Гиперзвуковой пульсирующий детонационный двигатель и способ его функционирования

Гиперзвуковой пульсирующий детонационный двигатель содержит корпус, воздухозаборник, полузамкнутую детонационную камеру сгорания, сопловой аппарат, топливную систему и систему управления. Воздухозаборник выполнен кольцевым. Центральным телом является корпус с топливным баком, теплообменником и активной теплозащитой. Полузамкнутая детонационная камера сгорания сформирована торцевой стенкой центрального тела и внутренней стенкой соплового аппарата. Канал воздухозаборника соединен с полузамкнутой детонационной камерой сгорания регулируемым кольцевым щелевым соплом. Способ функционирования гиперзвукового пульсирующего детонационного двигателя заключается в подготовке топливной смеси, подаче ее в полузамкнутую детонационную камеру сгорания, осуществлении детонации топливной смеси в пульсирующем режиме и получении тяги. Приготовленную топливную смесь с коэффициентом избытка кислорода менее 0,1 подают в полузамкнутую детонационную камеру сгорания через торцевую перфорированную стенку. Топливную смесь с коэффициентом избытка кислорода более 0,85 подают в полузамкнутую детонационную камеру сгорания через регулируемое кольцевое щелевое сопло периодически в пульсирующем режиме и осуществляют процесс газовой детонации топливной смеси в диапазоне частот от 200 до 27000 герц. Изобретения снижают габариты и массу двигателя, улучшают технологичность конструкции, повышают надежность его работы на режимах гиперзвукового полета, а также повышают термический кпд и удельную тягу двигателя. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретения относятся к области машиностроения, преимущественно к силовым установкам, и могут быть использованы для получения тяги и обеспечения движения транспортных средств различного назначения.

Известен гиперзвуковой прямоточный двигатель (патент RU №2121070, МПК F02K 7/08, 27.10.1998), выполненный двухконтурным и содержащий внутренний дозвуковой и внешний сверхзвуковой контуры. Проточная часть сверхзвукового контура образована корпусами дозвукового и сверхзвукового контуров. Дозвуковой контур состоит из диффузора, коллекторов подачи топлива и воды и реактора, в котором углеводородное топливо предварительно подвергается реакции конверсии с выделением водорода, поступающего в сверхзвуковой контур.

Недостатком известного устройства является невысокая полнота сгорания углеводородного топлива.

Известен сверхзвуковой пульсирующий детонационный прямоточный воздушно-реактивный двигатель (СПДПД) и способ его функционирования (патент RU №2157909, МПК F02K 7/14, 20.10.2000). СПДПД содержит сверхзвуковой воздухозаборник, сверхзвуковую камеру смешения, сверхзвуковую камеру сгорания, сверхзвуковое сопло, устройство запуска двигателя и систему подачи топлива. Система подачи топлива содержит пилоны с соплами и клапаны изменения режима подачи топлива, связанные через систему управления подачей топлива с датчиками регистрации прохождения детонационными волнами заданных расстояний от входа и выхода камеры сгорания. Способ функционирования СПДПД заключается в том, что в момент запуска двигателя подают топливо и инициируют детонационную волну, а дальнейшую работу двигателя обеспечивают, последовательно-периодически изменяя подачу топлива, реализуя в камере сгорания богатую и бедную топливовоздушную смесь и вызывая изменения направления и скорости перемещения детонационной волны относительно камеры сгорания от ее выхода ко входу по богатой смеси и в обратном направлении по бедной смеси.

Недостатком известного устройства и способа его функционирования является неустойчивая работа СПДПД на режиме управления движением фронта детонационной волны достаточно инерционными клапанами регулирования подачи топлива.

Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемому гиперзвуковому пульсирующему детонационному двигателю и способу его функционирования являются принятые за прототип способ и устройство для получения тяги (патент RU №2296876, МПК F02K 7/04, 10.04.2007). Устройство содержит корпус, нагнетатель, газогенератор топливной смеси с элементами подачи и приготовления топливной смеси, полузамкнутую детонационную камеру сгорания, инициатор детонации и щелевое сопло. Газогенератор и полузамкнутая детонационная камера сгорания разделены перфорированной стенкой. Способ получения тяги основан на подготовке топливной смеси, подаче ее в полузамкнутую детонационную камеру сгорания и осуществлении детонации топливной смеси в пульсирующем режиме. При этом часть топливной смеси направляют в полузамкнутую детонационную камеру сгорания через перфорированную стенку полузамкнутой детонационной камеры сгорания, подают на перфорированную стенку электрический потенциал и осуществляют процесс высокочастотной газовой детонации топливной смеси.

Недостатком известного технического решения является низкая энергетическая эффективность пиролиза углеводородного топлива для надежного приготовления топливной смеси и обеспечения устойчивой высокочастотной газовой детонации топливной смеси в полузамкнутой детонационной камере сгорания в широком диапазоне частот.

Задачей заявляемых изобретений является создание эффективного и надежного гиперзвукового пульсирующего детонационного двигателя.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретений, заключается в повышении термического кпд, топливной эффективности, удельной тяги, надежности и снижении массы, а также обеспечении высокой степени интегрирования гиперзвукового пульсирующего детонационного двигателя с летательным аппаратом.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что согласно заявляемому изобретению, в предлагаемом гиперзвуковом пульсирующем детонационном двигателе, содержащем корпус, воздухозаборник, полузамкнутую детонационную камеру сгорания, сопловой аппарат, топливную систему и систему управления, воздухозаборник выполнен кольцевым, а его центральным телом является корпус с топливным баком, теплообменником и активной теплозащитой. Полузамкнутая детонационная камера сгорания сформирована торцевой стенкой центрального тела и внутренней стенкой соплового аппарата, а канал воздухозаборника соединен с полузамкнутой детонационной камерой сгорания регулируемым кольцевым щелевым соплом. При этом торцевая стенка центрального тела выполнена перфорированной с элементами подачи топливной смеси в полузамкнутую детонационную камеру сгорания. Кроме этого топливная система содержит устройство получения водорода из интерметаллического топлива в результате реакции взаимодействия его с водной средой, а в качестве интерметаллического топлива используют порошкообразный алюминий, микрокапсулированный водорастворимым полимерным покрытием.

В способе функционирования предлагаемого гиперзвукового пульсирующего детонационного двигателя, основанном на подготовке топливной смеси, подаче ее в полузамкнутую детонационную камеру сгорания, осуществлении детонации топливной смеси в пульсирующем режиме и получении тяги, приготовленную топливную смесь с коэффициентом избытка кислорода менее 0,1 подают в полузамкнутую детонационную камеру сгорания через торцевую перфорированную стенку, а топливную смесь с коэффициентом избытка кислорода более 0,85 подают в полузамкнутую детонационную камеру сгорания через кольцевое щелевое сопло периодически в пульсирующем режиме и осуществляют процесс газовой детонации топливной смеси в диапазоне частот от 200 до 27000 герц.

Схема предлагаемого гиперзвукового пульсирующего детонационного двигателя показана на чертеже.

Гиперзвуковой пульсирующий детонационный двигатель содержит корпус 1, воздухозаборник 2, полузамкнутую детонационную камеру сгорания 3, сопловой аппарат 4 и систему управления 5. Воздухозаборник 2 выполнен кольцевым, его центральным телом является корпус 1 с топливным баком 6, теплообменником 7 и активной теплозащитой 8. Полузамкнутая детонационная камера сгорания 3 сформирована внешней поверхностью торцевой стенки 9 и внутренней стенкой соплового аппарата 4, а канал воздухозаборника 2 соединен с полузамкнутой детонационной камерой сгорания 3 регулируемым кольцевым щелевым соплом 10. Торцевая стенка 9 выполнена перфорированной с элементами подачи топливной смеси 11. Топливная система гиперзвукового пульсирующего детонационного двигателя содержит устройство получения водорода 12 из интерметаллического топлива, в качестве которого используют порошкообразный алюминий, микрокапсулированный водорастворимым полимерным покрытием.

Описываемый гиперзвуковой пульсирующий детонационный двигатель функционирует следующим образом.

