ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С НЕПРЕРЫВНЫМ ЦИКЛОМ РАБОТЫ

Полезная модель относится к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям с резонансными камерами сгорания, а также к комбинированным прямоточно-пульсирующим воздушно-реактивным двигателям.
Одним из новых направлений в развитии ракетодвигателестроения является разработка детонационных двигателей, которые могут найти самое широкое применение как для космических и военных целей, так и для нужд транспорта и развития высоких технологий.
К настоящему времени ни одна страна мира не имеет работоспособный двигатель детонационного горения с непрерывным устойчивым детонационным процессом.
Существуют различные способы конструктивного выполнения детонационной камеры. 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.
Известен пульсирующий двигатель детонационного горения по патенту 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. Однако 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. Однако большинство из них не может быть использовано для детонирования топливно-воздушной рабочей смеси и практически все они не могут обеспечить автоматическую и непрерывную подачу детонационных импульсов, т.е. выработку детонационных импульсов в момент времени, когда детонационная камера заполнена рабочей смесью и подготовлена ко второму детонационному импульсу.
Повысить частоту детонационных процессов можно путем использования многокамерных конструкций детонационной камеры. Частично эти недостатки устранены в
патентах США №5513489, 1994 и №5345758, 1993. Наиболее близким по принципу работы и техническому устройству является пульсирующий детонационный ракетный двигатель горения по патенту США №5873240 «Pulsed detonation rocket engine», Bussing; Thomas R.A., Bratkovich; Thomas E., 1999. Особенностью данного двигателя является то, что он имеет единую систему топливоподачи компонентов топлива и общий коллектор подачи уже объединенной топливно-воздушной смеси. А с помощью быстродействующих клапанов расхода система управления осуществляет перераспределение топливно-воздушной смеси по детонационной камере.
Однако данное устройство имеет ряд недостатков, к которым можно отнести следующие:
- не может обеспечить непрерывный цикл работы,
- часть пространства детонационной камеры с размещенными детонационными трубками остается незаполненной топливно-воздушной смесью,
- система управления детонационного двигателя для управления работой быстродействующих клапанов расхода должна быть очень сложной как по устройству, так и по управлению,
- возможность передачи детонационного импульса в систему топливоподачи,
- время подачи очередного детонационного импульса не должно превышать суммарное время, необходимое для продувки и заполнения детонационной камеры новой порции топливно-воздушной смеси.
Задачей полезной модели является разработка детонационного двигателя с непрерывным циклом работы.
Технический результат, который может быть получен при использовании полезной модели, заключается в передаче детонационного импульса от последней детонационной трубки к первой за время полного детонационного цикла.
Поставленная задача в заявляемом устройстве достигается тем, что детонационный двигатель с непрерывным циклом работы состоит из системы управления, системы топливоподачи, детонационной камеры и инициатора. При этом детонационная камера выполнена в виде набора детонационных трубок, на входе которых установлена антидетонационная перегородка, и имеющих поперечные сечения в виде усеченной пирамиды с фигурными основаниями и общими боковыми стенками, в которых установлены по два переходных отверстия, расположенные на противоположных и разных сторонах детонационных трубок, причем концевое отверстие предшествующей детонационной трубки является начальным отверстием последующей детонационной трубки,
образуя замкнутую детонационную систему и одна из них соединена с инициатором и через датчик давления с системой управления, а вход каждой детонационной трубки через введенное устройство временной задержки соединяется как с системой управления, так и с системой топливоподачи, при этом общее количество детонационных трубок n определяется из условия
где: D - скорость детонации;
- относительная длина детонационной трубки (причем, );
V - скорость подачи топливно-воздушной смеси.
На фиг.1 представлена блок-схема детонационного двигателя с непрерывным циклом работы, на фиг.2 - поперечное сечение детонационной камеры, на фиг.3 - устройство одной из детонационных трубок и на фиг.4 - порядок заполнения детонационных трубок в момент запуска двигателя. К основным элементам детонационного двигателя с непрерывным циклом работы относятся:
1 - блок управления,
2 - система топливоподачи,
3 - устройство временной задержки,
4 - инициатор,
5 - детонационная камера,
6 - детонационная трубка,
7 - антидетонационная перегородка,
8 - датчик давления,
9 - отверстия в детонационной трубке.
Система управления 1 предназначена для организации процессов запуска, работы двигателя на заданном режиме и его выключения, организации временной задержки при подаче топливно-воздушной смеси в детонационную трубку во время запуска детонационного двигателя, а также для повторного запуска двигателя в случае несанкционированного его выключения.
Система топливоподачи 2 предназначена для качественного смешения компонентов топлива с целью образования топливно-воздушной смеси и подачи ее в детонационную камеру под давлением.
Устройство временной задержки 3 предназначено для организации программированной временной задержки при запуске детонационного двигателя.
Инициатор 4 предназначен для инициирования и поддержания детонационного процесса в детонационной камере.
