ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
INTERMITTENT DETONATION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для создания тяги на летательных аппаратах.
Детонационный двигатель 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, изд. ТОРУС ПРЕСС, М.,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 №1 (25) 2003, стр.14-17, ж. Полет №11, 2006, стр.7-15, №5, 2007, стр.22-30, №12, 2008, 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, 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 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, обеспечивающих отбор энергии и разделения топливно-воздушной смеси. Он содержит расположенные друг за другом обмотку возбуждения магнитного поля и обмотку возбуждения электрического поля, намотанные с наружи 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 топливо-воздушного впуска. Однако при этом детонационный двигатель существенно усложняется, увеличиваются его массо-габаритные 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 друг относительно друга, и предназначены для снятия с их поверхности электрической энергии при ударном воздействии 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 легко ионизированных 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, способствующие детонации горючей смеси. Возникающая детонационная волна движется по топливно-воздушной смеси со сверхзвуковой скоростью, 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 недостаточно препятствует 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.
Известен пульсирующий детонационный двигатель (патент №2435059), содержащий корпус, резонатор, реактор с кольцевым соплом, средства для подачи в него горючего и окислителя, выходное сопло Лаваля. При этом реактор выполнен полым цилиндром, входом которого являются тангенсально направленные патрубки горючего и продольный патрубок окислителя, а выходом кольцевое сопло, направленное во внутреннюю полость резонатора и образованное соединением выходной стенки резонатора и входной стенки реактивного сопла. Резонатор выполнен в виде цилиндра, задний конец которого с выпуклым дном, а передний имеет свободный выход. Дно резонатора состоит из двух частей, разделенных буфером, внутренняя часть выполнена из высокопрочного материала с высоким ударно волновым импедансом, а на наружной части дна размещены пьезоэлектрические элементы, соединенные электрически параллельно, и являющихся совместно с резонансным контуром пьезогенератором. Геометрические характеристики дна резонатора и направление выхода кольцевого сопла реактора обеспечивают совмещение в одной точке фокусировку отраженной ударной волны от вогнутого дна и пересечение выходящих струй смеси. Кроме того, на критическом сечении кольцевого сопла размещен постоянный магнит, а на внутренней части сопла установлены электроды, соединенные с выходом пьезогенератора.
Основными недостатками такого пульсирующего детонационного двигателя являются:
- не обеспечивается синхронизация между моментами подачи топливо-воздушной смеси в резонатор и подачей импульсов тока на электроды для активации молекул смеси;
- отсутствие автоматической системы управления и контроля работой двигателя;
- находящийся на критическом сечении постоянный магнит не обеспечивает периодическое отключение создания магнитного поля в период активации ТВС.
По наибольшему количеству сходных признаков данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности горения и удельных тяговых характеристик пульсирующего детонационного двигателя и осуществление автоматического управления и контроля его работой.
Поставленная задача решается за счет того, что в пульсирующем детонационном двигателе, содержащем корпус, средства для хранения и подачи в реактор горючего и окислителя, реактор с кольцевым соплом и газодинамический резонатор в виде трубы из немагнитного материала меньшего диаметра, один конец которой с выпуклым дном, а второй со свободным выходом, при этом резонатор размещен в трубе реактора так, что выход кольцевого сопла направлен во внутреннюю полость резонатора, и совмещены точка пересечения струй смеси топлива и окислителя, вытекающей из кольцевого сопла, и точка фокусировки отраженной от дна ударной волны, причем па критическом сечении кольцевого сопла размещены средства импульсной активации, выходящей смеси топлива и окислителя, а дно резонатора состоит из двух частей, разделенных буфером, внутренняя часть выполнена из материала, выдерживающего высокие импульсные нагрузки, а наружная - из блока пьезоэлектрических элементов, соединенных электрически параллельно, являющихся пьезогенератором, в состав двигателя включена система управления и контроля процессом работы двигателя, состоящая из чувствительных элементов, которыми являются постоянный магнит и обмотка из провода, намотанная вокруг наружного корпуса резонатора, а также пьезоэлектрический генератор, выходы которых соединены с входом блока приема и преобразования сигнала, усилительно преобразовательного устройства, состоящего из источника питания, блока контроля и блока приема и преобразования сигнала, при этом вход блока приема и преобразования соединен с обмоткой из провода, намотанной вокруг наружного корпуса резонатора, выходом пьезогенератора и блоком запуска и останова, а его выход с исполнительным элементом и блоком контроля, исполнительного элемента, которым является электронный переключатель, через который источник питания подключен или к средствам импульсной активации или к обмотке из провода, находящейся на критическом сечении кольцевого сопла, при этом управляющий вход электронного переключателя соединен с выходом блока приема и преобразования.
