ГИПЕРЗВУКОВОЙ ПРЯМОТОЧНЫЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель Полезная модель относится к авиации и ракетной технике и может быть использована в двигательных установках воздушно - космических самолетов, крылатых ракет и других гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА).
Для обеспечения длительного полета ГЛА в атмосфере необходим гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД). Однако, при больших скоростях полета, превышающих скорость звука в шесть и более раз, резко увеличиваются тепловые потоки в стенку воздухозаборника и камеры сгорания. Это повышает температуру стенок воздухозаборника и камера сгорания ГПВРД до значений, при которых прочностные свойства материалов конструкции ГПВРД существенно ухудшаются. Поэтому в условиях повышенных тепловых потоков требуются новые конструктивные решения и новые физические принципы поддержания температуры стенки на уровне, при котором сохраняются прочностные свойства материалов конструкции ГПВРД.
Известен гиперзвуковой прямоточный двигатель по патенту РФ №2121070, который выполнен двухконтурным, содержит внутренний дозвуковой и внешний сверхзвуковой контуры. Проточная часть сверхзвукового контура образована корпусами дозвукового и сверхзвукового контуров. Дозвуковой контур состоит из диффузора с дозвуковой скоростью на выходе, коллекторов подачи топлива и воды и реактора, в котором углеводородное топливо предварительно подвергается реакции конверсии с водой, с выделением продуктов реакции с высоким содержанием свободного водорода, поступающих в сверхзвуковой контур.
Известен гиперзвуковой прямоточный двигатель по патенту РФ №2116490, содержащий прямоточную камеру сгорания и систему подачи жидкого топлива, отличающийся тем, что соосно прямоточной камере сгорания установлено центральное тело с расположенным в нем турбонасосным агрегатом, состоящим из установленных на общем валу осевой газовой турбины и группы высоконапорных центробежных насосов с параллельным подводом топлива. Вокруг крыльчаток центробежных насосов расположены концентрические топливные коллекторы, в которых со сдвигом шага выполнены пояса струйных жидкостных форсунок.
Недостатками указанных устройств является высокая температура стенок воздухозаборника и камеры сгорания, что приводит к ограничению на скорость полета ГЛА из-за аэродинамического нагрева воздухозаборника, а также ограничение на температуру топливо-воздушной смеси в камере сгорания при горении, что снижает тяговую эффективность и надежность ГПВРД при высоком расходе топлива.
Ближайшим по технической сущности к заявляемой полезной модели, принимаемому за прототип, является устройство, приведенное на рис. 3.1 (а) стр. 115 в книге «Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей полета. (Основы теории)» (Р.И. Курзинер. - М.: Машиностроение, 1989. - 264 с). Данное устройство ГПВРД представляет собой тело с протоком, содержащее воздухозаборник внешнего сжатия, прямоточную камеру сгорания, сопло внешнего расширения и форсунки для впрыска топлива в камеру сгорания.
Прототип работает следующим образом. При входе гиперзвукового потока воздуха в воздухозаборник происходит его торможение до сверхзвуковой скорости (1.1<M<3) с одновременным повышением давления. Заторможенный до сверхзвуковой скорости воздушный поток поступает в камеру сгорания, где происходит его смешение с топливом, которое подается в камеру сгорания через форсунки. Происходит горение топливо-воздушной смеси с выделением тепловой энергии. Далее продукты сгорания топливо-воздушной смеси поступают в расширяющееся сопло, где происходит увеличение скорости продуктов сгорания до гиперзвуковой. Таким образом, происходит приращение количества движения воздушного потока, то есть создается тяга. При этом форсунки располагаются как в воздухозаборнике, так и камере сгорания.
Недостатком данного прототипа является высокая температура стенки воздухозаборника и камеры сгорания, что вызвано высокими тепловыми потоками к стенке со стороны сверхзвукового потока воздуха в воздухозаборнике и топливо-воздушной смеси в камер сгорания. Кроме того, для более эффективного протекания процесса горения в камере сгорания ГПВРД необходимо иметь температуру топливо-воздушной смеси в камере сгорания порядка 3000-4000К, что приводит к увеличению температуры стенки камеры сгорания. Одновременно, увеличение скорости полета ГЛА с ГПВРД также приводит к увеличению температуры воздуха в воздухозаборнике ГПВРД, а, значит, и к увеличению температуры стенки воздухозаборника.
Технической задачей, вытекающей из недостатков прототипа и аналогов, является снижение температуры стенки воздухозаборника и камеры сгорания за счет отвода тепла электронами при термоэлектронной эмиссии и повышение на этой основе надежности и основных технических характеристик ГПВРД, например, скорости полета ГЛА.
