная волна распространяется в обоих продольных направлениях. Однако конструкция двигателя не имеет устройств, препятствующих прохождению фронта детонационного горения в зоны активации окислителя и горючего, что может вызвать детонацию в этих зонах.
Кроме того, в таком устройстве электрические импульсы формируются на экране и отражателе и снимаются с их поверхностей при ударном воздействии по ним ионизированного газового потока. Для обеспечения высоких значений ионизации потока необходимо использовать дополнительные мероприятия, например введение в топливо легкоионизированных добавок. Такое устройство менее эффективно, чем преобразователь, построенный на преобразовании ударных воздействий в электрические импульсы с помощью сегнетоэлектриков.
Известна камера пульсирующего двигателя детонационного горения построенная по инвертированной схеме (патент №2084675), содержащая расположенные в корпусе сверхзвуковое сопло и соосно с ним резонатор Гартмана в виде трубки, замкнутой с одного конца и открытой с другого конца. Они располагаются таким образом, что между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью сопла образована полость, являющаяся камерой смешения, выходная часть которой представляет критическое сечение с дальнейшим переходом в сверхзвуковое сопло внешнего расширения с усеченным центральным телом.
Такая камера пульсирующего двигателя не имеет предварительной подготовки топлива к детонационному сгоранию, и поэтому КПД ее низкий.
Пульсирующий детонационный двигатель, построенный по инвертированной схеме (патент СССР №1672933 от 22.04.1991, патент РФ №2034996 от 10.05.1995, Химическая физика, 2001, том 20, №6, с.90-98), состоит из реактора и резонатора, соединенных между собой через кольцевое сопло. Сжатый воздух и топливо подаются в реактор, и в нем осуществляется предварительная подготовка топлива к детонационному сгоранию путем разложения компонентов топливно-воздушной смеси на химически активные составляющие, для чего в реакторе осуществляют пиролиз горючего до получения рабочей смеси.
Подготовленная смесь через кольцевое сопло в виде радиальных сверхзвуковых струй подается в резонатор, в результате на основе известного эффекта Гартмана-Шпренгера возникают ударные волны, которые при движении в сторону днища сжимают и нагревают горючую смесь. Отражаясь от донной поверхности резонатора, имеющего вогнутую форму, ударные волны фокусируются в узкой области, где происходит дальнейшее повышение температуры и давления, на основе известного эффекта Гартмана-Шпренгера, способствующих детонации горючей смеси. Возникающая детонационная волна движется по топливно-воздушной смеси со сверхзвуковой скоростью в обоих продольных направлениях, при этом происходит практически мгновенное (взрывное) сгорание топлива, сопровождающееся значительным повышением температуры и давления продуктов сгорания. Детонационная волна, встречаясь со сверхзвуковым потоком рабочей смеси, образует «газовый затвор», который преграждает путь сверхзвуковому потоку рабочей смеси в резонатор. После отражения от донной стенки детонационная волна превращается в отраженную ударную волну, которая по сгоревшей смеси движется в сторону выхода и увлекает за собой продукты сгорания, выбрасывая их в атмосферу со сверхзвуковой скоростью. Воздействие детонационной волны на внутреннюю донную поверхность резонатора создает тягу. За отраженной ударной волной следует волна разрежения, которая, проходя мимо кольцевого сопла и имея за фронтом давление меньше атмосферного, обеспечивает открытие «газового замка» и всасывание новой порции рабочей смеси. Далее процесс повторяется.
Недостатками такого пульсирующего детонационного двигателя являются:
- снижение к.п.д. двигателя за счет расхода части топлива при пиролизе горючего в реакторе для разложения топливно-воздушной смеси на химически активные составляющие;
- газодинамический клапан Гартмана не полностью исключает проникновение фронта детонационного горения через кольцевое сопло в реактор;
- не осуществляется преобразование кинетической энергии отраженных ударных и детонационных волн от донной поверхности резонатора в электрическую импульсную энергию.
По наибольшему количеству сходных признаков данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Целью создания предлагаемого пульсирующего детонационного двигателя является упрощение конструкции, улучшение массогабаритных и эксплуатационных параметров, повышение удельных тяговых характеристик.
Предлагаемый пульсирующий детонационный двигатель включает два основных узла: реактор и резонатор.