В пульсирующем детонационном двигателе выход блока включения и выключения двигателя может быть соединен с входом блока приема и преобразования, блоком контроля и с управляющими входами электронневмоклапанов подачи окислителя и горючего, при этом выход пьезогенератора соединен с блоком приема и преобразования и с входом источника питания.
В полости реактора может быть размещен смеситель, состоящий из завихрителя горючего и тангенциально направленного патрубка окислителя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлен пульсирующий детонационный двигатель в момент возникновения детонации, на Фиг.2 - прохождение групп детонационных волн в районе критического сечения кольцевого сопла, на Фиг.3 возникновение волны разряжения.
Предлагаемый пульсирующий детонационный двигатель состоит из следующих элементов и узлов: корпуса (1), реактора (2), электродов активации (3), кольцевого сопла (4), турболизатора горючего (5), точки фокусирования ударной волны (6), укороченного сопла Лаваля (7), вогнутого дна резонатора (8), демпфера (9), сегнетоэлектрических элементов (10), электропневмоклапана окислителя (11), электропневмоклапана горючего (12), обмотки электромагнита (13), электронного переключателя (14), устройство приема и преобразования сигнала (15), источников питания (16), средств хранения и подачи горючего в реактор (17), средств хранения и подачи окислителя в реактор (18), устройства пуска и остановки двигателя (19), обмотки электромагнита (20), устройства контроля процесса функционирования двигателя (21); постоянного магнита (22).
Указанные устройства и связи между ними показаны на Фиг.1
Автоматическая система управления и контроля, входящая в состав двигателя, состоит из:
- чувствительного элемента, состоящего из пьезогенератора (10), обмотки (20), намотанной вокруг наружного корпуса резонатора, и постоянного магнита (22);
- усилительно преобразовательного устройства, состоящего из источника питания (16), блока контроля (21),блока приема и преобразования (15);
- исполнительного элемента - электронного переключателя (14).
При этом вход блока приема и преобразования сигнала (15) соединен с блоком запуска и останова (19), а также с обмоткой (20), находящейся на наружном корпусе резонатора, и выходом пьезоэлектрических элементов, а его выход с исполнительным элементом (14) и блоком контроля (21). Источник питания (16) через электронный переключатель (14) подключен или к средствам импульсной активации (3) или к обмотке (13), находящейся на критическом сечении кольцевого сопла. Кроме того, блок запуска и останова (19) соединен с управляющими входами электропневмоклапанов (11) и (12), находящихся соответственно в системах подачи окислителя (18) и горючего (17).
С целью повышения эффективности горения и удельных тяговых характеристик пульсирующего детонационного двигателя предлагается обеспечить предварительную подготовку смеси в реакторе путем:
- создания вихревого смешивания окислителя и горючего;
- активации молекул смеси при воздействии на них электромагнитным излучением или потоком различных элементарных частиц.
Предлагаемый пульсирующий детонационный двигатель включает два основных узла: реактор и резонатор.
В реакторе для повышения эффективности горения и сокращения предетонационного расстояния предварительно подготавливают смесь путем смешения и активации молекул окислителя и горючего. Горение как элементарная химическая реакция может произойти только в объеме, где имеет место столкновения 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.
В предлагаемой заявке интенсивное вихревое смешение осуществляется путем введения в реактор горючего (керосина) через лопаточный завихритель 5, а окислителя (воздуха) через боковой продольно-тангенсальный патрубок, при которых их струи направлены в одну сторону и взаимно пересекаются, образуя вихревую закрутку потока.
Для активации смеси в реакторе используется электромагнитное воздействие на молекулы окислителя и горючего с помощью подачи на электроды высокочастотных импульсов высокого напряжения в течение времени заполнения смесью реактора.
Время нахождение молекул смеси в активированном состоянии мало, поэтому активацию топливо-воздушной смеси (ТВС) необходимо осуществлять перед входом в резонатор в объеме критического сечения кольцевого сопла и быстро в виде высокоскоростных струй доставлять в точку резонатора 6. Активация происходит при подаче от источника питания 16 импульсов напряжения на электроды через электронный переключатель 14. Требуемая мощность таких импульсов небольшая, так как активации подвергается небольшой объем смеси, находящийся в пространстве критического сечения сопла, и используются высокочастотные наносекундной длительности импульсы.
