ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С УСТРОЙСТВОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям с резонансными камерами сгорания, а также к комбинированным прямоточно-пульсирующим воздушно-реактивным двигателям. Имеется опыт разработки реактивных двигателей, в которых ускоряющая камера выполнена в виде расширяющегося сопла. Такое выполнение камеры способствует сверхзвуковому разгону продуктов сгорания. Из химических реактивных двигателей близкими к заявленному являются пульсирующие воздушно-реактивные двигатели. Однако они имеют большой удельный расход топлива и небольшой удельный импульс. Данные двигатели работают с фиксированной частотой, так как сгорание топлива происходит в камере акустического типа. Например, двигатель по патенту США №3727409, 1973.
Частично эти недостатки устранены в патенте РФ №2066778, МПК Р 02 К 7/04, 1993 г. В нем детонационный процесс интенсифицирован за счет увеличения частоты детонационных импульсов. Это достигается тем, что система возбуждения детонации представляет собой форкамеру с газодинамическим клапаном. Но данное устройство имеет ограниченное применение, так как процесс смесеобразования происходит в камере после подачи компонентов топлива, а работа системы инициирования связана с работой системы подачи и смесеобразования и носит импульсный характер от внешнего источника питания.
Наиболее близким по принципу работы и техническому устройству является «Пульсирующий детонационный двигатель с замкнутым циклом работы» (свидетельство РФ на полезную модель №20549, МПК F 02 K 7/04, F 42 D 1/04, 2001). В нем увеличение и регулирование частоты детонационных импульсов осуществлено за счет организации замкнутого цикла работы двигателя, под которым подразумевается такая работа двигателя, когда он после подачи начального импульса продолжает работать автоматически и автономно, то есть без использования внешнего источника энергии. Это достигается тем, что система инициирования представляет собой магнитогазодинамический генератор (МГД-генератор), расположенный в районе сопла и соединенный через усилительно-преобразующее устройство с инициатором.
Недостатком данного устройства является недостаточная надежность работы детонационного двигателя, связанная с возможностью проникновения детонационной волны в систему топливоподачи, сложность конструкции, связанная с установкой МГД-генератора, а также отсутствие обратной связи в работе детонационного двигателя.
Задача полезной модели состоит в повышении надежности работы детонационного двигателя и улучшении характеристик детонационного двигателя за счет организации непрерывного импульсного цикла его работы, организации охлаждения стенок детонационной камеры в районе переднего днища, что исключает возможность воспламенения топливно-воздушной смеси в момент ее впрыска в детонационную камеру, а также за счет исключения проникновения детонационной волны в систему топливоподачи.
Технический результат, который может быть получен при использовании полезной модели заключается в организации дополнительной ионизации топливно-воздушной смеси для эффективного воздействия на внутрикамерные процессы, а также в организации обратной связи.
Поставленная задача достигается тем, что детонационный двигатель с устройством электромагнитного управления состоит из детонационной камеры и систем топливоподачи, управления и инициирования. При этом система инициирования выполнена в виде кольцевого устройства ионизации, расположенного в районе переднего днища детонационной камеры и последовательно расположенных за ним катушки индуктивности и инициатора, а в донной части детонационной камеры расположен датчик давления, соединенный с системой управления, выходы которой соединены с входами кольцевого устройства ионизации, катушки индуктивности и инициатора.
На фиг.1 представлена конструктивно-компоновочная схема детонационного двигателя с устройством электромагнитного управления, на фиг.2 - положение детонационной волны в момент подачи сигнала на инициатор, на фиг.3 - положение детонационной волны в момент подхода ее к индуктивной катушке. К основным элементам детонационного двигателя относятся:
1 - детонационная камера,
2 - система топливоподачи,
3 - система управления,
4 - кольцевое устройство ионизации,
5 - индуктивная катушка,
6 - инициатор,
7 - входное отверстие,
8 - датчик давления.
Детонационная камера 1 предназначена для преобразования химической энергии рабочего тела в кинетическую энергию продуктов детонации. Она представляет собой трубчатую конструкцию, с одного конца которой находится система топливоподачи, а с другого - выход продуктов детонации.
Система топливоподачи 2 предназначена для качественного смешения компонентов топлива с целью образования топливно-воздушной смеси и регулируемой подачи ее в детонационную камеру.
Система управления 3 предназначена для организации процессов запуска, работы двигателя на заданном режиме и его выключения, а также для подачи сигналов на срабатывание кольцевого устройства ионизации, катушки индуктивности и инициатора.
Кольцевое устройство ионизации 4, катушка индуктивности 5 и инициатор 6 образуют систему инициирования, которая предназначена для возбуждения детонационного процесса в детонационной камере 1 и поддержания его в процессе работы двигателя. Элементы системы расположены в следующей последовательности на детонационной камере 1 по направлению движения газового потока: кольцевое устройство ионизации 4, катушка индуктивности 5 и инициатор 6.
Возможны следующие режимы работы детонационного двигателя с устройством электромагнитного управления: режим запуска, рабочий режим и режим выключения. Рассмотрим последовательно каждый из них.