В реакторе для повышения эффективности горения предварительно подготавливают смесь окислителя и горючего. В резонаторе в результате пересечений струй смеси, выходящих из кольцевого сопла со сверхзвуковой скоростью, автоматически возникает процесс горения и формируются ударные и детонационные волны.
Горение как элементарная химическая реакция может произойти только в объеме, где имеет место столкновение молекул топлива и окислителя.
Подготовка такого объема заключается в формировании контактной поверхности потоков окислителя и горючего. Увеличить площадь контактной поверхности можно генерацией вихревых течений в потоках горючего и окислителя. В возмущенном турбулентном потоке площади контактной поверхности двух сред растут во времени по экспоненциальному закону. Увеличение площади контактной поверхности способствует интенсификации процесса смешения горючего и окислителя.
Главным звеном предварительной подготовки смеси окислителя и горючего является активация молекул смеси путем модернизации их электронно-ядерной структуры. Суммарная энергия связей в активированной молекуле существенно меньше, чем в той же молекуле в свободном основном состоянии. В активированной молекуле межъядерные расстояния увеличены, чтобы затем при свершении химической реакции горения полностью покинуть друг друга и стать частями новых конечных молекул. Активация есть снижение энергетического барьера молекул смеси, вызванная воздействием на ее молекулы электромагнитным излучением или другими видами воздействий.
Таким образом, для обеспечения предварительной подготовки смеси в реакторе с целью повышения эффективности горения в резонаторе необходимо:
- создать вихревое смешение окислителя и горючего;
- осуществить активацию молекул смеси путем воздействия на них электромагнитным излучением или потоком различных элементарных частиц.
Вихревое смешение можно осуществить путем тангенциального введения в объем реактора горючего и продольного введения окислителя, при которых их струи взаимно пересекаются. Активацию молекул смеси можно обеспечить при воздействии на них электромагнитным излучением.
В предлагаемой заявке техническая реализация предварительной подготовки смеси окислителя и горючего осуществляется путем установки в реакторе входных топливных патрубков, тангенциально направленных вдоль внутренней полости реактора, и продольно направленного патрубка окислителя. При подаче в них окислителя и горючего в реакторе происходит вихревая закрутка потока, обеспечивающая интенсивное круговое смешение. Для активации смеси в реакторе используется электромагнитное воздействие на молекулы окислителя и горючего с помощью подачи на электроды импульсов тока. При наличии в районе электродов магнитного поля, кроме того, возникают вторичные вихревые течения потока смеси, порожденные взаимодействием тока электрического разряда с магнитным полем (Клементьев И.Б. и др. «Взаимодействие электрического разряда с газовой средой во внешнем магнитном поле и влияние этого взаимодействия на структуру потока и смешение», Теплофизика высоких температур, 2010, №1).
Так как время жизни активированных состояний молекул мало, активация осуществляется непосредственно перед подачей смеси в резонатор, поэтому постоянный магнит и электроды размещены на критическом сечении кольцевого сопла. Активация осуществляется в течение длительностей подаваемых на электроды импульсов тока. Требуемая мощность таких импульсов небольшая, так как окислитель и горючее уже смешаны, а активации подвергается небольшой объем смеси, находящейся в пространстве критического сечения сопла. При этом мощность импульсов должна быть невысокой еще и для того, чтобы при активации не возникал процесс воспламенения смеси.
Средством импульсной активации смеси окислителя и горючего являются электроды, размещенные в реакторе на выходах кольцевого сопла Гартмана, которые соединены с электрическим выходом пьезогенератора.
Резонатор выполнен из немагнитного материала в виде трубы меньшего диаметра и размещен в трубе реактора так, чтобы выход кольцевого сопла Гартмана был направлен во внутреннюю полость резонатора.
Вогнутое дно резонатора изготовлено из двух частей, разделенных буфером, внутренняя часть выполнена из материала, выдерживающего высокие импульсные механические нагрузки, а наружная - из блока пьезоэлектрических элементов, соединенных электрически параллельно, являющихся совместно с резонансным контуром пьезогенератором.
Механические ударные воздействия детонационных и ударных волн за счет ударной деполяризации сегнетоэлектрика преобразуются в импульсную электрическую энергию. Пьезогенератор состоит из блока пьезоэлектрических элементов, соединенных параллельно, и резонансного контура.
