ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
PULSATING AIR-BREATHING DETONATION ENGINE

Изобретение относится к технике, преимущественно военной, а именно к двигателям летательных аппаратов, и может быть использовано, вероятнее всего, в качестве двигателя небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как зенитные, авиационные и тактические ракеты, беспилотные разведчики, летающие мишени и т.п., а также в качестве сбрасываемых дополнительных двигателей.
Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (далее ПуВРД) немецкой крылатой ракеты времен Второй мировой войны Фау-1 (см. Г.Б.Синярев, М.В.Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. - Оборонгиз, 1957, с.19, 20). Он представляет собой открытый с обоих торцов канал круглого поперечного сечения, включающий последовательно расположенные входной диффузор, клапанную решетку, камеру сгорания и выходное устройство, состоящее из конфузора и выхлопной трубы, а также систему топливоподачи и систему зажигания с электрозапалом, установленным в камере сгорания. В общем случае входное и выходное устройства двигателя могут иметь форму, отличную от прототипа, поэтому в дальнейшем будем называть их принятыми терминами воздухозаборник и сопло.
Клапанная решетка представляет собой конструкцию из несущих элементов - поперечных стержней, подвижных элементов - плоских упругих пластин постоянной толщины, прикрепленных к боковым граням стержней попарно параллельно друг другу на расстоянии, равном толщине стержня, и опорных проставок, размещенных посредине между парами пластин параллельно им. В каждой паре между пластинами имеется глухой зазор, обращенный назад. Пластины и проставки образуют продольные каналы для прохода воздуха.
Набегающий на двигатель поток проходит через воздухозаборник и клапанную решетку в камеру сгорания. Туда же подается легкоиспаряющееся топливо, после чего топливовоздушная смесь воспламеняется искрой электрозапала. Быстро расширяющиеся во все стороны продукты сгорания, попадая в глухой зазор между пластинами, тормозятся, в результате чего давление там возрастает. Это вызывает изгиб пластин в стороны до контакта с опорными проставками или боковыми стенками. Воздушные каналы клапанной решетки оказываются перекрытыми. Продукты сгорания истекают через сопло в атмосферу, а их давление на закрытую клапанную решетку создает импульс тяги двигателя.
После падения давления пластины клапанной решетки под действием своей упругости, а также разрежения, создаваемого в камере инерцией истекающих газов, возвращаются в исходное положение. В камеру поступает очередная порция воздуха и цикл повторяется.
Клапанная решетка служит основным, но не единственным элементом узла, создающего тягу пульсирующего двигателя и включающего также боковые стенки, детали крепления и др. Кроме того, функцию создания тяги в таком двигателе могут выполнять и другие устройства. Поэтому в дальнейшем будем пользоваться общим термином "тяговый узел" (как часть двигателя) и конкретным - клапанная решетка тягового узла.
Достоинствами ПуВРД с механическими клапанными решетками являются простота и дешевизна, небольшой вес, надежность. Их недостаток - плохие тяговые характеристики, а именно низкая удельная и лобовая тяга, высокий удельный расход топлива, импульсный характер тяги, но главное - низкий ресурс клапанов.
Также известны конструкции ПуВРД, использующие аэродинамические клапаны, "Нестационарное распространение пламени", под ред. Дж.Г.Маркштейна, М., МИР, 1968, с.401-407. Кроме того, ПуВРД, в которых осуществлена замена механических клапанов на аэродинамические, описаны в патентах США №2796735, 1957; №2796734, 1957; №2746529, 1956; №2822037, 1958; №2812635, 1957; №3093962, 1963.
К недостаткам таких ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия).
Повысить удельную и лобовую тягу и снизить удельный расход топлива можно путем увеличения амплитуды пульсаций давления, которое достигается путем увеличения скорости сгорания топливовоздушной смеси в камере сгорания ПуВРД, при переходе к детонационному горению, осуществленному за счет воспламенения топливовоздушной смеси горящими высокотемпературными струями. Увеличение же амплитуды пульсаций приводит к росту термодинамического КПД и соответственно, к снижению удельного расхода топлива.
Техническим результатом изобретения является повышение термодинамического КПД путем увеличения амплитуды пульсаций давления.
Поставленная техническая задача решается за счет интенсификации процесса массопереноса в камере сгорания, приводящего к росту скорости квазидетонационного горения и соответствующих изменений конструкции ПуВРД и его тягового узла. При этом, под "квазидетонационном" горением подразумевается горение с повышенными скоростями продвижения фронта пламени, составляющими в случае ПуВРД 60-100 м/с. Организация такого режима горения происходит за счет интенсивного массопереноса в камере сгорания. Скорость фронта пламени пропорциональна скорости массопереноса.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном ПуВРД, содержащем, в частности, цилиндрическую камеру сгорания, резонаторную трубу, впускную трубу и форсунки, камера сгорания в головной части разделена на два объема трубчатым или пластинчатым пакетом, при этом первый по ходу течения объем в головной части имеет топливную форсунку и соединен с впускной трубой и форкамерой, установленной напротив форсунки, а второй объем камеры сгорания по ходу течения за трубчатым или пластинчатым элементом снабжен свечами зажигания, установленными за топливными форсунками, и имеет стенки, выполненные с кольцевыми гофрами, и далее соединен с резонаторной трубой.
Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
Другие особенности и преимущества заявляемого изобретения станут понятны из следующего детального описания, приведенного исключительно в форме неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие предпочтительный вариант реализации, на котором показана схема предлагаемого пульсирующего воздушно-реактивного детонационного двигателя (ПуВРДД).
На фиг.1 представлена схема заявляемого ПуВРДД;
на фиг.2 показан увеличенный фрагмент головной части ПуВРДД по фиг.1 с изображением форкамеры и впускной трубы;
на фиг.3 показано поперечное сечение А-А трубчатого пакета, а на фиг.4 - пластинчатого пакета.
Позициями на фиг.1-4 показаны:
1 - второй объем камеры сгорания,
2 - запальные свечи зажигания,
3 - топливные форсунки, установленные во втором объеме камеры сгорания,
4 - кольцевые гофры,
5 - резонаторная труба,
6 - трубчатый или пластинчатый пакет,
7 - первый объем камеры сгорания,
8 - топливная форсунка, установленная в первом объеме камеры сгорания,
9 - передняя торцевая стенка,
10 - впускная труба,
11 - чашки аэродинамического клапана,
12 - внутренние кольцевые полости (буферные полости),
13 - форкамера,
14 - соединительный канал.
ПуВРДД, представленный на фиг.1-4, содержит камеру сгорания, выполненную из двух объемов. Второй объем 1 камеры сгорания содержит запальные свечи зажигания 2 и топливные форсунки 3. Боковые стенки второго объема 1 за запальными свечами зажигания 2 выполнены с кольцевыми гофрами 4, переходящими в резонаторную трубу 5. Второй объем 1 камеры сгорания отделен от первого объема 7 камеры сгорания трубчатым или пластинчатым (плоскощелевым) пакетом 6. Внутри первого объема 7 камеры сгорания, на ее наружной стенке, установлена топливная форсунка 8, а на передней торцевой стенке 9 закреплена впускная труба 10 с аэродинамическим клапаном из набора профилированных чашек 11 с внутренними кольцевыми полостями (буферными полостями) 12. Также на торцевой стенке 9, напротив топливной форсунки 8, выполнена форкамера 13, соединяющаяся с первым объемом 7 камеры сгорания соединительным каналом 14.
Рабочий цикл ПуВРДД осуществляется следующим образом.
Набегающий воздушный поток через впускную трубу 10 поступает в первый объем 7 камеры сгорания и далее, проходя сквозь трубчатый или пластинчатый пакет 6, попадает во второй объем 1 камеры сгорания. При подаче топлива через топливные форсунки 3 и 8 в обоих объемах 1 и 7 камеры сгорания образуется топливовоздушная смесь. Подача искры на запальные свечи зажигания 2 приводит к вспышке топливовоздушной смеси во втором объеме 1 камеры сгорания. При этом фронт пламени распространяется и вниз и вверх по потоку. При движении вверх пламя проходит через трубчатый или пластинчатый пакет 6 и воспламеняет топливовоздушную смесь в первом объеме 7 камеры сгорания. Вспышка топливовоздушной смеси в первом объеме 7 камеры сгорания приводит к выбросу продуктов сгорания, воздуха и топлива сквозь щели или трубчатые каналы пакета 6 внутрь второго объема 1 камеры сгорания, где в данный момент происходит процесс дефлаграционного горения. Это ускоряет процесс горения во втором объеме 1 камеры сгорания и далее при движении фронта пламени вдоль кольцевых гофр 4, выполняющих роль «Спирали Щепкина», происходит дальнейшее ускорение горения и переход к детонации.
Детонационный взрыв приводит к выбросу продуктов сгорания через резонаторную трубу 5 и впускную трубу 10. При этом происходит заполнение форкамеры 13 смесью воздуха, топлива и высокотемпературных продуктов сгорания. Для уменьшения выброса через впускную трубу 10 она традиционно может быть выполнена с аэродинамическим клапаном в виде набора чашек 11 с внутренними кольцевыми (буферными) полостями 12.
По мере падения давления в первом объеме 7 камеры сгорания начинается ее продувка воздухом из впускной трубы 10 и одновременно выброс высокотемпературных продуктов из форкамеры 13 на топливную форсунку 8, что приводит к интенсификации испарения топлива. Последующее поступление воздуха во второй объем 1 камеры сгорания, куда подается топливо через форсунки 3, приводит к созданию благоприятных условий для воспламенения от запальной свечи зажигания 2. Таким образом, новое воспламенение топлива от запальных свечей зажигания 2 приводит к повторению рабочего цикла.
Описанный рабочий цикл реализует на практике недавно обнаруженный механизм ускорения перехода процесса горения в детонацию при прохождении через трубчатый или пластинчатый пакет 6. Этот механизм описан в книге «Импульсные детонационные двигатели», под редакцией С.М.Фролова, ст. Т.Фудживара «Исследования импульсных детонационных двигателей в Японии», Торус Пресс, М., 2006, с.502. Он позволял в 10 (десять) раз сократить преддетанационное расстояние.
В заявляемой конструкции ПуВРДД применение подобного механизма интенсификации горения позволило получить скорости циклически следующих детонационных фронтов со скоростями до 1500 м/с.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанным примером его осуществления, показанным на прилагаемой фигуре. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.