Беспилотный летательный аппарат на водороде

Изобретение относится к авиационной технике, преимущественно к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА). Предлагаемый БПЛА содержит обтекаемый корпус, воздухозаборник, соединенный воздуховодом с камерой смешения и горения водорода с кислородом воздуха. Камера оканчивается соплом с центральным телом. Бортовой генератор водорода содержит замкнутую емкость с пластинами активированного алюминия (1/2 объема) и реакционным раствором (РР). Генератор водорода соединен с емкостью ресивера РР, оснащенного насосом подачи РР в генератор. На выходе ресивер снабжен трубопроводом подачи водорода в распределительную камеру и оттуда через блок форсунок в камеру смешения и горения с кислородом воздуха. Полученная в камере смесь сжимается в области критического сечения сопла, имеющего центральное тело. Технический результат направлен на повышение конструктивного совершенства и надежности БПЛА. 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к авиационной технике, когда нет необходимости для выполнения диверсионной или разведовательной задачи рисковать жизнью боевого летчика. И действительно, лучше пожертвовать БПЛА - беспилотным летательным аппаратом, чем жизнью квалифицированного летчика, который незаменим для выполнения более сложных боевых задач.

Технический результат - выполнение боевой и разведовательной задачи при сохранении жизни квалифицированного летного состава. Это своего рода авиационный робот пока для выполнения диверсионной и разведовательной деятельности.

Наиболее близким к данному изобретению является гиперзвуковая летающая лаборатория "Холод". Это гиперзвуковой ПВРД (прямоточно-воздушнореактивный) БПЛА, в котором в качестве топлива использовался криогенный (жидкий) водород. В экспериментах по отработке данного БПЛА принимали непосредственное участие ученые Казахского Государственного университета и Национального центра радиоэлектроники и связи. Три из пяти экспериментов проведены при непосредственном участии и частичном финансировании национальных научных центров Франции и США (NASA). Получено время работы 77 сек при сохранении работоспособности камеры сгорания после выключения двигателя.

Недостатком приведенного прототипа является прежде всего сложность в эксплуатации БПЛА на жидком водороде: получение в полевых условиях жидкого водорода из газообразного даже при помощи спецтехники или его доставка к месту использования, хранение, заправка, утечки, дороговизна, соблюдение строжайшей техники безопасности.

Известен также аналог заявленного изобретения РФ №2432301, где предлагается вместо жидкого водорода хранить газообразный водород в графитовых нанотрубках. Авторы ошибочно называют нанотрубки генератором водорода. Он там не генерируется, а хранится после того, как его получили одним из известных способов и закачали под давлением в 100 атм, как закачивают в баллоны сжатого газа. Чтобы добиться теоретической закачки в графитовые нанотрубки в 6,5% нужно еще водород охладить до температуры 77К, т.е. это очень дорогой и затратный процесс. К тому же работа с нанотрубками приводит к раковым заболеваниям.

Чтобы избежать всех перечисленных сложностей, изложенных в прототипе и аналоге, нами предлагается бак с жидким водородом и емкость с графитовыми нанотрубками заменить на бортовой газогенератор по патенту РФ №2253606 от 10.06.2005 г. (см. фиг. 1).

Техническая сущность предложенного летательного аппарата на водороде заключается в том, что на входе в аэродинамически обтекаемом корпусе беспилотного летательного аппарата установлен воздухозаборник, который соединен воздуховодом с камерой смешения и сгорания. Воздуховод обтекает корпус центрального тела (сжимающий конус), внутри которого установлен газогенератор водорода. Генератор водорода представляет собой замкнутую емкость, в половине объема которой расположены пластины активированного алюминия, вторая половина объема заполнена реакционным раствором, который циркулирует меду пластинами. Состав активированного алюминия представляет сплав, в который можно добавлять как дорогие добавки: индий и галлий и процент их может быть от 3 до 30% в зависимости от мощности генератора водорода, так и дешевый сплав всего с 4-8% меди. Также и размер реакционных пластин зависит от требуемой мощности. В самом же реакционном растворе с водой может использоваться любой щелочной металл в концентрации в зависимости от мощности генератора. Генератор водорода соединен замкнутым трубопроводом с ресивером реакционного раствора, оснащенного регулируемым насосом подачи раствора в генератор водорода. Регулируемый насос по трубопроводу осуществляет регулируемую подачу реакционного раствора в генератор водорода, за счет чего происходит регулируемая выработка водорода. Из генератора водорода водород по трубопроводу вместе с непрореагировавшимся раствором и окисью алюминия поступает в ресивер-сепаратор, где за счет разности плотностей водорода и непрореагирующего полностью реакционного раствора и суспензии окиси алюминия, происходит сепарация, т.е. отделение водорода от сопутствующей смеси. Отсепарированный водород собирается в верхней части ресивера и оттуда по трубопроводу, расположенному в верхней части ресивера, поступает в распределительную камеру и оттуда в блок форсунок подачи водорода в камеру смешения и горения.

