ИМПУЛЬСНЫЙ ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
IMPULSE DETONATION ENGINE

Настоящее изобретение относится к импульсному детонационному двигателю с топливно-воздушной детонирующей смесью.
Такой тип двигателя применяется, среди прочих, но не исключительно, в космической и военной авиационной областях для оснащения самолетов, ракет, реактивных снарядов и т.д.
Рабочий цикл такого двигателя может быть уменьшен до трех следующих тактов:
- первый такт, относящийся к фазе подачи детонирующей смеси в двигатель;
- второй такт, относящийся к детонационной фазе, обеспечивающей сжатие и выпуск химической энергии, образованной смесью; и
- третий такт, относящийся к фазе расширения детонирующих продуктов.
Ход разных фаз рабочего цикла двигателя представляет собой потенциально критический момент, и, в частности, управление фазами подачи и детонации, может очень сильно воздействовать на производительность такого двигателя.
Из патента ЕР 1482162 уже известен импульсный детонационный двигатель, конструкция которого образована жаровой трубой, закрытой на одном конце подвижной поперечной нижней частью (называемой тяговой стенкой), с которой взаимодействуют продукты, образованные детонацией детонирующей смеси, для создания тяги. Такой двигатель требует работы обеих фаз подачи и детонации двигателя, благодаря его подвижности, открывания и закрывания впускного отверстия, позволяя обойтись без сложных клапанных подающих устройств или тому подобного.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы усовершенствовать вышеупомянутый импульсный детонационный двигатель, минимизируя во время детонационной фазы блокирование воздушного потока из воздухозаборника для того, чтобы ограничить сопротивление, образованное воздухозаборником.
Для этой цели, в соответствии с изобретением, импульсный детонационный двигатель, работающий на топливно-воздушной детонирующей смеси и содержащий:
- по меньшей мере одну жаровую трубу с поперечной нижней частью, выполненную подвижной относительно последней с возможностью занимать два предельных положения, при этом первое положение соответствует фазе детонации детонирующей смеси в камере сгорания, а второе положение соответствует фазе подачи в указанную камеру;
- по меньшей мере один впуск для детонирующей смеси, расположенный в боковой стенке указанной жаровой трубы;
отличается тем, что:
- двигатель содержит внешний корпус вокруг жаровой трубы, образующий периферийное кольцевое пространство вдоль боковой стенки жаровой трубы, обеспечивая протекание воздушного потока из воздухозаборника двигателя;
- в периферийном кольцевом пространстве расположены фиксированные направляющие потока для образования каналов для воздушного потока в таком пространстве, и
- предусмотрен по меньшей мере один подвижный блок, расположенный в кольцевом пространстве и соединенный с подвижной нижней частью для перемещения вдоль боковой стенки жаровой трубы, при этом указанный подвижный блок выполнен с возможностью блокировать при занятии подвижной нижней части второго положения один из проточных каналов для направления части воздушного потока в направлении впуска и разблокировать указанный проточный канал при нахождении нижней части в первом положении.
Таким образом, благодаря изобретению, блокирование воздушного потока, проходящего из воздухозаборника, минимизируется во время детонационной фазы, так как воздушный поток может циркулировать в проточных каналах кольцевого пространства, обходя подвижные блоки, когда впускное(ые) отверстие(я) заблокирован(ы), приводя к ограниченному сопротивлению, образованному воздухозаборником.
Более того, двигатель может обходиться без сложных управляющих устройств подвижного(ых) блока(ов), так как имеется поперечная нижняя часть, которая требует перемещения подвижных блоков в результате ее подвижности.
Конструкция двигателя также позволяет предусмотреть цилиндрическое сопло, например, эжекционного типа, соосное с камерой сгорания, и, таким образом, извлечь пользу из преимуществ двухконтурного турбореактивного двигателя.
Предпочтительно, фиксированные направляющие потока могут быть расположены параллельно друг другу концентрично вокруг боковой стенки жаровой трубы. Посредством этого проточные каналы кольцевого пространства выполнены параллельными друг другу, способствуя протеканию воздушного потока при детонационной фазе вдоль боковой стенки жаровой трубы.
