Комбинированная силовая установка самолета вертикального взлёта и посадки
COMBINED POWER PLANT OF VERTICAL TAKE-OFF AND LANDING AIRCRAFT

Комбинированная силовая установка, на водородном топливе, предназначена для ближнемагистральной авиации общего назначения, в частности пилотируемых и беспилотных аэротакси вертикального взлёта и посадки.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.
3
Известна «двигательная установка Гиперзвукового самолета-разгонщика (ГСР) "50-50"- в виде блока четырех турбореактивных двигателей (ТРД) разработки A.M. Люлька тягой на взлете по 17,5 т каждый, имеющих общий воздухозаборник и работающих на единое сверхзвуковое сопло внешнего расширения. На ГСР в качестве топлива использовался сжиженный водород. При пустой массе 36 т ГСР мог принять на борт 16т жидкого водорода (213 м), для размещения которого отводилось 260 мЗ внутреннего объема.
Особенностью двигателей являлось использование паров водорода для привода турбины, вращающей компрессор ТРД. "Водородный" ТРД был уникален -наша промышленность ни до, ни после этого ничего похожего не делала (экспериментальные образцы подобных двигателей впоследствии разрабатывались лишь в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ) и ни разу не доводились до постройки хотя бы опытного образца, см. http ://www.buran.ru/htm/str 147 .htm.
По мнению ряда ученых, за водородными двигателями будущее. Они бесшумны, экологичны и более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания. Однако широкое использование водородных двигателей на транспорте, в том числе на воздушном транспорте, задерживается в виду необходимости преодоления целого ряда факторов, существенно сдерживающих внедрение водородных технологий, а именно:
- дороговизна водородного топлива, поскольку в настоящее время в промышленных масштабах его получают из углеводородов, что ставит эту технологию в зависимость от традиционных источников энергии;
- несовершенные технологии хранения, транспортировки и применения водорода;
- современные способы безопасного хранения водорода требуют большего объёма топливных баков, чем для бензина;
- опасность использования водорода как топлива, обусловленная высокой летучестью водорода и лёгкостью его воспламенения;
- смесь водорода с воздухом взрывоопасна, при этом водород более опасен, чем бензин, так как горит в смеси с воздухом в более широком диапазоне концентраций, к тому же водород, хранящийся в баках при высоком давлении, в случае пробоя бака очень быстро испаряется;
- заправка водородом требуется строительства сети специализированных станций.
В качестве прототипа изобретения выбран пароводородный РТД, содержащий внутренний контур с последовательно установленными в его парово-дородной турбиной, камеру сгорания, подключенную входом к выходу паро-водородной турбины, теплообменник-испаритель и реактивное сопло. /Курзинф Р.И. Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей. М.: Машиностроение, 1989, с.210, рис.6-19/.
К недостаткам прототипа следует отнести сложную систему хранения и подготовки топлива к созданию реактивной тяги: хранение водорода и кислорода в огромных баках, большое лобовое сопротивление кожуха и встроенных в него: испарителя, ожижителя, охладителя, теплообменника-конденсатора и сепаратора со сборником и баком накопителем.
Задачей изобретения является разработка безопасной технологии использования водородного топлива в двигателях самолетов и, кроме того, конструкция силовой установки и ее компоновка на самолете должна быть надежной, простой, экономичной, экологичной, безопасной, обеспечивать существенное снижение лобового сопротивления самолёта, вертикальный взлет и посадку, и повышенный коэффициент полезного действия.
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.
