ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА С ПЛОСКИМ ЦЕНТРАЛЬНЫМ ТЕЛОМ

Предлагаемая полезная модель относится к области ракетостроения, в частности, к жидкостным ракетным двигателям.
Известно сопло с внешним расширением (штыревое сопло), состоящее из круглого центрального тела, выполненного в виде штыря, по периметру основания которого установлена торовая камера, а между обечайкой торовой камеры и круглым центральным телом организована узкая кольцевая щель. [Книга «Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей». Под редакцией В.М.Кудрявцева. Том 1, стр.370].
В сопле с внешним расширением (штыревое сопло) сверхзвуковая струя, истекающая из узкой кольцевой щели, ограничивается, с одной стороны, твердой стенкой центрального тела, а, с другой, свободной поверхностью струи (предельной линией тока), которая ограничивается атмосферным давлением на данной высоте полета ракеты (давление газа на внешней границе струи всегда равно атмосферному). Благодаря наличию свободной поверхности струи, сопло с внешним расширением обладает способностью автоматического регулирования высотности, то есть на любой высоте полета ракеты сопло всегда работает на расчетном режиме.
Недостатком такого технического решения является то, что известное сопло может работать только на твердом топливе, что ограничивает использование штыревого сопла (торовая камера сгорания, работающая на жидком топливе, еще не создана).
Известна также двигательная установка, содержащая плоское центральное тело, выполненное в виде клина, и два ряда круглых камер сгорания со сверхзвуковыми соплами, расположенными с каждой стороны основания плоского центрального тела. Тяговые профилированные плоские стенки центрального тела являются продолжением контуров круглых сверхзвуковых сопел (см. фиг.1 и 2). [MULTIDISCIPLINARY APPROACH TO LIHEAR AEROSPIKE NOZZLE OPTIMIZATION. J.J.Korte, A.O.Salas, H.J.Dunn and N.M.Alexandrov. NASA Langley Research Center, Hampton, Virginia 23681 and W.W.Follett, G.E.Orient and A.H.Hadid. Rocketdyne Division of Boeing North American, Canoga Park, CA 91309. Журнал NASA-AIAA-97-3374.pdf| и на сайте www.answers.com "The Aerospike Engine".
При такой схеме двигательной установки в сопле с центральным телом (в штыревом сопле) вместо торовой камеры используют связку круглых камер сгорания со сверхзвуковыми соплами, размещенными в один ряд по ширине плоского центрального тела с каждой его стороны (см. фиг.1 и 2).
Недостатком данной схемы двигательной установки с плоским центральным телом является существенные потери тяги, вызванные столкновением на стенке плоского центрального тела сверхзвуковых струй, которые истекают каждая в отдельности из сверхзвуковых сопел, при этом сверхзвуковые струи никогда не смешиваются.
Целью данной полезной модели является повышение эффективности работы двигательной установки с плоским центральным телом.
Цель достигается тем, что в двигательной установке, содержащей плоское центральное тело, выполненное в виде клина, и два ряда круглых камер сгорания, расположенных с каждой стороны основания плоского центрального тела, отличающаяся тем, что каждая камера сгорания снабжена звуковым соплом, а каждый ряд камер сгорания со звуковыми соплами снабжен общей плоской камерой-коллектором, установленной между рядом звуковых сопел и плоским центральным телом, при этом между обечайкой общей плоской камеры-коллектора и плоским центральным телом организована на всю ширину центрального тела узкая плоская щель для истечения сверхзвуковой струи.
На фиг.1 приведено фото двигательной установки с плоским центральным телом, снабженным камерами со сверхзвуковыми соплами.
На фиг.2 изображен общий вид двигательной установки с плоским центральным телом, снабженным камерами со сверхзвуковыми соплами.
На фиг.3 изображено продольное сечение двигательной установки с плоским центральным телом, снабженным общей камерой-коллектором и камерами сгорания со звуковыми соплами.
На фиг.4 изображен вид сверху двигательной установки с плоским центральным телом, снабженным общей камерой-коллектором и камерами сгорания со звуковыми соплами.
Двигательная установка с плоским центральным телом (фиг.3) содержит плоское центральное тело 1, выполненное в виде клина, и два ряда круглых камер сгорания 4, расположенных с каждой стороны основания плоского центрального тела 1. Согласно предлагаемой полезной модели каждая камера сгорания 4 снабжена звуковым соплом 5, установленным соосно с ней, а каждый ряд камер сгорания 4 со звуковыми соплами 5 снабжен общей плоской камерой-коллектором 2, установленной между рядом звуковых сопел 5 и плоским центральным телом 1. При этом между обечайкой общей плоской камеры-коллектора 2 и плоским центральным телом 1 организована на всю ширину центрального тела узкая плоская щель 3 для истечения сверхзвуковой струи.
Заявляемая двигательная установка с плоским центральным телом работает следующим образом.
Продукты сгорания компонент топлива из звуковых сопел 5 камер сгорания 4 втекают со звуковой скоростью в плоскую камеру-коллектор 2. Так как скорости струй газа, истекающих из звуковых сопел, - звуковые, в общей плоской камере-коллекторе 2 легко происходит их перемешивание. Затем струя газа из плоской камеры-коллектора 2 истекает со сверхзвуковой скоростью единым сплошным потоком через узкую плоскую щель 3.
На криволинейном контуре плоского центрального тела 1 происходит свободное расширение и ускорение сплошной сверхзвуковой струи газа, а на кромке узкой плоской щели 3, организованной на всю ширину плоского центрального тела 1, происходит разворот потока (возникает течение Прандтля-Майера) до тех пор, пока давление газа на внешней границе свободной струи не сравняется с атмосферным.
Таким образом, в двигательной установке с плоским центральным телом сверхзвуковая струя с одной стороны ограничивается твердой стенкой плоского центрального тела, а с другой - внешней граничной линией тока (атмосферным давлением), в результате чего такая двигательная установка на любой высоте полета ракеты (а по высоте полета атмосферное давление, как известно, переменное) всегда работает на расчетном режиме.
В данном случае общая плоская камера-коллектор используется как ресивер для накопления продуктов сгорания топлива, в нем не происходит горение компонент топлива. Поэтому в общей плоской камере-коллекторе не возникает высокочастотных колебаний давления газа и связанные с ними разрушения плоской камеры-коллектора.
Использование полезной модели позволяет устранить потери тяги, возникающие из-за столкновения сверхзвуковых струй на стенке плоского центрального тела, так как на его поверхности они уже не возникают, что дает возможность увеличить полезный груз или дальность полета летательного аппарата, что в свою очередь дает положительный экономический эффект.