Например, перемещение подвижного блока может представлять собой боковое скольжение вдоль боковой стенки жаровой трубы.
Более того, подвижный блок, предпочтительно, может соединять внешнюю поверхность концов напротив двух соседних фиксированных направляющих потока для блокирования проточного канала, частично образованного указанными двумя фиксированными направляющими потока при занятии подвижной нижней части второго положения.
Дополнительно, подвижная нижняя часть, скользящая между первым и вторым положением, предпочтительно, может иметь форму поршня с его поперечной стенкой, направленной к указанной камере, и с боковой юбкой, взаимодействующей со стенкой жаровой трубы, и корона, содержащая по меньшей мере одно подающее отверстие для детонирующей смеси, в таком случае, может быть одним целым с поперечной стенкой поршня и взаимодействовать с боковой стенкой жаровой трубы для блокирования по меньшей мере частично впуска во втором положении подвижной нижней части.
Предпочтительно по меньшей мере один первый впуск, имеющий проточное отверстие с постоянным сечением, блокируется в первом положении подвижной нижней части и разблокируется во втором положении нижней части и по меньшей мере один второй впуск, выполненный с возможностью размещать подвижный выступ, имеет проточное отверстие с переменным сечением, при этом указанное отверстие имеет уменьшенное сечение в первом положении подвижной нижней части и увеличенное сечение во втором положении нижней части.
Импульсный детонационный двигатель предпочтительно может содержать по меньшей мере одну преддетонационную трубу, расположенную сбоку относительно камеры сгорания, по меньшей мере приблизительно вдоль последней, делая более простой подачу воздуха и топлива в преддетонационную(ые) трубу(ы).
Более того, подвижный выступ может входить в зацепление со вторым отверстием и соединять внутреннюю поверхность концов одного из фиксированных направляющих потока при занятии подвижной нижней части первого положения для образования поперечного прохода, создающего соединение по текучей среде преддетонационной трубы и камеры сгорания, в частности, для обеспечения возможности передачи взрывных волн, и один из концов поперечного прохода, в таком случае, соответствует проточному отверстию второго впуска, имеющего уменьшенное сечение, при занятии подвижной нижней части первого положения, а другой конец соответствует расположенному выше по потоку отверстия, направленному к воздухозаборнику, преддетонационной трубы.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения импульсный детонационный двигатель содержит множество, по меньшей мере две, преддетонационных труб в диаметрально противоположных боковых положениях относительно камеры сгорания. Таким образом, двигатель гораздо более надежный, чем двигатель с одной преддетонационной трубой, более конкретно, значительно улучшая распространение детонации в камере.
В соответствии с другим предпочтительным признаком по меньшей мере одно из фиксированных направляющих потока может иметь форму вилки с зубцами, направленными к воздухозаборнику для того, чтобы при фазе подачи направлять воздушный поток в один или более разблокированных впусков.
Более того, в жаровой трубе предусмотрены упругие средства возврата для перемещения подвижной нижней части из первого положения обратно во второе положение. Такие упругие средства возврата содержат, например, по меньшей мере одну пружину, оказывающую воздействие на поперечную стенку указанной нижней части.
Осуществление изобретения будет лучше объяснено посредством прилагаемых чертежей. На этих чертежах аналогичные ссылочные позиции относятся к аналогичным элементам.
Фиг.1 представляет собой увеличенный схематичный вид в продольном сечении иллюстративного варианта осуществления импульсного детонационного двигателя в соответствии с настоящим изобретением, показывающий подвижную нижнюю часть в первом положении. Для целей ясности, подвижные блоки, подвижный выступ, направляющие отверстия и впуск, скрытые за головкой поршня, показаны на увеличенном подробном виде штрихпунктирными линиями. Фиксированные направляющие потока и преддетонационная труба, скрытые боковой стенкой жаровой трубы, поскольку это имеет отношение к раскрытию изобретения, показаны линиями воображаемого контура.
Фиг.2 представляет собой вид, аналогичный фиг.1, показывающий подвижную нижнюю часть во втором положении.