В резонаторе при взаимодействии сверхзвуковых струй активированной смеси, выходящих из кольцевого сопла, инициируется химическая реакция воспламенения смеси и ударная волна, которая после отражения от вогнутого дна резонатора фокусируется и, создавая в месте фокусировки высокую температуру и давление, обеспечивает возникновение детонационного горения и распространения детонационной волны в обоих продольных направлениях. После выхода продуктов сгорания со сверхзвуковой скоростью в атмосферу возникает волна разрежения, которая обеспечивает всасывание новой порции активированной смеси, и процесс повторяется.
Первый вариант пульсирующего детонационного двигателя состоит из:
- корпуса;
- средства для подачи горючего и окислителя в реактор;
- реактора в виде трубы, в которую в передней части поступает топливно-воздушная смесь, а ее задний конец загнут вовнутрь и образует кольцевое сопло Гартмана;
- средств импульсной активации топливно-воздушной смеси, размещенных в реакторе на выходах кольцевого сопла Гартмана;
- резонатора из немагнитного материала в виде трубы меньшего диаметра, размещенной в трубе реактора. Передний конец трубы резонатора имеет вогнутое дно, а задний соединен с выходом кольцевого сопла;
- на внутренней поверхности резонатора имеется шероховатость в виде нарезки, на внешней поверхности резонатора установлены два постоянных магнита, создающих магнитное поле внутри резонатора, направленное перпендикулярно его продольной оси;
- вогнутое дно резонатора состоит из двух частей, разделенных буфером, обеспечивающим уменьшение силы ударного воздействия. Внутренняя часть выполнена из материала, выдерживающего высокие импульсные механические нагрузки, а наружная - из блока пьезоэлектрических элементов, соединенных параллельно, обеспечивающих преобразование кинетической энергии ударной волны в электрическую энергию;
- электрический выход пьезогенератора соединен с входами средств импульсной активации топливно-воздушной смеси.
Второй вариант устройства отличается от первого тем, что:
- точка пересечения струй ионизированной топливно-воздушной смеси, вытекающей из сопла Гартмана, совмещена с точкой фокусирования отраженной ударной волны. Такое совмещение улучшает условия возникновения детонационной волны;
- выход резонатора выполнен в виде расширяющегося реактивного сопла, обеспечивающего дополнительный газодинамический разгон рабочего тела (ионизированного газового потока);
- на наружной поверхности реактивного сопла размещены два постоянных магнита, создающих магнитное поле внутри сопла, направленное перпендикулярно его продольной оси;
- на внутренней поверхности резонатора отсутствует шероховатость в виде нарезки.
Новыми существенными признаками обоих устройств являются:
- размещение резонатора в виде трубы меньшего диаметра в трубе реактора так, чтобы выход кольцевого сопла был направлен во внутреннюю полость резонатора;
- установка на внешней поверхности резонатора или реактивного сопла двух постоянных магнитов, создающих магнитное поле внутри резонатора или сопла, направленное перпендикулярно их продольной оси;
- изготовление вогнутого дна резонатора из двух частей, разделенных буфером, уменьшающим ударные нагрузки. Внутренняя часть дна выполнена из материала, выдерживающего высокие импульсные воздействия детонационных волн, а наружная - из блока пьезоэлектрических элементов, соединенных параллельно, образующих пьезогенератор;
- выход источника импульсного тока соединен последовательно с входами средств импульсной активации, расположенных в реакторе на выходах кольцевого сопла Гартмана.
Технический результат, который может быть получен при реализации совокупности признаков, заключается в следующем:
- предварительная подготовка смеси за счет ее вихревого смешения и активации, а также конструктивные особенности резонатора и реактора обеспечивают повышение эффективности горения и мощности детонационных волн, увеличивающих силу тяги и удельные тяговые характеристики двигателя;
- кинетическая энергия ударных волн о дно резонатора ранее использовалась только для создания тяги, в предлагаемом устройстве она еще преобразуется в электрическую энергию, которая используется для активации смеси окислителя и горючего. Такое техническое решение приводит к снижению массогабаритных характеристик двигателя и упрощает его конструкцию.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлен первый вариант устройства, на Фиг.3 - второй вариант устройства, а на Фиг.2 - схема импульсного источника тока и его связь со средствами активации.