Набегающий высокоскоростной поток воздуха взаимодействует с центральным телом 1 воздухозаборника 2 с образованием ударного слоя между ударной волной и поверхностью тела. При обтекании центрального тела 1 с затупленным носком за отошедшей ударной волной скорость течения обычно дозвуковая, а температура воздуха вследствие торможения потока в ударной волне и пограничном слое оказывается высокой и вполне достаточной для инициирования детонации приготовленной топливной смеси. Приготовленную топливную смесь на основе водорода подают в полузамкнутую детонационную камеру сгорания 3 двумя потоками: в первом - топливную смесь с коэффициентом избытка кислорода менее 0,1 подают в полузамкнутую детонационную камеру сгорания 3 через торцевую перфорированную стенку 9, а во втором - с коэффициентом избытка кислорода более 0,85 подают в полузамкнутую детонационную камеру сгорания 3 через регулируемое кольцевое щелевое сопло 10 периодически в пульсирующем режиме и осуществляют процесс газовой детонации топливной смеси в диапазоне частот от 200 до 27000 герц. Топливная система с помощью устройства получения водорода 12 генерирует, по мере необходимости, водород в результате осуществления реакции взаимодействия высокоэнергетичного металлического топлива с водной средой. В частности, для получения водорода используют порошкообразный алюминий, микрокапсулированный водорастворимым полимерным покрытием, хранящийся в топливном баке 6. Теплообменник 7 и активную теплозащиту 8 используют для контроля температуры и повышения теплосодержания топливной смеси в процессе ее приготовления.

Полезность предлагаемых изобретений и положительный эффект от их использования заключаются в снижении габаритов и сухого веса гиперзвукового пульсирующего детонационного двигателя, технологичности конструкции, повышении надежности его работы на режимах гиперзвукового полета. Как показывает анализ результатов исследований, термический кпд может быть повышен до 0,65, а удельная тяга двигателя до 2900

1. Гиперзвуковой пульсирующий детонационный двигатель, содержащий корпус, воздухозаборник, полузамкнутую детонационную камеру сгорания, сопловой аппарат, топливную систему и систему управления, отличающийся тем, что воздухозаборник выполнен кольцевым, а его центральным телом является корпус с топливным баком, теплообменником и активной теплозащитой, полузамкнутая детонационная камера сгорания сформирована торцевой стенкой центрального тела и внутренней стенкой соплового аппарата, причем канал воздухозаборника соединен с полузамкнутой детонационной камерой сгорания регулируемым кольцевым щелевым соплом.

2. Гиперзвуковой пульсирующий детонационный двигатель по п.1, отличающийся тем, что торцевая стенка центрального тела выполнена перфорированной с элементами подачи топливной смеси в полузамкнутую детонационную камеру сгорания.

3. Гиперзвуковой пульсирующий детонационный двигатель по п.2, отличающийся тем, что топливная система содержит устройство получения водорода из интерметаллического топлива в результате реакции взаимодействия его с водной средой.

4. Гиперзвуковой пульсирующий детонационный двигатель по п.3, отличающийся тем, что в качестве интерметаллического топлива используют порошкообразный алюминий.

5. Гиперзвуковой пульсирующий детонационный двигатель по п.4, отличающийся тем, что используют порошкообразный алюминий микрокапсулированный с водорастворимым полимерным покрытием.

6. Способ функционирования гиперзвукового пульсирующего детонационного двигателя, заключающийся в подготовке топливной смеси, подаче ее в полузамкнутую детонационную камеру сгорания, осуществлении детонации топливной смеси в пульсирующем режиме и получении тяги, отличающийся тем, что приготовленную топливную смесь с коэффициентом избытка кислорода менее 0,1 подают в полузамкнутую детонационную камеру сгорания через торцевую перфорированную стенку, а топливную смесь с коэффициентом избытка кислорода более 0,85 подают в полузамкнутую детонационную камеру сгорания через регулируемое кольцевое щелевое сопло периодически в пульсирующем режиме и осуществляют процесс газовой детонации топливной смеси в диапазоне частот от 200 до 27000 Гц.