Указанная задача решается тем, что на внешнюю поверхность стенки воздухозаборника и камеры сгорания в области протекания процесса горения топливо-воздушной смеси наносится эмиссионный слой с низкой работой выхода электронов (катод), а в сопловой части ГПВРД устанавливается элемент (анод), воспринимающий электроны эмиссии, находящиеся в газовом потоке. Работа выхода электронов и температура анода при этом ниже работы выхода электронов и температуры катода для чего через слой изоляции от анода располагается охлаждающий элемент анода с каналами, в которых циркулирует охлаждающая жидкость, например, топливо. От анода «горячие» электроны эмиссии попадают в бортовой потребитель электрической энергии, где охлаждаются, совершая полезную работу. Далее, через потребитель электрической энергии остывшие электроны возвращаются на катод, и цикл электронного охлаждения повторяется заново.
2
Единым техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемой полезной модели, снижение температуры стенок наиболее теплонапряженных элементов ГПВРД таких как стенки воздухозаборника и камеры сгорания за счет термоэлектронной эмиссии электронов в сверхзвуковой поток и переноса их на анод. При этом улучшаются технические характеристики ГПВРД, например, скорость полета, поскольку появляется возможность обеспечить более высокую температуру потока воздуха на входе в воздухозаборник, что соответствует более высоким скоростям полета ГЛА. При этом более высокая температура в камере сгорания ГПВРД способствует увеличению скоростей реакции горения и полноты сгорания топливо-воздушной смеси, что также улучшает технические характеристики ГПВРД. То есть при увеличении подводимых тепловых потоков к стенкам воздухозаборника и камеры сгорания ГПВРД обеспечивается снижение температуры этой стенки за счет отвода тепла электронами при термоэлектронной эмиссии. Это происходит потому, что при выходе электронов из эмиссионного слоя электроны забирают с собой тепловую энергию. Тепловые потоки электронного охлаждения могут превышать величину в 1.5 МВт/м. При этом на борту ГЛА генерируется электрическая энергия, которую можно направить на обеспечение бортовых систем.
На фиг. 1 представлен заявляемый ГПВРД в разрезе.
Представленный ГПВРД имеет в своем составе воздухозаборник 1, прямоточную камеру сгорания 2, сопло 3, форсунки 4. На внешней поверхности воздухозаборника и камеры сгорания ГЛА установлена токопроводящая подложка катода (ТПК) 5, выполненная из жаропрочного электропроводящего материала, например, ниобия. Корпус ГЛА отделен от ТПК 5 слоем электроизоляции 6. На ТПК 5 нанесен эмиссионный слой 7, характеризующийся низкой работой выхода электронов, например,
6
2
гексаборид лантала (LaB) или диоксид тория (TrO). Эмиссионный слой 1 и ТПК 5 образуют многослойный электрод - катод. Эмиссионный слой 7 устойчив к химически агрессивной среде и имеют высокую температуру плавления. Эмиссионный слой 7 и ТПК 5 устанавливаются в высокотемпературной области ГПВРД, а именно: в области воздухозаборника и камеры сгорания. На внешней поверхности стенки сопла располагается токопроводящая подложка а нода (ТПА) 9 из жаропрочного материала. На внешнюю поверхность ТПА 9 нанесен слой восприятия электронов (СВЭ) 8 из материала с низкой работой выхода электронов. СВЭ 8 и ТПА 9 - образуют элемент (анод), воспринимающий электроны из набегающего сверхзвукового потока. СВЭ 8 и ТПА 9 располагается через изоляцию 10 от эмиссионного слоя 7 и ТПК 5 для исключения электрического пробоя между катодом и анодом. В области входного отверстия сопла располагается токовывод анода 11, предназначенный для отвода электронов от ТПА 9 к бортовому потребителю электрической энергии 12. При этом расположение токовывода анода 11 обуславливает протекание электрического тока вдоль стенок сопла 3 в направлении от выходного отверстия к входному, что приводит к созданию магнитного поля направленного перпендикулярно скорости потока. В результате, к электронам эмиссии, находящимся в сверхзвуковом потоке, прикладывается сила Лоренца, направляющая эти электроны в сторону СВЭ 8, наподобие того, как это происходит в МГД - генераторе. В электрической цепи между катодом и анодом располагается потребитель электрической энергии 12, в котором электроны эмиссии, при движении от анода к катоду, совершают полезную работу. Таким образом, происходит охлаждение «горячих» электронов эмиссии и на борту ГЛА генерируется электрическая энергия. Для поддержания направленного движения электронов от анода к катоду посредством обеспечения заданного перепада температур между катодом и анодом анод через слой изоляции 13 находится в тепловом контакте с
охлаждающим элементом 14 с каналами для циркуляции хладагента, например, топлива.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При полете ГЛА с ГПВРД в воздухозаборнике 1 происходит торможение, сжатие и увеличение температуры набегающего воздушного потока. В камере сгорания 2 происходит смешение, воспламенение и горение топливо-воздушной смеси. В результате эмиссионный слой 7 и ТПК 5 (катод) нагреваются до температур от 1600-2100 K, при которых происходит интенсивный процесс эмиссии электронов. Выходя из эмиссионного слоя электроны забирают с собой тепловую энергию. Известно, что тепловые потоки электронного охлаждения при термоэлектронной эмиссии могут превышать 1.5 МВт/м и могут быть существенно выше тепловых потоков излучения. Таким образом, электронами дополнительно отводится тепло от стенок воздухозаборника, что приводит к снижению температуры стенок воздухозаборника и камеры сгорания. Это также позволяет иметь в воздухозаборнике воздух с более высокой температурой. При попадании более горячего воздуха в камеру сгорания химические реакции горения протекают с большими скоростями и с большей полнотой сгорания, обеспечивая тем самым более высокие технические характеристики ГПВРД при сохранении температуре стенки, при которой сохраняются на высоком уровне прочностные свойства материалов конструкции, например, ниобия.