Устройства содержат корпус 1, реактор 2, заполняемый с помощью блока 11 окислителем и горючим, в которое введены легкоионизированные добавки, импульсное средство активации топливно-воздушной смеси 3, кольцевое сопло 4, постоянные магниты 5, реактивное сопло 7 или шероховатость в виде нарезки 7 на внутренней поверхности резонатора 6 для турбулизации газового потока. Дно резонатора состоит из трех частей. Внутренняя часть дна 8 выполнена из высокопрочного материала, промежуточная часть - буфер 9 для снижения силы ударного воздействия на пьезоэлектрические элементы, наружная - в виде пьезогенератора 10 с резонансным контуром 13. Для усиления конструкции реактор и резонатор соединены кольцевой стойкой 12, через отверстия в которой проходят провода, последовательно соединяющие выход пьезогенератора 10 с электродами средств активации.
Работа пульсирующего детонационного двигателя начинается с заполнения блоком 11 реактора 2 под давлением окислителем и горючим через тангенциально и продольно направленные патрубки. Струи горючего, вращаясь, пересекаются со струей окислителя, образуя вихревое смешение.
От внешнего источника подается запускающая серия импульсов на средства активации топлива 3, которые обеспечивают разложение топливно-воздушной смеси на выходе сопла Гартмана на химически активные составляющие. Ионизированная топливно-воздушная смесь вытекает со сверхзвуковой скоростью из сопла в виде радиальных струй, направленных во внутреннюю полость резонатора 6.
При их столкновении и смешивании инициируется химическая реакция воспламенения топлива и возникает ударная волна, движущаяся в сторону днища резонатора 6.
Шероховатость внутренних стенок 7 резонатора 6 обеспечивает высокую интенсивность турбулентного смешивания в сдвиговых слоях за счет вихревых движений в области за препятствиями и за счет генерации поперечных ударных волн.
Между ускоряющейся зоной турбулентного горения и головной ударной волной возникают «горячие точки» вследствие неоднородности потока на контактных поверхностях, образованных шероховатостью 7. В таких локальных экзотермических центрах зарождается детонация.
Кроме того, головная ударная волна после отражения от вогнутого дна резонатора фокусируется и, создавая в этом месте высокую температуру и давление, обеспечивает возникновение детонационного горения и распространение детонационной волны в обоих продольных направлениях. Во втором варианте устройства при совмещении точки пересечения струй с точкой фокусировки отраженной ударной волны надобность в шероховатости внутренней поверхности резонатора отпадает.
Следующие за детонационными волнами сильно ионизированные газовые потоки, проходя через магнитное поле, вызывают возникновение сил, действующих на них в направлении движения. В результате увеличиваются скорости движения потоков, движущихся как в сторону дна резонатора, так и в противоположную сторону на выход из резонатора.
После отражения от дна детонационная волна становится отраженной ударной волной и вместе с ионизированным газовым потоком, проходя через магнитное поле, увеличивает скорость газового потока в направлении выхода из резонатора. Выход резонатора 6 выполнен в виде расширяющегося реактивного сопла, обеспечивающего дальнейшее увеличение скорости истекающих газов.
В течение механического воздействия детонационной волны на дно резонатора происходит деполяризация элементов сегнетоэлектриков, выполненных в виде блока из нескольких одинаковых пластин, соединенных электрически параллельно и расположенных по отношению друг к другу, как показано на Фиг.2. Такой пьезогенератор создает импульсы тока, амплитуда которых увеличивается при настройке контура 13 на резонанс. Импульсы с частотой следования детонационных процессов подаются на вход устройств активации топлива, обеспечивая разложение топливно-воздушной смеси на химически активные составляющие.
После выхода продуктов сгорания со сверхзвуковой скоростью в атмосферу возникает волна разрежения. Пониженное давление в полости резонатора обеспечивает всасывание новой порции активированной смеси и процесс повторяется.
Реализация заявленного технического решения не вызывает сомнения, так как при его изготовлении будут использоваться известные технологии организации детонационных процессов и преобразования энергии детонационной волны в электрическую энергию (Электрические явления в ударных волнах/ Под редакцией В.А.Борисенка и др. - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2005).
Было показано, что взрывные пьезогенераторы обладают оптимальными характеристиками как генераторы токовых импульсов, мощность которых достигает нескольких мегаватт, энергия - десятков джоулей, поэтому они обеспечат эффективную работу средств импульсной активации.