ГИПЕРЗВУКОВОЙ ПРЯМОТОЧНЫЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
HYPERSONIC RAMJET ENGINE

Изобретение 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 заявляемого Изобретения, принимаемому за прототип, является устройство, приведенное в полезной модели №154901. Данное устройство ГПВРД содержит воздухозаборник, прямоточную камеру сгорания, форсунки и сопло, на внешней поверхности стенки воздухозаборника и прямоточной камеры сгорания через слой электроизоляции располагается токопроводящая подложка катода, на которую нанесен эмиссионный слой с низкой работой выхода электронов, а на внешней поверхности стенки сопла через слой электроизоляции установлена токопроводящая подложка анода, которая в области входного отверстия сопла находится в электрическом контакте с токовыводом анода, электрически через потребитель электрической энергии связанном с токопроводящей подложкой катода, при этом токопроводящая подложка анода через слой электроизоляции находится в тепловом контакте с охлаждающим элементом, содержащем каналы для циркуляции охлаждающей жидкости, а на внешнюю поверхность токопроводящей подложки анода нанесен слой восприятия электронов.
Устройство по прототипу работает следующим образом. При полете ГЛА с ГПВРД в воздухозаборнике 1 происходит торможение, сжатие и увеличение температуры набегающего воздушного потока. В камере сгорания происходит смешение, воспламенение и горение топливо-воздушной смеси. В результате эмиссионный слой и токпроводящая подложка катода (ТПК) (катод) нагреваются до температур от 1600-2100К, при которых происходит интенсивный процесс эмиссии электронов. Выходя из эмиссионного слоя электроны забирают с собой тепловую энергию. Эмитированные с эмиссионного слоя электроны уносятся проходящим сверхзвуковым потоком воздуха. В камере сгорания происходит впрыск топлива через форсунки с дальнейшим его воспламенением и горением. При этом стенки камеры сгорания также нагреваются до температур, при которых эмиссионный слой эмитирует электроны, которые уносятся сверхзвуковым потоком реагирующей газовой смеси. Далее электроны из потока воспринимаются слоем восприятия электронов СВЭ, откуда они попадают на токопроводящую подложку анода (ТПА). В ТПА электроны движутся к токовыводу, электрически контактирующему с ТПА, располагающемуся в области входного отверстия сопла ГПВРД. Это обусловливает движение возникающего электрического тока вдоль ТПА в направлении от выходного отверстия сопла к входному отверстию сопла (выходному отверстию камеры сгорания). При этом вблизи стенок сопла, где движутся электроны эмиссии, возникает магнитное поле направленное перпендикулярно вектору скорости электронов эмиссии. Это приводит к возникновению силы Лоренца, направленной к СВЭ, что аналогично принципам работы МГД - генератора. Тем самым происходит изменение направления движения электронов эмиссии в сторону СВЭ, что способствует восприятию анодом всех электронов эмиссии из сверхзвукового потока продуктов реакции горения топливо-воздушной смеси. От ТПА электроны направляются на потребитель электрической энергии, 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, находящемся в тепловом контакте с ТПА, через слой электроизоляции 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.
Недостатком указанного прототипа может явиться недостаточное охлаждение стенок при термоэлектронной эмиссии, а также сложность в подборе материала эмиссионного слоя с низкой работой выхода, способного не разрушаться в течении длительного времени при высоких температурах в окислительной среде горячего воздуха.
Технической задачей, вытекающей из недостатков прототипа, является дополнительное снижение температуры стенки воздухозаборника и камеры сгорания за счет отвода тепла электронами при термоэлектронной эмиссии, расширение количества материалов, которые можно использовать в качестве эмиссионных слоев и еще большее повышение на этой основе надежности и основных технических характеристик ГПВРД, например, скорости полета ГЛА.
Указанная задача решается тем, что вдоль стенок, с нанесенным на их поверхность эмиссионным слоем, располагаются форсунки, соединенные через трубопровод и управляемый клапан с баком для хранения веществ с низким потенциалом ионизации (ВНПИ), например, K, Na, Ва и их соединений. Причем величина проходного отверстия клапана регулируется при помощи регулятора, получающим команды от блока управления. ВНПИ в баке могут находится в твердом, жидким или газообразном состоянии, например, в форме водного раствора. При полете с гиперзвуковыми скоростями при нагреве стенок с эмиссионным слоем до температур, при которых с их поверхности интенсивно начинают выходить электроны, а через форсунки осуществляется подача веществ с низким потенциалом в поток обтекающего ГПВРД воздуха. Количество подаваемых веществ с низким потенциалом ионизации регулируется при помощи клапана, расход через который определяется регулятором, получающим сигнал от блока управления. При этом ВНПИ хранятся в баке, например, под давлением или в форме водного раствора. Попадая в воздух, молекулы и атомы ВНПИ уносятся воздухом. Таким образом, ВНПИ движутся с обтекающим стенки элементов ГПВРД потоком воздуха, проходя вдоль них. Часть молекул ВНПИ осаждаются на эмитирующих стенках ГПВРД. При этом происходит снижение работы выхода материала эмиссионного слоя. При снижении работы выхода электронов из материала эмиссионного слоя происходит увеличение интенсивности термоэлектронной эмиссии и электронного охлаждения стенок элементов ГПВРД, что также приводит к еще большему, по сравнению с прототипом снижению температуры стенки, выравниванию градиентов температур вдоль стенок элементов ГПВРД и снижению на данной основе температурных напряжений в его конструкции. Одновременно, большее количество электронов эмиссии, приводит к увеличению генерируемой в процессе полета электрической энергии.