Эмитированные с эмиссионного слоя электроны уносятся проходящим сверхзвуковым потоком воздуха. В камере сгорания происходит впрыск топлива через форсунки 4 с дальнейшим его воспламенением и горением.
При этом стенки камеры сгорания 2 также нагреваются до температур, при которых эмиссионный слой 5 эмитирует электроны, которые уносятся сверхзвуковым потоком реагирующей газовой смеси. Далее электроны из потока воспринимаются СВЭ 8, откуда они попадают на ТПА 9. В ТПА 9 электроны движутся к токовыводу 11, электрически контактирующему с ТПА 9, располагающемуся в области входного отверстия сопла ГПВРД. Это обусловливает движение возникающего электрического тока вдоль ТПА 9 в направлении от выходного отверстия сопла 3 к входному отверстию сопла 3 (выходному отверстию камеры сгорания 2). При этом вблизи стенок сопла 3, где движутся электроны эмиссии, возникает магнитное поле направленное перпендикулярно вектору скорости электронов эмиссии, как это указано на фиг. 1. Это приводит к возникновению силы Лоренца, направленной к СВЭ 8, что аналогично принципам работы МГД - генератора. Тем самым происходит изменение направления движения электронов эмиссии в сторону СВЭ 8, что способствует восприятию анодом всех электронов эмиссии из сверхзвукового потока продуктов реакции горения топливо-воздушной смеси. От ТПА 8 электроны направляются на потребитель электрической энергии 12, где совершают полезную работу в электрической нагрузке. При этом происходит их охлаждение. Таким образом, генерируемая электрическая энергия является частью энергии топлива, затраченной на преодоление силы лобового сопротивления и отнятой от энергии, выделенной при горении топливо-воздушной смеси в камере сгорания ГПВРД. Одновременно в охлаждающем элементе 14, находящемся в тепловом контакте с ТПА 8, через слой электроизоляции 13 циркулирует хладагент, например, топливо. В результате происходит отвод избыточного тепла от анода и поддерживается разность температур, необходимая для возвратного направленного движения электронов от анода к катоду.
Технический эффект, получаемый в результате применения заявляемой полезной модели, заключается в том, что снижается температура стенок воздухозаборника и камеры сгорания при более высоких температурах сверхзвукового потока воздуха в воздухозаборнике и топливо-воздушной смеси в камере сгорания ГПВРД. Это приводит к повышению надежности ГПВРД, потому что снижается вероятность прогара и теплового разрушения стенок. Одновременно увеличиваются такие технические характеристики ГЛА с ГПВРД как скорость полета, поскольку появляется возможность увеличить температуру воздуха в воздухозаборнике и топливо-воздушной смеси в камере сгорания. Увеличение температуры топливо-воздушной смеси в камере сгорания приводит к увеличению скорости протекания реакций горения топливо-воздушной смеси. Все это происходит при сохранении приемлемой температуры стенок воздухозаборника и камеры сгорания (порядка 2100 K), при которой обеспечивается высокая плотность тока эмиссии и плотность тепловых потоков электронного охлаждения при сохранении прочностных свойств используемых жаропрочных конструкционных материалов, например, ниобия. Одновременно на борту генерируется электрическая энергия, которую можно направить на обеспечение электрической энергией бортовых систем.
Таким образом, благодаря новой совокупности отличительных признаков решаются поставленные задачи, и достигается указанный выше технический результат.
Предлагаемый ГПВРД отражает более высокий уровень науки и техники, обладает повышенной надежностью и улучшенными техническими характеристиками и обеспечивает получение на борту ГЛА дополнительной электроэнергии.