RU2042577C1

RU2042577C1 - Method of creating thrust of hypersonic flying vehicle in cruising atmosphere flight conditions

Info

Publication number: RU2042577C1
Application number: RU9393010568A
Authority: RU
Inventors: В.Л. Фрайштадт; В.Н. Исаков; А.В. Корабельников; Е.Г. Шейкин; В.В. Кучинский
Original assignee: Государственное научно-исследовательское предприятие гиперзвуковых систем
Priority date: 1993-03-01
Filing date: 1993-03-01
Publication date: 1995-08-27

Abstract

FIELD: aeronautical and space engineering. SUBSTANCE: method of creating thrust of hypersonic flying vehicle in cruising atmosphere flight conditions is based on mixing part of hydrocarbon fuel with water, heating this mixture to t= 300-400 C and decomposition of it by catalyst accompanied by forming of methane-containing products which are than heated to t> 400 C and are subjected to decomposition by catalyst accompanied by forming of hydrogen-containing mixture to which remaining hydrocarbon fuel is added before burning in combustion chamber; before burning the fuel in the combustion chamber, air flow is ionized and is acted on by magnetic field. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к авиационно-космической технике, в частности к способу создания тяги гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА) в крейсерском атмосферном режиме полета. The invention relates to aerospace engineering, in particular, to a method for creating thrust of a hypersonic aircraft (GLA) in cruising atmospheric flight mode.

Известен способ создания тяги ГЛА, основанный на использовании энергетического потенциала водородного топлива [1]
Однако тепловая защита летательного аппарата (ЛА) при конвективном охлаждении теплонапряженных участков его конструкции невозможна, так как использование жидкого водорода в качестве теплоносителя из-за возникновения в области контакта криогенного теплоносителя (20К) с охлаждаемой конструкцией (4 ˙ 10³К) аномальных термических напряжений приводит к разрушению охлаждаемого объекта.A known method of creating thrust GLA, based on the use of the energy potential of hydrogen fuel [1]
However, thermal protection of an aircraft (LA) during convective cooling of heat-stressed sections of its structure is impossible, since the use of liquid hydrogen as a coolant due to the occurrence of abnormal thermal stresses in the contact area of a cryogenic coolant (20K) with a cooled structure (4 ˙ 10 ³ K) leads to the destruction of the cooled object.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, заключающийся в том, что в процессе крейсерского атмосферного гиперзвукового полета исходное УВТ и воду смешивают, подогревают и затем подвергают при высокой температуре в присутствии паров воды термокаталитическому превращению в водородсодержащую топливную смесь [2] Термокаталитическое превращение (паровая конверсия углеводородов) обеспечивается за счет тепла, поступающего от нагревающихся в полете частей конструкции ЛА, и характеризуется большим эн- дотермическим эффектом (≈ 10000 кДж/кг) и получением свободного водорода (≈ 70 об.). Интенсивность отвода тепла от нагреваемой поверхности за счет эндотермических процессов зависит от величины теплового эффекта реакции и ее скорости, температурного диапазона протекания процесса, эффективной теплопроводности слоя катализатора. Closest to the proposed method is that in the process of cruising atmospheric hypersonic flight, the initial shock wave and water are mixed, heated and then subjected to high temperature in the presence of water vapor thermocatalytic conversion to a hydrogen-containing fuel mixture [2] Thermocatalytic conversion (steam conversion of hydrocarbons ) is provided due to the heat coming from the parts of the aircraft structure that are heated during flight, and is characterized by a large endothermic effect (≈ 10000 kD w / kg) and obtaining free hydrogen (≈ 70 vol.). The intensity of heat removal from the heated surface due to endothermic processes depends on the magnitude of the thermal effect of the reaction and its speed, the temperature range of the process, and the effective thermal conductivity of the catalyst layer.

Однако при высокотемпературном разложении УВТ происходит существенное зауглероживание катализатора после нескольких часов полета. Рабочий ресурс при этом составляет единицы часов гиперзвукового полета. However, with the high-temperature decomposition of the shock-wave equipment, a significant carbonization of the catalyst occurs after several hours of flight. The working resource in this case is units of hours of hypersonic flight.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение высокоэффективной топливной смеси со свободным водородом за счет каталитического разложения исходного УВТ при одновременном активном охлаждении ГЛА, а также увеличение ресурса ГЛА. The problem to which the invention is directed, is to obtain a highly efficient fuel mixture with free hydrogen due to the catalytic decomposition of the initial shock wave while active cooling of the HVA, as well as increasing the life of the HVA.