Детонационная камера 5 предназначена для преобразования химической энергии рабочего тела в кинетическую энергию продуктов детонации. Она представляет собой трубчатую конструкцию, с одного конца которой находится система топливоподачи 2 с устройством временной задержки 3, а с другого - выход продуктов детонации (фиг.1). Детонационная камера 5 представляет собой набор детонационных трубок 6, имеющих поперечные сечения в виде усеченной пирамиды с фигурными основаниями и общими боковыми стенками (фиг.2), в которых установлены по два переходных отверстия 8, расположенные на противоположных и разных боковых сторонах детонационных трубок (фиг.3). На входе в каждую детонационную трубку 6 установлены антидетонационные перегородки 7, которые исключают прохождение детонационной волны в систему топливоподачи 2, но не препятствует прохождению топливно-воздушной смеси в детонационные трубки 6.
Концевое переходное отверстие 9, выполненное в предшествующей детонационной трубке 6 является начальным отверстием последующей детонационной трубки 6, образуя замкнутую детонационную систему.
Одна из детонационных трубок 6 соединена с инициатором 4, а через датчик давления 8 - с системой управления 1.
Количество детонационных трубок n определяется из условия
где: D - скорость детонации;
- относительная длина детонационной трубки (причем, );
V - скорость подачи топливно-воздушной смеси.
Анализ формулы 1 позволяет не только рассчитать количество детонационных трубок 6 при выбранной их форме (компоновка детонационной камеры), но и определить способ регулирования работы детонационного двигателя, который заключается в следующем. Время полного пробега детонационной волны при выбранных детонационных трубках (n, L), выбранных исходных компонентах топлива (D), можно регулировать за счет скорости подачи топливно-воздушной смеси в детонационную камеру (V), которую технически можно реализовать различными способами.
Возможны следующие режимы работы детонационного двигателя с непрерывным циклом работы: режим запуска, рабочий режим и выключения. Рассмотрим после
Режим запуска осуществляется путем подачи команды от системы управления 1 как в систему топливоподачи 2, так и с требуемой задержкой - на инициатор 4. Компоненты топливно-воздушной смеси в заданном соотношении компонентов топлива, с заданными значениями расхода и давления через антидетонационную перегородку 5 подаются во внутреннюю полость всех детонационных трубок 6 детонационной камеры 5. При этом сначала топливно-воздушная смесь подается в детонационную трубку ДТ1, затем - в ДТ2 и т.д. На фиг.4 топливно-воздушная смесь обозначена темным цветом.
К моменту заполнения детонационной трубки ДТ1 топливно-воздушной смесью на нее подается детонационный импульс, который детонирует рабочую смесь, находящуюся в ней. Детонационная волна направляясь в сторону сопла, дойдя до торцевой части детонационной трубки ДТ1 создает тягу за счет истечения продуктов детонации в атмосферу, а также передает детонационный импульс в детонационную трубку ДТ2. Теперь детонационная волна двигается уже в сторону переднего днища детонационной камеры 5. Как только детонационная волна ДВ2 достигнет переднего днища детонационной камеры 5, она создает тягу за счет воздействия детонационного импульса на стенку детонационной камеры 5, а также передает детонационный импульс в детонационную трубку ДТ3. Детонационная волна вновь направляется в сторону сопла. Последняя «сдетонировшаяся» детонационная трубка передает детонационный импульс на 1-ю детонационную трубку.
В результате детонирования топливно-воздушной смеси давление повышается, что фиксируется датчиком давления 8. Сигнал о запуске двигателя поступает с датчика давления 8 непосредственно в систему управления, что сигнализирует о завершении режима запуска.
Таким образом, создается замкнутая детонационная система, о чем сигнализирует датчик 8 в систему управления 1. При этом, каждая детонационная трубка 6 участвует как в создании тяги, так и передаче детонационного импульса из одной детонационной трубки в другую.
Рабочий режим является продолжением режима запуска. Дальнейшая работа двигателя осуществляется непрерывно за счет реализации газодинамической связи, образованной в детонационной камере 5 следующим образом. Как только детонационный импульс передастся в последнюю детонационную трубку, детонационная трубка ДТ1 полностью заполнится топливно-воздушной смесью, что способствует передаче детонационного импульса из последней детонационной камеры в первую.
На рабочем режиме компоненты топливно-воздушной смеси постоянно подаются в детонационную камеру 5. Продукты детонации, истекая из детонационных трубок 6, поступают в расширяющееся сопло, которое способствует дальнейшему разгону газового потока. Суммарная тяга, создаваемая детонационным двигателем, равна сумме тяг, создаваемых каждой детонационной трубкой. Так как в детонационной камере осуществляется непрерывный детонационный процесс, а расширяющееся сопло интегрирует эти составляющие, то получается, что детонационный двигатель создает постоянную непрерывную тягу, которая приводит в движение летательный аппарат. Сведения о работе двигателя передаются в систему управления 1 через датчик давления 8.
В случае внезапного прекращения работы детонационного двигателя, система управления 1 выдает команду на повторное инициирование топливно-воздушной смеси, т.е. на повторный запуск. В этом случае схема детонационного двигателя работает в соответствии с режимом запуска, который описан выше.
Режим выключения осуществляется по командам блока управления 1. При этом отключаются система топливоподачи и инициатор, обеспечивая прекращение процессов заполнения детонационной камеры рабочей смесью и ее инициирование.
Таким образом, предложенная схема детонационного двигателя обеспечивает непрерывный цикл его работы. При этом обеспечивается как автоматический, так и автономный режим работы, достигается максимальная частота детонационных процессов, что в конечном итоге приводит к увеличению тяги двигателя, а также повышается экономичность его работы.