Резонатор выполнен из немагнитного материала в виде трубы, передний конец которой имеет выпуклое дно, а задний - свободный выход.
Выпуклое дно резонатора состоит из двух частей, разделенных буфером, обеспечивающим уменьшение силы ударного воздействия на пьезоэлектрические элементы. Внутренняя часть выполнена из высокопрочного материала с высоким ударно волновым импедансом (произведение плотности вещества на скорость звука в нем), а на наружной части дна находится пьезоэлектрический преобразователь механической энергии воздействия на дно детонационной волны в электрическую энергию выходных импульсов.
Механические ударные воздействия на дно детонационных и ударных волн за счет ударной деполяризации сегнетоэлектрика преобразуются в электрический сигнал. Электрические импульсы подаются с выхода пьезогенератора на вход источника питания для осуществления накопления электрической энергии и на вход блока преобразования сигнала.
Взаимное расположение и конструктивные характеристики реактора и резонатора такие, что:
- точка пересечения струй 6 активированной смеси, вытекающей из кольцевого сопла, совмещена с точкой фокусирования отраженной ударной волны от выпуклого дна. Такое совмещение улучшает условия возникновения детонационной волны;
- выход резонатора направлен на вход укороченного сопла Лаваля.
Обмотка возбуждения 20 намотана снаружи трубы резонатора в соосном положении. Пара магнитов 22 размещена вблизи обмотки возбуждения 20 с противоположных сторон трубы резонатора так, чтобы магнитное поле с индуктивностью В создавалось внутри резонатора в направлении, перпендикулярном его продольной оси.
Пульсирующий детонационный двигатель работает следующим образом. Подаваемый для запуска двигателя сигнал, с устройства 19, обеспечивает открытие электропневмоклапанов 11 и 12 в цепях подачи окислителя 18 и горючего 17. В результате топливо в реактор поступает через открытый клапан 12 и завихритель 5, а воздух через клапан 11. Взаимное пересечение потоков окислителя и горючего обеспечивают их вихревое смешение.
Одновременно сигнал с блока 19 поступает на блок преобразования 15, который переводит электронный переключатель 14, в положение, обеспечивающее подачу высокочастотных импульсов с источника питания 16 на электроды 3. В результате осуществляется активация ТВС в полости критического сечения кольцевого сопла.
В дальнейшем заполнение резонатора на каждом цикле происходит автоматически через постоянно открытые электропневмоклапана 11 и 12 после окончания истечения продуктов детонации и прохождения волны разряжения. Заполнение ТВС происходит за счет разности давлений между выходом кольцевого сопла и внутренней полостью резонатора. При этом синхронизацию начала заполнения резонатора ТВС и момента подачи высокочастотных импульсов на электроды 3, обеспечивает система управления двигателя.
Ионизированный поток ТВС, выходящий из кольцевого сопла 4, со сверхзвуковой скоростью, проходя через магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 22, наводит в обмотке 20, ЭДС отрицательной полярности, которая используется системой управления для фиксации процесса заполнения.
В резонаторе при взаимодействии сверхзвуковых струй активированной смеси, выходящих из кольцевого сопла 4, инициируется ударная волна, которая после отражения от вогнутого дна резонатора 8 фокусируется в очке 6. В месте фокусировки создается высокая температура и давление, обеспечивающие возникновение детонационного горения и распространение детонационных волн в обоих продольных направлениях.
В точке фокусировки возникают две группы детонационных волн (Фиг.1), содержащих волну давления и прямой фронт горения. Одна прямая группа движется в сторону дна резонатора, другая задняя на выход из резонатора. В результате горения и детонации возникающий газ становится ионизированным и, следовательно, электрически проводящим. Когда электропроводящий поток газа, идущий за задний группой волн давления и фронта горения (Фиг.2) проходит через перпендикулярно направленное магнитное поле, созданное магнитами 22, в обмотке 20 генерируется электрический ток вследствие электромагнитной индукции. Возникающий в этот момент импульс тока используется в качестве сигнала, характеризующего момент времени возникновения детонации. Этот сигнал используется системой управления для обеспечения срабатывания электронного переключателя 14, который отключает подачу импульсов на электроды 3 и осуществляет подачу напряжения от источника 16 на обмотку 13. Протекающий в обмотке 13 ток создает магнитное поле в пространстве критического сечения кольцевого сопла. На ионизированные частицы ТВС будет воздействовать созданное магнитное поле, которое приведет к разделению смеси на зоны, обогащенные топливом, окруженные обедненной воздушной зоной. Разделение топлива и воздуха ограничивает процесс горения впереди зоны детонации и тем самым рассеивает прямой фронт горения по мере его движения к входу критического сечения кольцевого сопла. Тем самым выполняется функция «электрического» клапана, не допускающая прохождения фронта горения в реактор.
