RU2200864C2 - Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к двигателям летательных аппаратов, в частности к двигателям небольших беспилотных летательных аппаратов. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель представляет собой открытый с обоих торцов канал и включает в себя последовательно расположенные воздухозаборник, тяговый узел с клапанной решеткой, несколько камер сгорания и сопло. Камеры сгорания (детонационные камеры), каждая со своим тяговым узлом, расположены параллельно друг другу в виде, например, пакета заданной формы или кольца. Камеры сгорания газодинамически связаны между собой посредством передатчиков детонации, напротив входных отверстий которых в камерах установлены отражатели ударной волны. В омываемой снаружи потоком воздуха стенке детонационной камеры имеется окно, закрытое изнутри подвижным элементом. Электрозапал системы зажигания размещен в инициаторе детонации, сообщающемся одним своим концом с первой по порядку срабатывания детонационной камерой. В пульсирующем воздушно-реактивном двигателе несущие элементы клапанной решетки тягового узла могут быть выполнены в виде плавно изогнутых в продольном направлении перегородок, разделяющих полость тягового узла на ряд криволинейных продольных каналов. Изобретение улучшает тяговые характеристики двигателя. 2 с. и 18 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к технике, преимущественно военной, а именно к двигателям летательных аппаратов, и может быть использовано, вероятнее всего, в качестве двигателя небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как зенитные, авиационные и тактические ракеты, беспилотные разведчики, летающие мишени и т. п. , а также в качестве сбрасываемых дополнительных двигателей.

Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель немецкой крылатой ракеты времен Второй мировой войны Фау-1 (см. Г.Б. Синярев, М.В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. - Оборонгиз, 1957, с.19, 20). Он представляет собой открытый с обоих торцов канал круглого поперечного сечения, включающий последовательно расположенные входной диффузор, клапанную решетку, камеру сгорания и выходное устройство, состоящее из конфузора и выхлопной трубы, а также систему топливоподачи и систему зажигания с электрозапалом, установленным в камере сгорания. В общем случае входное и выходное устройства двигателя могут иметь форму, отличную от прототипа, поэтому в дальнейшем будем называть их принятыми терминами воздухозаборник и сопло.

Клапанная решетка представляет собой конструкцию из несущих элементов - поперечных стержней, подвижных элементов - плоских упругих пластин постоянной толщины, прикрепленных к боковым граням стержней попарно параллельно друг другу на расстоянии, равном толщине стержня, и опорных проставок, размещенных посредине между парами пластин параллельно им. В каждой паре между пластинами имеется глухой зазор, обращенный назад. Пластины и проставки образуют продольные каналы для прохода воздуха.

Набегающий на двигатель поток проходит через воздухозаборник и клапанную решетку в камеру сгорания. Туда же подается легкоиспаряющееся топливо, после чего топливовоздушная смесь воспламеняется искрой электрозапала. Быстро расширяющиеся во все стороны продукты сгорания, попадая в глухой зазор между пластинами, тормозятся, в результате чего давление там возрастает. