ПУЛЬСИРУЮЩИЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к конструкциям пульсирующих ракетных двигателей твердого топлива.
Известен пульсирующий ракетный двигатель твердого топлива, содержащий устройство инициирования детонации, соединенное с топливным зарядом, выполненным из чередующихся слоев топлива из вещества с высокой детонационной способностью, толщина которых больше его критической толщины детонациии, и вещества с низкой детонационной способностью, толщина которых меньше его критической толщины детонациии, но достаточна, чтобы воспрепятствовать передаче детонации от предыдущего слоя с высокой детонационной способностью последующему слою с высокой детонационной способностью (описание изобретения к патенту РФ №2200243, МПК F02K 9/12 (2006.01), опубл. 10.03.2003).
Двигатель снабжен устройством поочередного инициирования детонации в слоях топлива из вещества с высокой детонационной способностью. Устройство инициирования детонации состоит из искровых капсюлей-детонаторов, которые установлены не непосредственно на детонирующие слои, а на язычки из этого вещества, которые направлены от слоя вперед на некоторое расстояние и отделены от заряда инертной перегородкой, генератора электрического напряжения порядка нескольких кВ и системы проводов от генератора высокого напряжения к микрокапсюлям-детонаторам. Все микрокапсюли-детонаторы за исключением установленного на последний детонирующий слой заблокированы. После взрыва этого последнего микрокапсюля-детонатора разблокируется следующий микрокапсюль-детонатор и т.д.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является пульсирующий ракетный двигатель твердого топлива, содержащий корпус, устройство инициирования детонации, соединенное с топливным зарядом, выполненным из чередующихся слоев топлива из вещества с высокой детонационной способностью, толщина которых больше его критической толщины детонациии, и вещества с низкой детонационной способностью, толщина которых меньше его критической толщины детонациии, но достаточна, чтобы воспрепятствовать передаче детонации от предыдущего слоя с высокой детонационной способностью последующему слою с высокой детонационной способностью (описание патента РФ на изобретение №2491440, МПК F02K 9/12 (2006.01), опубл. 27.08.2013).
Двигатель снабжен устройством поочередного инициирования детонации в слоях топлива из вещества с высокой детонационной способностью. Устройство инициирования детонации заключается в том, что каждые два соседних слоя из вещества с высокой детонационной способностью соединены «ныряющим» столбиком, проходящим сквозь слой из вещества с низкой детонационной способностью, расположенным между двумя слоями из вещества с высокой детонационной способностью. Столбики расположены по периферии слоев. Каждые два последовательных столбика расположены диаметрально противоположно друг другу и, кроме того, каждый последующий столбик смещен по окружности на угол φ=360°/n, где - число пар слоев с низкой и высокой детонационной способностью в заряде. Такое «вращение» точек инициирования слоев из вещества с высокой детонационной способностью позволяет получить гашение составляющих импульсов, перпендикулярных оси двигателя, от каждого слоя. То есть, вектор суммарного импульса двигателя будет направлен вдоль оси двигателя.
Недостатками известных устройств является сложная конструкция двигателя за счет сложной конструкции устройства поочередного инициирования детонации в слоях топлива из вещества с высокой детонационной способностью.
Техническим результатом является упрощение конструкции двигателя.
Технический результат достигается тем, что в пульсирующем ракетном двигателе твердого топлива, содержащем корпус, устройство инициирования детонации, соединенное с топливным зарядом, выполненным из чередующихся слоев топлива из вещества с высокой детонационной способностью, толщина которых больше его критической толщины детонациии, и вещества с низкой детонационной способностью, толщина которых меньше его критической толщины детонациии, но достаточна, чтобы воспрепятствовать передаче детонации от предыдущего слоя с высокой детонационной способностью последующему слою с высокой детонационной способностью, в отличие от известного, корпус выполнен в виде коаксиально расположенных внутренней и внешней стенок с образованием между ними кольцевой полости, в которой по спирали расположены слои топлива, при этом устройство инициирования детонации выполнено в виде единичного инициатора, а внутренняя стенка корпуса выполнена из выгорающего материала.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, на которых изображены:
фиг. 1 - схема пульсирующего ракетного двигателя твердого топлива;
фиг. 2 - распределение скорости по длине цикловых масс газа.