После отражения от дна прямой группы детонационных волн происходит многократное повышения давления и температуры, в результате чего во фронте отраженной волны активируются процессы химических превращений горючего и окислителя, а фокусировка в точке 6 отраженной прямой детонационной волны приводит к дальнейшему повышению давления и температуры. Воздействие детонационной волны по дну резонатора создает тягу двигателя, а движение ее фронта в противоположном направлении увлекает за собой продукты сгорания. После их выхода со сверхзвуковой скоростью в атмосферу (Фиг.3), возникает волна разрежения, которая обеспечивает всасывание новой порции активированной смеси, и части наружного воздуха и цикл работы двигателя повторяется.
С выхода блока преобразования 15 на блок контроля 21 в каждом цикле работы двигателя подается усиленный и преобразованный сигнал от чувствительных элементов системы управления и импульс тока от пьезогенератора, которые характеризуют протекающие процессы работы двигателя.
Работу предлагаемого детонационного двигателя на временном интервале каждого цикла характеризуют следующие моменты времени:
1
t - начало заполнения полости резонатора ТВС;
2
t - возникновение детонации;
3
t - отражение детонационной волны от дна резонатора;
4
t - прохождения задней и отраженной передней детонационных волн мимо выхода кольцевого сопла.
Протекающие процессы в эти моменты времени характеризуют такие параметры как амплитуда и скорость нарастания фронта возникающих импульсов тока в обмотке 20 и на выходе пьезогенератора 10.
Динамический процесс функционирования пульсирующего детонационного двигателя протекает под действием случайных возмущений и помех, и поэтому в каждом цикле значения указанных характеристик носят случайный характер.
Таким образом, каждый из четырех моментов времени содержит три параметра (момент времени, амплитуда и скорость нарастания фронта импульса тока), а в четырех моментах времени - 12 дискретных случайных параметров.
На каждом цикле на вход блока 21 из блока 15 поступают 12 значений указанных параметров, которые в нем сохраняются для дальнейшей статистической обработки. При большом количестве циклов исправно работающего двигателя можно вычислить такие их дискретные случайные характеристики как математическое ожидание, дисперсия и среднеквадратичное отклонение.
Дисперсия случайной величины характеризует в каждый момент времени разброс (меру отклонения) возможных реализаций случайных величин относительно математического ожидания. С дисперсией аналитически связано среднеквадратичное отклонение случайной величины.
Полученные после статистической обработки 12 значений дисперсий дискретных случайных величин названы эталонными параметрами, характеризующими исправное состояние двигателя.
Оценка состояния пульсирующего детонационного двигателя определяется в процессе его работы путем сравнения реальных значений 12 параметров с их дисперсиями. Если значения всех параметров не выходят за пределы их дисперсий, то считается, что пульсирующий детонационный двигатель функционирует нормально. При выходе хотя бы одного из параметров за пределы его дисперсии считается возникновение неисправности и формируется управляющий сигнал на закрытие электропневмоклапанов 11 и 12, обеспечивающих остановку двигателя для исключения аварийной ситуации.
В состав пульсирующего детонационного двигателя включена автоматическая система управления и контроля, которая обеспечивает для каждого цикла:
- оценку момента начала заполнения реактора активированной смесью горючего и окислителя;
- синхронизацию между моментами подачи топливовоздушной смеси в резонатор и подачей импульсов высокого напряжения на электроды для активации молекул смеси, в результате чего повышается эффективность горения и удельные тяговые характеристики двигателя;
- в момент возникновения детонации автоматическое отключение подачи импульсов тока на электроды 3 и подачу напряжения на обмотку электромагнита 13, создающего магнитное поле в полости критического сечения кольцевого сопла, обеспечивающее закрытие «электрического» клапана;
- прием, преобразование и хранение параметров, характеризующих процессы, протекающие в каждом цикле работы двигателя;
- отслеживание исправного состояния двигателя, определение момента возникновения неисправности и создание управляющего воздействия на отключение двигателя для предотвращения аварийной ситуации;
- возможность настройки некоторых параметров для обеспечения эффективной работы двигателя.