Также атомы и молекулы ВНПИ, осаждаясь на СВЭ, снижают работу выхода электронов из СВЭ. Это приводит к уменьшению величины нагрева СВЭ, анода, а также снижает нагрузку на охлаждающий анод элемент.
Форсунки подачи ВНПИ, гидравлически связанные с баком для хранения ВНПИ могут располагаться в любой части ГПВРД так, чтобы обеспечить заданный уровень электронного охлаждения горячих элементов ГПВРД. Может изменяться и их количество. Расположение и количество форсунок ВНПИ выбирается из соображений обеспечения покрытия ВНПИ как можно большей площади поверхности эмиссионных слоев.
Единым техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является снижение температуры стенок элементов ГПВРД, на которые нанесен эмиссионный слой и слой восприятия электронов, повышение генерируемой при этом электрической энергии и снижение нагрузки на охлаждающий анод элемент. При этом также можно достигать более высоких скоростей полета при более низких высотах, достигать более высоких температур горения топлива в камере сгорания, что приводит к обеспечению более высокой эффективности горения топливо-воздушной смеси в камере сгорания. Это также повышает КПД ГПВРД.
На фиг. 1 представлен заявляемый ГПВРД в разрезе.
6
2
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, 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 имеет 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 анода (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 электрической цепи между катодом и анодом располагается потребитель электрической энергии 12, в котором электроны эмиссии, при движении от анода к катоду, совершают полезную работу. Анод через слой изоляции 13 находится в тепловом контакте с охлаждающим элементом 14 с каналами для циркуляции хладагента, например, топлива. На передней поверхности воздухозаборника расположены форсунки 16 подачи ВНПИ. При полете достижении предельных параметров полета или температуры стенок элементов ГПВРД по команде или по сигналу с блока управления 18 через регулятор 17 проводного отверстия клапана 19 осуществляется подача ВНПИ из бака хранения 15 в форсунки 16. Через форсунки 16 происходит впрыск ВНПИ в обтекающий ГПВРД поток воздуха.
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. Эмиссионный слой 7 и ТПК 5 (катод) нагреваются до температур от 1600-2100К, при которых происходит интенсивный процесс эмиссии электронов.
Эмитированные с эмиссионного слоя электроны уносятся проходящим сверхзвуковым потоком воздуха. Одновременно от блока управления 18 подается сигнал на регулятор 17 проходного отверстия клапана 19 и из бака 15 под давлением начинают поступать ВНПИ в форсунки 16, через которые осуществляется подача ВНПИ в обтекающий ГПВРД поток воздуха, при попадании в который ВНПИ уносятся в направлении его движения. При этом часть атомов и молекул ВНПИ осаждается на поверхности эмиссионном слоя 7 стенок воздухозаборника 1. Взаимодействие адсорбированных таким образом атомов и молекул ВНПИ с поверхностью эмиссионного слоя 7 стенок воздухозаборника приводит к снижению работы выхода электронов эмиссионного слоя 7. В результате увеличивается интенсивность термоэмиссии электронов и электронное охлаждение эмиссионного слоя 7, и температура стенок воздухозаборника уменьшается по сравнению с аналогом.
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. В камере сгорания 2 также адсорбируются атомы и молекулы ВНПИ, снижая работу выхода эмиссионного слоя 5. При этом увеличивается интенсивность термоэлектронной эмиссии и электронное охлаждение эмиссионного слоя 5. В результате температура стенки камеры сгорания 2 также снижается по сравнению с аналогом.
Далее электроны из потока воспринимаются СВЭ 8. Одновременно молекулы и атомы ВНПИ адсорбируются на СВЭ 8, снижая работу выхода СВЭ 8. При этом снижается электронный нагрев СВЭ 8 и снижается количество энергии электронов, которые они отдают при восприятии их СВЭ 8. Это также приводит к увеличению количества электрической энергии в потребителе 12 электроэнергии.
От СВЭ 8 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. Одновременно в охлаждающем элементе 14, находящемся в тепловом контакте с ТПА 8, через слой электроизоляции 13 циркулирует хладагент, например, топливо.
Технический эффект, получаемый в результате применения заявляемого изобретения, заключается в том, что снижается температура стенок воздухозаборника и камеры сгорания при более высоких температурах сверхзвукового потока воздуха в воздухозаборнике и при более высоких температурах топливо-воздушной смеси в камере сгорания ГПВРД, чем в аналоге. Это приводит к повышению надежности ГПВРД, потому что еще больше 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 2100К), при которой обеспечивается высокая плотность тока эмиссии и плотность тепловых потоков электронного охлаждения эмиссионных слоев, на которые адсорбируются атомы и молекулы ВНПИ, 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.