На фиг.3 и 4 схематично показан подробный вид внешней боковой поверхности жаровой трубы, соответственно, в первом и втором положениях подвижной нижней части.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления этого изобретения импульсный детонационный двигатель, схематично и частично показанный на фиг.1 и 2, содержит цилиндрическую жаровую трубу 2 с продольной осью А и внешний корпус 3, закрывающий жаровую трубу 2 и образующий периферийное кольцевое пространство 4 вдоль боковой стенки 5 указанной трубы 2.
Более того, двигатель I содержит, в таком предпочтительном варианте осуществления, две преддетонационные трубы 6, количество которых, однако, может быть другим, расположенные сбоку относительно камеры 7 сгорания жаровой трубы 2, в диаметрально противоположных положениях относительно последней. В таком варианте осуществления передний конец 8, направленный к воздухозаборнику, преддетонационных труб 6 (слева на фиг.1 и 2), открывается в периферийное кольцевое пространство 4 через отверстие 9, тогда как расположенный дальше по ходу конец указанных труб 6 (не показан на фигурах) открывается наружу. Каждая преддетонационная труба 6 может содержать центральное запальное устройство (не показано на фигурах), обеспечивающее возможность поддержания давления в течение достаточно большого промежутка времени на уровне переднего конца 8 трубы 6 после взрыва.
Более того, в соответствии с изобретением и как показано на фиг.3 и 4, направляющие 11, 12, 13 и 14 потока прикреплены, предпочтительно концентрично, к боковой стенке 5 жаровой трубы 2 в кольцевом пространстве 4 таким образом, чтобы образовывать в таком пространстве параллельные проточные каналы 10 вдоль жаровой трубы 2. Каждый проточный канал 10, например, ограничен двумя парами направляющих, при этом одна пара направляющих потока содержит расположенную ниже по потоку направляющую 13 или 14 (справа на фиг.3 и 4) и соответствующую расположенную выше по потоку направляющую 11 или 12 (слева на тех же фигурах). В соответствии с таким предпочтительным вариантом осуществления некоторые расположенные ниже по потоку направляющие 13, называемые первыми направляющими потока, могут иметь форму вилки 16 с двумя зубцами 15, направленными к соответствующей расположенной выше по потоку направляющей 11, называемой третьим направляющим устройством. Другие расположенные ниже по потоку направляющие 14, называемые вторыми направляющими потока, более конкретно, предназначенные для расположения перед расположенным выше по потоку отверстием 9 преддетонационных труб 6, могут содержать две параллельные независимые ветки 17, выступающие концы которых направлены к соответствующей расположенной выше по потоку направляющей 12, называемой четвертой направляющей потока.
Двигатель I также содержит поперечную нижнюю часть 18, надлежащим образом размещенную внутри жаровой трубы 2. Такая поперечная нижняя часть 18 ограничивает, вместе с боковой стенкой 5 жаровой трубы 2, камеру 7 сгорания, способную циклически воспринимать подачу топлива, изображенную с помощью стрелки 19 на фиг.2, проходящую от питающего устройства, имеющегося в кольцевом пространстве, но не показанного на фигурах, подающего топливно-воздушную детонирующую смесь. Поперечная нижняя часть 18 задает тяговую стенку, на которую воздействуют продукты детонации детонирующей смеси для создания тяги.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления поперечная нижняя часть 18 установлена с возможностью перемещения, но не исключительно, относительно жаровой трубы 2 двигателя I и может перемещаться между двумя отдельными предельными положениями, первым положением (фиг.1 и 3), изолирующим камеру 7 сгорания от периферийного кольцевого пространства 4, соответствующим фазе детонации детонирующей смеси, и вторым положением (фиг.2 и 4), создающим соединение по текучей среде камеры 7 сгорания и периферийного кольцевого пространства 4, соответствующим фазе подачи детонирующей смеси в камеру.
С этой целью первые впуски 20А детонирующей смеси в камеру 7, имеющие проточное отверстие с неизменным сечением, расположены в боковой стенке 5 жаровой трубы 2, предпочтительно, между зубцами 15 первых направляющих 13 потока, при этом первые впуски 20А полностью блокируются, когда подвижная поперечная нижняя часть 18 находится в своем первом положении, и разблокируются, когда она занимает свое второе положение.