Это достигается тем, что способ создания тяги ГЛА в крейсерском атмосферном режиме полета основан на смешивании части УВТ с водой, нагреве полученной смеси до температуры 300-400^оС, разложении ее на низкотемпературном катализаторе с образованием метансодержащих продуктов, которые затем нагревают до температуры 400^оС и разлагают на высокотемпературном катализаторе с образованием водородсодержащей смеси, в которую перед сжиганием в камере сгорания добавляют оставшееся УВТ, при этом воздушный поток перед сжиганием в камере сгорания ионизируют и воздействуют на него магнитным полем.This is achieved by the fact that the method of creating a GLA thrust in cruising atmospheric flight mode is based on mixing part of the shock wave with water, heating the resulting mixture to a temperature of 300-400 ^о С, decomposing it on a low-temperature catalyst with the formation of methane-containing products, which are then heated to a temperature of 400 ^о C and decompose on a high-temperature catalyst with the formation of a hydrogen-containing mixture into which the remaining UHT is added before burning in the combustion chamber, while the air flow before burning in the combustion chamber ionizes ruyut and act on it by a magnetic field.

Реализация способа позволяет ассимилировать часть кинетической энергии обтекающего гиперзвукового воздушного потока и преобразовать ее в используемую на борту ГЛА химическую энергию, обеспечивая тем самым одновременное активное охлаждение ГЛА и получение высокоэффективной топливной смеси со свободным водородом. Для обеспечения оптимального режима горения полученной в полете топливовоздушной смеси на ионизированный воздушный поток воздействуют магнитным полем. The implementation of the method allows you to assimilate part of the kinetic energy of the flowing hypersonic air stream and convert it into the chemical energy used on board the GLA, thereby ensuring the simultaneous active cooling of the GLA and obtaining a highly efficient fuel mixture with free hydrogen. To ensure the optimal combustion mode obtained in flight of the air-fuel mixture, the ionized air flow is exposed to a magnetic field.

Реализация крейсерского гиперзвукового атмосферного полета основана на принципе активного энергетического взаимодействия ЛА с гиперзвуковым воздушным потоком. Тепло от аэродинамического нагрева планера используется в химических реакторах для паровой конверсии УВТ. При этом обеспечиваются получение оптимального вещественного состава топливной смеси и эффективное охлаждение теплонапряженных частей конструкции. Происходит это следующим образом. Часть исходного УВТ и воды разлагают в условиях низкотемпературного нагрева в присутствии катализатора. При этом жидкие углеводороды разлагаются (газифицируются), например, на высокоактивном никель-хромовом катализаторе. The implementation of cruising hypersonic atmospheric flight is based on the principle of active energy interaction of an aircraft with hypersonic air flow. Heat from aerodynamic heating of the airframe is used in chemical reactors for steam conversion of UVT. This ensures the optimal material composition of the fuel mixture and efficient cooling of the heat-stressed parts of the structure. It happens as follows. Part of the initial UHT and water are decomposed under conditions of low-temperature heating in the presence of a catalyst. In this case, liquid hydrocarbons decompose (gasify), for example, on a highly active nickel-chromium catalyst.

Образуется газовая смесь из метана, менее склонного к зауглероживанию катализатора, диоксида углерода и небольшого количества водорода, тормозящего образование углерода. Кроме того, при низкотемпературном нагреве сжигаются вредные примеси. Затем полученную метансодержащую газовую смесь подвергают высокотемпературному эндотермическому разло- жению. Продукты разложения смешивают с исходным УВТ, получается высокоэффективное топливо, обогащенное свободным водородом. A gas mixture is formed of methane, which is less prone to carbonization of the catalyst, carbon dioxide and a small amount of hydrogen that inhibits the formation of carbon. In addition, during low-temperature heating, harmful impurities are burned. Then, the resulting methane-containing gas mixture is subjected to high-temperature endothermic decomposition. Decomposition products are mixed with the initial UHT; a highly efficient fuel enriched with free hydrogen is obtained.

Для обеспечения оптимального режима горения (полноты сгорания) топливовоздушную смесь сжигают в воздушном потоке, который предварительно ионизируют и затормаживают, воздействуя на него магнитным полем в воздухозаборнике двигателя. To ensure the optimal combustion mode (completeness of combustion), the air-fuel mixture is burned in the air stream, which is pre-ionized and braked by acting on it with a magnetic field in the engine air intake.

При торможении ионизированного воздушного потока кинетическая энергия пот ока преобразуется в электрическую. Объемное торможение магнитным полем позволяет создать регулируемый по скорости воздушный поток. When the ionized air stream is inhibited, the kinetic energy is converted into electrical energy. Volumetric magnetic field braking allows you to create a speed-controlled air flow.

Магнитогазодинамическое ускорение потока продуктов сгорания в сопле двигателя увеличивает его кинетическую энергию и обеспечивает разгон ГЛА в полете до первой космической скорости. Magnetogasdynamic acceleration of the flow of combustion products in the nozzle of the engine increases its kinetic energy and ensures acceleration of the UAV in flight to the first space velocity.

Эффективное охлаждение теплонапряженных частей конструкции ГЛА до температур 850-1000^оС при крейсерском атмосферном полете осуществляется за счет того, что тепло от аэродинамического нагрева, "впускаемое" внутрь конструкции, расходуется на проведение термохимических реакций.Effective cooling of the heat-stressed parts of the GLA design to temperatures of 850-1000 ^о С during cruising atmospheric flight is carried out due to the fact that heat from aerodynamic heating, which is "let in" into the structure, is spent on conducting thermochemical reactions.