Режим запуска осуществляется путем одновременной подачи сигнала от системы управления 3 на систему топливоподачи 2, а также на элементы системы инициирования: кольцевое устройство ионизации 4 и катушку индуктивности 5 (фиг.2).
При этом топливно-воздушная смесь с заданными значениями параметров через входное отверстие 7 поступает в детонационную камеру 1. Для придания ей свойств электропроводности используется кольцевое устройство ионизации 4. С этой целью в детонационную камеру 1 вводятся легкоионизирующиеся вещества: кальций, натрий или цезий. В дальнейшем ионизированная топливно-воздушная смесь попадает во внутренний объем индуктивной катушки 5. В результате взаимодействия магнитного поля, создаваемого индуктивной катушкой 5, с ионами топливно-воздушной смеси, происходит ее сужение.
Степень заполнения детонационной камеры 1 вычисляется из общей ее длины, относительной скорости подачи топливно-воздушной смеси и скорости распространения детонационной волны.
После требуемого заполнения детонационной камеры 1 топливно-воздушной смесью система управления 3 подает сигнал на инициатор 6, который вырабатывает детонационный импульс, под действием которого инициируется топливно-воздушная смесь, находящаяся в детонационной камере 1. При инициировании образуются две детонационные волны (ДВ1 и ДВ2), которые движутся по топливно-воздушной смеси в разные стороны (фиг.2).
Рабочий режим. Для него характерен непрерывный импульсный детонационный процесс, при котором топливно-воздушная смесь постоянно подается в детонационную камеру 1, а система управления 3 подает сигналы на срабатывание инициатора 6.
Детонационная волна ДВ1 движется в сторону переднего днища, а детонационная волна ДВ2 - в сторону открытого конца детонационной камеры 1 со скоростью, равной скорости детонации Чепмена-Жуге (фиг.3).
Перед фронтом движения детонационной волны ДВ1 находится ионизированная топливно-воздушная смесь. Далее детонационная волна ДВ1 направляется вдоль оси детонационной камеры 1 и попадает в область воздействия индуктивной катушки 5. Попадая в область магнитного поля индуктивной катушки 5, происходит перераспределение концентрации ионов, что приводит к деформации формы детонационной волны ДВ1.
В свою очередь это предотвращает дальнейшее перемещение детонационной волны ДВ1 и проникновение ее в систему топливоподачи топливно-воздушной смеси, что исключает ее детонирование.
Так как индуктивная катушка 5 способствовала перераспределению соотношения компонентов топлива в поперечном сечении детонационной камеры 1, то в результате этого ближе к оси детонационной камеры 1 сосредотачивается топливно-воздушная смесь с обогащением горючего, а по периферии - с избытком окислителя (воздуха). Это приводит к перераспределению температуры по поперечному сечению детонационной камеры 1. Самая высокая температура в детонационной камере 1 будет на ее оси, а самая низкая - у внутренней поверхности детонационной камеры 1, что способствует ее охлаждению в процессе работы детонационного двигателя. В свою очередь это исключает возможность возгорания топливно-воздушной смеси при впрыске ее в детонационную камеру 1.
Кроме того, это перераспределение соотношения компонентов топлива в поперечном сечении детонационной камеры 1 также ослабляет интенсивность детонационной волны ДВ1 путем ее дальнейшего разрушения, что предотвращает проникновение ее в систему топливоподачи топливно-воздушной смеси, а следовательно, исключает ее детонирование.
Датчик давления 8 сигнализирует о выходе детонационного двигателя на заданный режим и о работе его на этом режиме.
Когда детонационная волна ДВ2 выходит из детонационной камеры 1, в ней остаются продукты детонации с высокой температурой и давлением. При выходе детонационной волны ДВ2 из детонационной камеры 1 на открытом конце образуется перепад давлений. Эта разность давлений создает серию волн разрежения, которые, распространяясь
в камере со скоростью звука, удаляют продукты детонации. Волна разрежения связана с уменьшением внутрикамерного давления и готовит детонационную камеру 1 к поступлению новой порции топливно-воздушной смеси. После завершения данного цикла напряжение с инициатора 6 снимается до следующего цикла.
Дальнейший детонационный цикл осуществляется автоматически за счет реализации внутрикамерной газодинамической связи. В результате чего создается замкнутый цикл работы двигателя. При этом достигается максимальная частота процессов в детонационной камере, а, следовательно, и максимальная тяга.
Выключение двигателя осуществляется путем подачи сигнала от системы управления 3 на систему топливоподачи 2 для прекращения подачи топливно-воздушной смеси в детонационную камеру 1.
Таким образом, сочетание детонационного двигателя с устройством электромагнитного управления позволит значительно улучшить характеристики двигателя, в том числе увеличить КПД двигателя за счет более полного использования энергии рабочего тела, а также организовать непрерывный детонационный процесс. Кроме того, реализация данного цикла работы детонационного двигателя способствует упрощению его конструкции, уменьшению габаритов и массы, исключает возможность возгорания топливно-воздушной смеси при впрыске ее в детонационную камеру за счет охлаждения стенок детонационного двигателя в процессе его работы, а также предотвращению проникновения детонационной волны в систему топливоподачи за счет введения кольцевого устройства ионизации и катушки индуктивности в систему инициирования.