Вторые впуски 20В также предусмотрены в боковой стенке 5 жаровой трубы 2 между ветвями 17 вторых направляющих 14 потока. Такие вторые впуски 20В имеют особенность, заключающуюся в наличии проточного отверстия 35 для текучей среды с переменным сечением, при этом проточное отверстие 35 имеет уменьшенное сечение в первом положении подвижной нижней части 18, обеспечивающее передачу взрывных волн от преддетонационных труб 6 в камеру 7 сгорания через поперечный проход (который будет дополнительно описан ниже), и увеличенное сечение во втором положении подвижной нижней части 18, для обеспечения возможности подачи детонирующей смеси в камеру 7 сгорания и преддетонационные трубы 6.
Как показано на фиг.1 и 2, перемещение подвижной нижней части 18 между ее двумя положениями, в таком предпочтительном варианте осуществления, представляет собой тип скольжения в соответствии с продольной осью А, но оно может быть другим (например, спиральный тип).
В показанном варианте осуществления подвижная нижняя часть 18 с конструктивной точки зрения имеет форму поршня 21, содержащего поперечную стенку 22, направленную к камере 7 сгорания, с боковой юбкой 23, надлежащим образом взаимодействующей с боковой стенкой 5 жаровой трубы 2. Подвижная нижняя часть 18 дополнительно содержит корону 23А, выполненную как одно целое с поперечной стенкой 22 поршня 21 и надлежащим образом взаимодействующую с боковой стенкой 5 жаровой трубы 2 для полной блокировки первых впусков 20А и частично вторых впусков 20В, имеющих проточное отверстие 35 с уменьшенным сечением, когда подвижная нижняя часть 18 занимает второе положение.
Боковые подающие отверстия 24 предусмотрены в боковой стенке короны 23А поршня 21. Такие подающие отверстия 24 взаимодействуют с первыми 20А и вторыми 20В впусками, когда подвижная нижняя часть 18 занимает второе положение, для соединения по текучей среде кольцевого пространства 4 и камеры 7 сгорания при фазе подачи.
Более того, в соответствии с изобретением, подвижные блоки 25 расположены внутри проточных каналов 10 между первыми 13 и вторыми 14 направляющими потока и прикреплены, предпочтительно концентрично, к короне 23А поршня 21. Такие подвижные блоки 25 предусмотрены, в соответствии с изобретением, для бокового скольжения в направляющих отверстиях 26, предусмотренных в боковой стенке 5 жаровой трубы 2, но могут рассматриваться другие типы перемещения блоков 25. Таким образом, как показано на фиг.3, каждый подвижный блок 25 смещен, вправо на фиг.3, относительно концов зубцов 15 первых направляющих 13 потока и ветвей 17 вторых направляющих 14 потока, когда подвижная нижняя часть 18 занимает первое положение, для того, чтобы воздушный поток воздухозаборника, изображенный с помощью стрелки 27, мог свободно циркулировать в проточных каналах 10 вдоль стенки жаровой трубы 2, обходя подвижные блоки 25.
Как показано на фиг.4, подвижные блоки 25 надлежащим образом соединяют внешнюю поверхность концов напротив зубцов 15 и ветвей 17, когда подвижная нижняя часть 18 занимает второе положение, для того, чтобы получить проточные каналы 10 и направить воздушный поток воздухозаборника, обозначенный с помощью стрелки 28 на фиг.2 и 4, в направлении первых разблокированных впусков 20А и проточного отверстия 35 с увеличенным сечением вторых впусков 20В.
Более того, подвижные выступы 29, выполненные с углублением на их расположенной ниже по потоку боковой поверхности 30, прикреплены к короне 23А поршня 21 и могут скользить, предпочтительно, параллельно относительно подвижного блока 25, во вторых впусках 20В, рядом с преддетонационными трубами 6. Как показано на фиг.3, подвижные выступы 29 надлежащим образом соединяются с внутренней поверхностью концов противоположных ветвей 17, в первом положении подвижной нижней части 18, и, таким образом, задают поперечный проход, обеспечивающий возможность передачи взрывной волны от преддетонационных труб 6 в камеру 7 сгорания, при этом один из концов поперечного прохода соответствует проточному отверстию 35 с уменьшенным сечением, а другой конец - расположенному выше по потоку отверстию 9 преддетонационных труб 6.
На расположенной ниже по потоку боковой поверхности четвертых направляющих 12, расположенных напротив преддетонационных труб 6, выполнена полость 31 для размещения подвижных выступов 29, когда подвижная нижняя часть 18 находится во втором положении.
Дополнительно, между поперечной подвижной нижней частью 18 и жаровой трубой 2 предусмотрены упругие средства возврата для непосредственного перемещения указанной нижней части 18 из ее второго положения (фиг.2) обратно в ее первое положение (Фиг. 1). Например, такие средства просто заданы работающей на сжатие пружиной 32, предусмотренной между расположенной выше по потоку поверхностью поперечной стеки 22 поршня 21, напротив камеры 7 сгорания, и поперечной опорой 33, предусмотренной в жаровой трубе 2. Обычно направляющий стержень 34 пружины 32, прикрепленный к расположенной выше по потоку поверхности поперечной стенки 22 поршня 21, может быть связан с указанной пружиной 32.
Рабочий цикл такого импульсного детонационного двигателя I, как описан выше, изложен ниже.
Прежде всего предполагается, что двигатель I находится в конфигурации, как показано на фиг.1 и 3, при которой подвижная поперечная нижняя часть 18 находится в ее первом положении, то есть:
- подвижные блоки 25 смещены вправо на Фиг. 3 для того, чтобы обеспечить возможность для воздушного потока циркулировать вдоль боковой стенки 5 жаровой трубы 2;
- подвижные выступы 29 соединены с внутренней поверхностью концов ветвей 17 напротив вторых направляющих 14 для того, чтобы образовать поперечные проходы, обеспечивающие возможность сообщения текучей среды между преддетонационными трубами 6 и камерой 7 сгорания. Преддетонационные трубы 6, таким образом, отделены от входа детонирующей смеси; и
- первые впуски 20А полностью блокируются боковой стенкой короны 23А для того, чтобы изолировать камеру 7 сгорания от входа детонирующей смеси.
При импульсе взрывных волн, образованных в преддетонационных трубах 6, и его передаче через поперечные проходы в камере 7 происходит детонация находящейся под давлением реактивной смеси. Когда давление сильно увеличивается в камере 7, подвижная нижняя часть 18 начинает перемещаться назад (влево на фиг.1), одновременно приводя к открыванию первых впусков 20А, увеличению сечения отверстия 35 вторых впусков 20В и скольжению подвижных блоков 25 по направлению к концам зубцов 15 и ветвей 17, а подвижных выступов 29 - по направлению к полостям 31 четвертых направляющих 12 потока.
Давление в камере 7 сгорания временно падает в результате заднего расширения продуктов детонации, но в результате его инерции и приобретенной скорости поршень 21 продолжает перемещаться назад против пружины 32, до тех пор, пока подвижная нижняя часть 18 не достигнет своего второго положения.
Когда подвижная нижняя часть 18 занимает второе положение, первые разблокированные впуски 20А и вторые впуски 20В, отверстие 35 которых имеет увеличенное сечение, взаимодействуют с подающими отверстиями 24 короны 23А. Более того, подвижные блоки 25 блокируют проточные каналы 10, соединяя внешнюю поверхность концов противоположных зубцов 15 и ветвей 17, и подвижные выступы 29 располагаются с упором в их соответствующей полости 31.
Потом, явление самовсасывания, возникающее за счет снижения давления, вызванного чрезмерным расширением продуктов детонации, обеспечивает возможность независимого заполнения камеры 7 сгорания и преддетонационных труб 6 детонирующей топливно-воздушной смесью.
Затем, под действием работающей на сжатие пружины 32, подвижная нижняя часть 18 посылается обратно в камеру 7 сгорания, при этом корона 23А поршня 21 полностью блокирует первые впуски 20А и частично вторые впуски 20В, при этом их отверстие 35 имеет уменьшенное сечение, тогда как подвижные блоки 25 прилегают к направляющим отверстиям 26 и подвижные выступы 29 соединяют внутреннюю поверхность концов противоположных частей 17.
Затем может начинаться новый рабочий цикл двигателя I.