Пульсирующий ракетный двигатель твердого топлива (фиг. 1) состоит из корпуса 1, топливного заряда 2 и устройства 3 инициирования детонации.
1
2
Топливный заряд выполнен из чередующихся тонких слоев топлива 4 и 5. Слои 4 топлива выполнены из вещества с высокой детонационной способностью. Толщина этих слоев значительно больше критической толщины детонации вещества, из которого они выполнены. Слои 5 топлива выполнены из вещества с низкой (невысокой) детонационной способностью. Высокой детонационной способностью обладают бризантные взрывчатые вещества (ВВ), входящие во вторую группу ВВ, в которые для получения заданной скорости детонации добавляются, например, инертные примеси. Низкой детонационной способностью обладают взрывчатые вещества (ВВ) третьей, четвертой групп (Ф.А. Баум, Л.И. Орленко, К.П. Станюкович и др. Физика взрыва. М: «Наука». 1975. Стр. 14-17). Толщина их меньше критической толщины детонации вещества, из которого они выполнены, но достаточна, чтобы воспрепятствовать передаче детонации от предыдущего слоя 4 с высокой детонационной способностью последующему слою 4 с высокой детонационной способностью. При этом слои 4 топлива с высокой детонационной способностью герметично разделены слоями 5 топлива из вещества с низкой детонационной способностью. Состав топлив, обеспечивающий высокий удельный импульс, определяется по результатам расчетно-экспериментальной отработки. Корпус выполнен в виде концентрично расположенных наружной 6 и внутренней 7 стенок, образующих кольцевую полость 8, в которой по спирали расположен топливный заряд. Угол а наклона спирали к оси двигателя определяется скоростями сгорания U и выброса газа U в месте горения для получения осевого выхода его из двигателя (W - скорость истечения на выходе).
Устройство 3 инициирования детонации в слоях топлива, выполненном в виде единичного инициатора, например, в виде капсюля-детонатора.
Внутренний корпус выполнен из выгорающего материала, например известного металлического сплава, типа Я1Т. Температура горения твердых топлив составляет более 3000 K, что значительно превышает жаростойкость известных металлических сплавов. Материал и толщина внутренней стенки корпуса окончательно определяются экспериментальным путем для получения заданной скорости выгорания.
1
2
Работа двигателя начинается с инициирования детонации в слое 4 топлива из вещества с высокой детонационной способностью, расположенном на заднем торце заряда. В результате детонации вещество слоя превращается в газы, которые разлетаются в направлении градиента, т.е. перпендикулярно поверхности торца заряда. При детонации первого слоя больше половины его потенциальной энергии переходит в кинетическую энергию разлета газов. Менее половины энергии расходуется на интенсивную пластическую деформацию слоев топлива, примыкающих к детонирующему слою, производя по ним интенсивный удар. Благодаря высокой скорости детонационного сгорания (более 2 км/с) продукты сгорания каждого последующего слоя взаимодействуют с продуктами сгорания предыдущего слоя с присоединением массы газа, обеспечивающим увеличением тяги, т.е. одна и та же масса газа создает тягу сначала как активная, а затем как присоединенная. При этом происходит преобразование кинетической энергии в импульс. Суть этого процесса была исследована в ОАО «НПО «Сатурн». На фиг. 1 показаны: U - окружная скорость сгорания, U - скорость выброса газа в месте сгорания и W - скорость истечения на выходе. На фиг. 2 показано типичное распределение скорости U по длине L цикловых масс газа. Здесь «хвост» отработанной цикловой массы газа имеет меньшую скорость чем фронт последующей активной, что и обеспечивает присоединение отработанной массы, повышающее тягу, обоснованное теоретически и экспериментально [Богданов В.И. Взаимодействие масс в рабочем процессе пульсирующих реактивных двигателей как средство повышения их тяговой эффективности // ИФЖ. 2006. Т. 79. №3. С. 85-90].
Присоединение массы для увеличения импульса организовано за счет непрерывного послойного сгорания топлива, уложенного по спирали. При этом для инициирования детонации достаточно одного инициатора, обеспечивающего поочередную детонацию слоев топлива. Т.о. сгорание идет по спирали, а истечение газа - по оси двигателя.