ИМПУЛЬСНЫЙ ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
IMPULSE DETONATION ENGINE

Изобретение относится к импульсным детонационным воздушно-реактивным и ракетным двигателям и может быть использовано в качестве двигателя летательных аппаратов, а также в качестве двигателя газореактивного электрогенератора.
К настоящему времени авиационные и жидкостные ракетные двигатели традиционных схем в значительной степени исчерпали возможности существенного улучшения своих удельных параметров. Одним из путей решения проблем создания новых более эффективных двигателей является переход от термодинамического цикла с подводом тепла при постоянном давлении (цикла Брайтона) к циклу с периодически повторяющимся (пульсирующим) детонационным сгоранием топлива, иными словами - к циклу с постоянным объемом. Известно [1-3], что при прочих равных условиях (температуре и степени сжатия) цикл с постоянным объемом имеет более высокий термодинамический коэффициент полезного действия, чем цикл при постоянном давлении.
Пульсирующий процесс в таком двигателе возникает за счет возбуждения высокочастотных автоколебаний в газодинамическом резонаторе (камере сгорании), периодически заполняющейся специально подготовленной топливно-воздушной или топливной смесью, а выделение тепла, усиливающее амплитуду этих колебаний, происходит вследствие детонационного сгорания этой смеси в ударно-волновых структурах, периодически образующихся в газодинамическом резонаторе.
Одним из наиболее существенных недостатков, присущих большинству модельных импульсных детонационных двигателей, являются достаточно высокий уровень энергии инициирования и большие преддетонационные расстояния топливно-воздушной или топливной смеси.
Известна [4] конструкция импульсного детонационного двигателя, в которой указанные недостатки в значительной степени устраняются введением в состав элементов двигателя связки трубок, расположенных в проточной части камеры сгорания.
Указанное техническое решение [4] обеспечивает существенное снижение энергии инициирования и сокращение преддетонационного расстояния топливно-воздушной или топливной смеси. Однако данной конструкции присущ такой недостаток, как относительно низкий удельный импульс тяги двигателя. Связано это с большим количеством трубок в проточной части детонационной камеры сгорания. Отраженные от тяговой стенки газообразные высокотемпературные продукты детонационного сгорания и ударные волны «натыкаются» на большое количество стенок металлических трубок в торцевой части связки. Как результат - потеря скорости истечения, частичное охлаждение продуктов сгорания, повышение вероятности турбулентного движения продуктов, диссипации энергии ударных волн.
Известен [5] импульсный детонационный двигатель, в конструкцию детонационной камеры сгорания которого для сокращения преддетонационного расстояния топливно-воздушной или топливной смеси включена полусферическая тяговая стенка - газодинамический резонатор. Данное техническое решение, являющееся наиболее близким по существу к заявляемому, принято за прототип.
Имея существенные преимущества перед другими конструкциями импульсных детонационных двигателей в плане сокращения преддетонационного расстояния, двигателю-прототипу присущ такой недостаток, как относительно высокое значение энергии инициирования топливно-воздушной или топливной смеси и относительно низкое значение удельного импульса тяги. Связано это с значительными потерями энергии при движении продуктов детонационного сгорания внутри камеры.
Задачей предложенного технического решения является создание эффективного импульсного детонационного двигателя с высокими энергобаллистическими характеристиками.
Технический результат, который может быть получен при его использовании, заключается в том, что существенно повышается удельный импульс тяги двигателя.
Указанный технический результат достигается тем, что в конструкцию известного «пульсирующего двигателя детонационного горения», состоящего из камеры сгорания, выполненной в виде полусферического газодинамического резонатора и сопла двигателя, системы подачи и впрыска горючего и окислителя, системы инициирования детонации топливной смеси, внесено изменение. В камере сгорания двигателя размещена дополнительная камера-ускоритель, представляющая собой трубу круглой, сплющенной или усечено-конической формы, располагаемая в проточной части детонационной камеры сгорания на одной с ней оси вращения, выполненная из того же конструкционного материала, что и сама камера сгорания (жаропрочной стали, титанового сплава), и жестко скрепленная с детонационной камерой сгорания системой крепежных распорок. Передний торец камеры-ускорителя совпадает с центром полусферической тяговой стенки; задний торец непосредственно примыкает к сопловому блоку. При отражении от тяговой стенки высокоэнергетические продукты детонационного сгорания и ударные волны фокусируются в плоскости передней стенки дополнительной камеры-ускорителя; происходит интегрирование их скоростей. Реализуется эффект, близкий к известному в физике высокоскоростных процессов «канальному» эффекту. Как результат - сокращение преддетонационного расстояния топливно-воздушной или топливной смеси и значительное увеличение удельного импульса тяги двигателя.
Заявляемое решение отличается от прототипа наличием новых существенных признаков. В конструкцию импульсного детонационного двигателя установлена дополнительная камера-ускоритель, располагаемая в проточной части камеры сгорания. Это отличие позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «новизна».
В научно-технической литературе не обнаружено решений с такой совокупностью существующих признаков, следовательно, заявляемое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемое устройство содержит стандартные элементы из областей двигателестроения и машиностроения, следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «промышленная значимость».
Схематично конструкция заявляемого импульсного детонационного двигателя показана на чертеже, где 1 - система впрыска горючего и окислителя, 2 - камера-ускоритель, 3 - сопло, 4 - камера сгорания, 5 - система инициирования, 6-полусферический газодинамический резонатор.
Положительный эффект по увеличению удельного импульса тяги предлагаемого устройства подтвержден экспериментально.
Удельный импульс тяги импульсного детонационного двигателя замеряли методом баллистического маятника.
В качестве импульсного детонационного двигателя использована модельная камера, представляющая собой металлическую трубу с полусферическим газодинамическим резонатором.
В качестве топливной смеси использовали стехиометрическую смесь паров керосина ТС-1 с воздухом.
Инициирование взрывчатого превращения производили взрывающейся от электрического разряда алюминиевой проволочкой с энергией инициирования 49-50 Дж.
По экспериментальным данным удельный импульс тяги модельного двигателя без камеры - ускорителя составил ≈7000 Н·с/кг, а с установленной камерой - ускорителем ≈10500 Н·с/кг.
Данный импульсный детонационный двигатель может быть использован в качестве двигателя летательных аппаратов авиационной и ракетно-космической техники, а также в качестве двигателя газореактивного электрогенератора. Представленный импульсный детонационный двигатель решает проблему сокращения предетонационного расстояния топливно-воздушной или топливной смеси и повышения удельного импульса тяги.
Источники информации
1. Нечаев Ю.Н. Термодинамический анализ процесса пульсирующих детонационных двигателей. - М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2002.
2. Илларионов А.А., Нечаев Ю.Н. Оценка термодинамической эффективности и выбор оптимальных параметров ПуДД с наддувом // Проблемы создания перспективных авиационных двигателей: Сб. науч. тр. / Центральный институт авиационных моторов. - М., 2005.
3. Мохов А.А., Луковников А.В. Математическое моделирование расчета параметров силовых установок с пульсирующими детонационными двигателями в системе «Летательный аппарат - силовая установка» // Актуальные проблемы российской космонавтики: Тр. XXXI акад. чтений по космонавтике. Москва, январь-февраль 2007 г. / Под. общ. ред. А.К. Медведевой. - М.: Комиссия РАН.
4. Патент РФ №2282044, 22.11.2004 г.
5. Фудживара Т. Исследования импульсных детонационных двигателей в Японии / Импульсные детонационные двигатели/ Под ред. д.ф. - м.н. Фролова С.М. - М.: ТОРУС ПРЕСС, 2006.