С использованием системы управления можно осуществлять настройку некоторых параметров для обеспечения эффективной работы двигателя. Такими параметрами при неизменных конструктивных характеристиках двигателя могут, например, быть:
- величины давлений окислителя и горючего, подаваемых на вход резонатора;
- частота и амплитуда импульсов, поступающих на электроды активации;
- величины напряжений, подаваемых на обмотку, создающую магнитное поле в пространстве критического сечения сопла.
Изменяя величины указанных параметров можно анализировать значения 12 характеристик, поступающих с выхода блока 15 на блок 21. При этом выбрать такие значения входных параметров, которые обеспечивают оптимальные (наилучшие) значения 12 выходных характеристик процесса функционирования двигателя.
Новыми существенными признаками предлагаемого пульсирующего детонационного двигателя являются: 1 Введение в состав двигателя системы автоматического управления и контроля, состоящей из:
- чувствительного элемента, которым является постоянный магнит и обмотка из провода, намотанная вокруг наружного корпуса резонатора, а также пьезогенератор;
- усилительно преобразовательного устройства, состоящего из источника питания, блока контроля, блока приема и преобразования сигнала;
- исполнительного элемента, которым является электронный переключатель.
При этом вход блока приема и преобразования сигнала соединен с выходом пьезогенератора и блоком запуска и останова, а также с обмоткой, находящейся на наружном корпусе резонатора, а его выход с исполнительным элементом и блоком контроля. Источник питания через электронный переключатель подключен или к средствам импульсной активации или к обмотке, находящейся на критическом сечении кольцевого сопла, а блок запуска и останова соединен с электропневмоклапанами, находящимися в системах подачи окислителя и горючего, блоком контроля и блоком преобразования.
2 Размещение в полости реактора смесителя топлива и окислителя.
3 Соединение выхода пьезогенератора с блока приема и преобразования и с входом источника питания.
4 Установка на критическом сечении кольцевого сопла электромагнита, который с помощью автоматической системы управления обеспечивает периодическое создание магнитного поля только в моменты возникновения детонации
Технический результат, который может быть получен при реализации совокупности признаков, заключается в следующем:
- осуществляется синхронизация между моментами подачи топливовоздушной смеси в резонатор и подачей импульсов высокого напряжения на электроды для активации молекул смеси, в результате чего повышается эффективность горения и удельные тяговые характеристики двигателя;
- автоматически отключается в момент возникновения детонации подача импульсов на электроды для активации ТВ С и подключается источник питания к обмотке, создающей магнитное поле в полости реактора, тем самым создается «электрический» клапан, предотвращающий прохождение прямого фронта горения в реактор;
- автоматически отслеживается исправное состояние двигателя в процессе его работы;
- автоматически определяется момент возникновения неисправности и подача управляющего сигнала на остановку двигателя для исключения аварийной ситуации.
- с использованием системы управления можно осуществлять настройку некоторых параметров двигателя для повышения эффективности его работы.
- повышена эффективность горения и удельные тяговые характеристики пульсирующего детонационного двигателя за счет использования эффективного смешения и активации ТВС, а также системы автоматического управления и контроля.
- полученная электрическая энергия в результате преобразования кинетической энергии ударных волн о дно резонатора, используется для аккумуляции в высоковольтном источнике питания для дальнейшего использования системой управления и контроля.
Реализация заявленного технического решения не вызывает технических трудностей, так как при изготовлении двигателя будут использоваться известные способы и технологии организации детонационных процессов. Схема построения пульсирующего детонационного двигателя с реактором и резонатором, имеющем дно в передней части и кольцевое сопло (А.И.Тарасов и др. «Новый подход к организации рабочего процесса пульсирующих детонационных двигателей», Химическая физика, 2001, том 20, 3 6, с.90-98), реализована и испытана на экспериментальном образце в НТЦ им. А. Люльки ОАО «НПО»Сатурн». Преобразование механической энергии детонационной волны в электрическую энергию экспериментально исследовались в РФЯЦ-ВНИИЭФ (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.
Система управления и контроля двигателя конструктивно проста и ее построение с использованием малогабаритных элементов микроэлектроники не вызывает особых трудностей.