На чертеже показана схема реализации способа. The drawing shows a diagram of the implementation of the method.

Топливные баки 1 и 2 с водой УВТ соответственно через систему 3 подачи топлива соединены с низкотемпературным химическим реактором 4, который связан с высокотемпературным химическим реактором 5. Система 6 смешения связана с баком 2 с УВТ и с высокотемпературным химическим реактором 5. Система 6 смешения соединяется с камерой 7 сгорания двигателя. Двигатель снабжен магнитогазодинамическим (МГД) генератором 8. The fuel tanks 1 and 2 with UVT water, respectively, are connected through a fuel supply system 3 to a low-temperature chemical reactor 4, which is connected to a high-temperature chemical reactor 5. The mixing system 6 is connected to a tank 2 with a UVT and to a high-temperature chemical reactor 5. The mixing system 6 is connected to the combustion chamber 7 of the engine. The engine is equipped with a magnetogasdynamic (MHD) generator 8.

Смесь УВТ и воды из баков 1 и 2 поступает в систему 3, а оттуда в низкотемпературный реактор 4 с катализатором, расположенный в тех частях обшивки планера, где смесь нагревается, испаряется и перегревается до температуры 300-400^оС. Затем перегретый пар конвертируется при указанной температуре практически в автоматическом режиме с образованием смеси, основным компонентом которой является метан (70-80 об.). Низкотемпературный реактор 4 выполняется в виде отдельного блока, который может быть легко заменен после полета в случае закоксованности катализатора. Образовавшаяся газовая смесь подается в высокотемпературный реактор 5, расположенный в теплонапряженных частях планера и двигателя. Продукты реакции, смешиваясь в системе 6 смешения с исходным топливом из бака 2, поступают в камеру 7 сгорания двигателя. Двигатель ГЛА снабжен устройством для ионизации воздуха в набегающем потоке и системами его магнитогазодинамического торможения и ускорения (МГД-генератор 8). На входе двигателя в воздухозаборнике МГД-генератор 8 осуществляет торможение ионизированного воздушного потока, и его кинетическая энергия преобразуется в электрическую. Это обеспечивает оптимальный режим горения топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя.The mixture was UHT and water from tanks 1 and 2 into the system 3, and then to the low-temperature reactor with catalyst 4 disposed in those parts of the airframe skin, wherein the mixture is heated, evaporated and superheated to a temperature of 300-400 ^C. The superheated steam is then converted with the specified temperature in almost automatic mode with the formation of a mixture, the main component of which is methane (70-80 vol.). The low-temperature reactor 4 is made in the form of a separate unit, which can be easily replaced after flight in case of catalyst coking. The resulting gas mixture is fed into a high-temperature reactor 5 located in the heat-stressed parts of the airframe and engine. The reaction products, mixed in the mixing system 6 with the original fuel from the tank 2, enter the combustion chamber 7 of the engine. The GLA engine is equipped with a device for ionizing air in the oncoming flow and its magnetogasdynamic braking and acceleration systems (MHD generator 8). At the engine inlet in the air intake, the MHD generator 8 brakes the ionized air flow, and its kinetic energy is converted into electrical energy. This ensures the optimal combustion mode of the air-fuel mixture in the engine combustion chamber.

На выходе двигателя МГД-генератор 8 ускоряет поток продуктов сгорания и тем самым увеличивает его кинетическую энергию, обеспечивая разгон ГЛА до первой космической скорости. At the engine output, the MHD generator 8 accelerates the flow of combustion products and thereby increases its kinetic energy, providing acceleration of the GLA to the first space velocity.

Способ создания тяги ГЛА в крейсерском атмосферном режиме полета позволяет обеспечить полет со скоростями, выше 10000 км/ч, на высоте 30-60 тыс. м при максимальной дальности полета около 20000 км. The way to create GLA thrust in cruising atmospheric flight mode allows for flight at speeds above 10,000 km / h at an altitude of 30-60 thousand m with a maximum flight range of about 20,000 km.

Claims

1. A method of creating thrust of a hypersonic aircraft (GLA) in cruising atmospheric flight mode, based on a mixture of hydrocarbon fuel (UVT) and water, heating the mixture using heat from aerodynamic heating of the structural elements of the GLA and decomposing in the presence of a catalyst to produce a hydrogen-containing mixture and subsequent combustion it in the air stream in the combustion chamber, characterized in that for mixing with water a portion of the UHT is selected, the resulting mixture is additionally heated to 300-400 ^o C and decomposed on the catalyst with the formation of methane-containing products, and the hydrogen-containing mixture is obtained by decomposing the methane-containing decomposition products on the catalyst after heating them to a temperature of> 400 ^o С, while the remaining UHT is added to the resulting hydrogen-containing mixture before burning in the combustion chamber.

2. The method according to p. 1, characterized in that the air flow before combustion in the combustion chamber is ionized and exposed to it by a magnetic field.