Для большей полноты сгорания водорода с кислородом воздуха в камере сгорания установлен стабилизатор горения, а также для достижения нужного давления в камере сгорания на выходе из камеры сгорания в критическом сечении сопла установлено обтекаемое перемещающееся центральное тело для поджатая критического сечения сопла.

Возможность практической реализации предлагаемого решения была сделана на основе экспериментальных работ, проведенных в 2019 году, на действующей модели газогенератора водорода для выставки «Архимед 2019», изготовленной по схеме фиг. 1, сама действующая модель представлена на фиг. 2.

Принципиальная схема беспилотного летательного аппарата на водороде показана на фиг. 3, в состав которого входят следующие конструктивные элементы:

1 - воздухозаборник,

2 - корпус БПЛА совмещен с корпусом ПВРД,

3- сжимающий воздушный поток конус с полой емкостью для газогенератора,

4 - газогенератор водорода,

5 - распределительная камера подачи водорода с форсунками,

6 - камера смешения и горения

7 - стабилизатор горения,

8 - тяговое сопло с центральным телом для регулировки критического сечения сопла.

Работа предлагаемого ПВРД вместе с газогенератором водорода осуществляется следующим образом. В носовую часть ПВРД через воздухозаборник 1 поступает кислород воздуха, проходит по кольцевому зазору между внутренней стенкой корпуса ПВРД 2 и корпусом полой емкости 3 и направляется в зону подачи водорода для сгорания с кислородом воздуха, т.е. в камеру смешения и сгорания 6. Водород из газогенератора 4 через ресивер направляется в систему подачи водорода 5 и из нее в зону смешения и горения водорода с кислородом воздуха, т.е. камеру сгорания 6, используя стабилизатор горения 7. Продукты сгорания, проходя через сопло 8, создают тягу для полета БПЛА.

Возможность достижения положительного эффекта в летательных беспилотных аппаратах, оснащенных газогенераторными установками для извлечения из воды водорода для последующего его использования в качестве компонента топлива для ПВРД, основана на экспериментах, которые проводились с водородогенерирующими сплавами активированного алюминия, разработанными в ИМАШ РАН. (см. Таблицу 1 и график на фиг. 4).

Примечание к таблице

Сплавы испытаны в растворе NaOH различной концентрации в основном в растворе 0,1 Н и при температуре 15С.Результаты испытаний представлены графически на фиг. 4.

Газопроизводительность по водороду для различных А 1-ых сплавов в растворе 0,1 Н NaOH. Экспериментальные кривые 1-5 соответствуют сплавам, приведенным в таблице №1. Кривая 1-0,05 соответствует сплаву №1, испытанному в растворе 0,05Н NaOH, 8 - сплав Д16, 6 - стружка А1 марки АД00, 7 - листовой электротехнический А1, 9 - А1 ЧДА в гранулах, испытанный в диапазоне температур 15- 50 град. С.Результат по образцу №6 на графике не приводится, чтобы не загромождать соседние кривые - он проходит ровно между результатами образцов №1 и №5.

Устройство беспилотного летательного аппарата на водороде, содержащее аэродинамический обтекаемый корпус, воздухозаборник, который соединен воздуховодом с камерой смешения и горения водорода с кислородом воздуха, имеющей выход в тяговое сопло, отличающееся тем, что для получения на борту водорода используется генератор водорода, представляющий собой замкнутую емкость, заполненную по объему наполовину пластинами активированного алюминия и наполовину реакционным раствором, причем генератор водорода соединен замкнутым трубопроводом с емкостью ресивера реакционного раствора, оснащенного регулируемым насосом подачи раствора в газогенератор водорода, при этом на выходе ресивер реакционного раствора снабжен вторым трубопроводом подачи водорода в распределительную камеру подачи водорода и оттуда через блок форсунок в камеру смешения и горения с кислородом воздуха и сжатия полученной смеси за счет критического сечении сопла с центральным телом до необходимого давления.