Комбинированная силовая установка самолета вертикального взлёта и посадки, включающая корпус, блок форсунок, установленных внутри камеры сгорания, пароводородную турбину и реактивное сопло, характеризуется тем, что силовая установка, в виде центробежного вентилятора высокого давления, с вертикальной осью вращения, встроена в полость крыла и содержит последовательно установленные: бортовой генератор смеси водорода с кислородом, получаемой, преимущественно, из жидкости, на водной основе, камеру сгорания, центробежный сепаратор, интегрированный с центробежной форсункой, запальное устройство, кольцевое сопло, встроенное в воздухозаборник, рабочее колесо и улитку центробежного вентилятора, с плоским реактивным соплом, а также водосборник для сбора конденсата от продуктов горения водорода с кислородом и воды из воздуха или облаков, кроме того, вентилятор скомпонован на одной оси, с плоским, электрическим моторгенератором, и кольцевой заслонкой для изменения вектора тяги.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в следующем:
- снижение лобового сопротивления двигателя по сравнению с турбореактивным двигателем с центробежными компрессорами или двухконтурным ТРД, за счет встраивания силовой установки в полость крыла самолета;
- из конструкции летательного аппарата исключены баки с жидким водородом и кислородом за счет производства водорода и кислорода на борту, из жидкости на водной основе;
- исключены из конструкции силовой установки компрессор, так как гремучая смесь взрывается при атмосферном давлении и не требует сжатия для её горения;
- турбина в горячей зоне, с очень сложными и дорогостоящими лопатками, интегрирована с высокоэкономичным центробежным вентилятором высокого давления;
- обеспечена безопасная система подготовки и транспортировки топливной смеси, которую в виде жидкой пены, подают непосредственно в камеру сгорания через центробежный сепаратор, совмещенный с центробежной форсункой;
- обеспечена возможность дозаправки сырьем (водой) для получения топлива (смеси водорода с кислородом), в полете, из воздуха, облаков и из конденсата от продуктов сгорания;
- за счет плоского моторгенератора с высоким крутящим моментом, обеспечивается снабжение электричеством всех систем самолёта, бортового генератора смеси водорода с кислородом, а также привод центробежного вентилятора в случае аварийной ситуации;
- обеспечивается возможность вертикального взлета и посадки за счет изменения вектора тяги с помощью кольцевой заслонки.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан разрез А-А, заявленной силовой установки, при вертикальном взлёте, зависании и посадке, на фиг.2. - тот же разрез при поступательном движении, на фиг.3 - план центробежного вентилятора высокого давления, на фиг. 4 - фрагмент камеры сгорания с центробежным сепаратором, совмещенным с центробежной форсункой и электрозапальником.
На чертежах позициями обозначены: 1 - бортовой генератор смеси водорода с кислородом, 2 - кольцевая камера сгорания, 3 - центробежный сепаратор с топливной форсункой, 4 - электрозапальник, 5 - кольцевое сопло, 6 - воздухозаборник, 7 - рабочее колесо центробежного вентилятора; 8 - улитка центробежного вентилятора; 9 - водосборник, 10 - электрический мотор-генератор, 11 - кольцевая заслонка для изменения вектора тяги.
Силовая установка выполнена в виде центробежного вентилятора высокого давления, с вертикальной осью вращения, и встроена в полость крыла, что снижает лобовое сопротивление самолёта за счет исключения бочкообразного двигателя под крылом.
Решены вопросы безопасного хранения водорода и кислорода (исключены огромные баки с водородом и кислородом), транспортировки и сжигания водорода в кислороде, а также охлаждения камеры сгорания и рабочего колеса центробежного вентилятора за счет производства смеси водорода с кислородом, которую получают, преимущественно, из жидкости на водной основе, в бортовом генераторе смеси водорода с кислородом 1, и подачи её, в виде жидкой пены, прямо в камеру сгорания 2 через центробежный сепаратор, интегрированный с центробежной форсункой 3, где, под действием центробежных сил, пену разделяют на газообразную и жидкую фракции, после чего газообразную фракцию (смесь водорода с кислородом) поджигают запальным устройством 4, а жидкой фракцией, за счет центробежных сил, создаваемых форсункой, опрыскивают внутреннюю поверхность камеры сгорания 2, для её охлаждения. Образующийся, при этом, пар, совместно с ударной волной и продуктами горения водорода в кислороде, с высоким давлением и температурой, на высокой скорости, через кольцевое сопло 5, встроенное в воздухозаборник 6, раскручивают рабочее колесо вентилятора 7, которое, при этом, засасывает из атмосферы воздух и затем, в улитке центробежного вентилятора 8, происходит его смешивание с продуктами горения, подогрев, расширение и создание плоской реактивной струи. Кроме того, улитка оснащена водосборником 9, для сбора конденсата, от продуктов горения водорода в кислороде, и воды - из воздуха или облаков, а вентилятор оснащен электрическим моторгенератором 10 и кольцевой заслонкой 11 для изменение вектора тяги.
Заявленное техническое решение позволяет создать простую в изготовлении и эксплуатации силовую установку с улучшенной экологией для летательного аппарата, обладающего свойствами вертолёта и самолёта, способного обеспечить вертикальный взлёт и посадку, а также высокоскоростной, дальний полёт с возможностью дозаправки водой в воздухе из атмосферы.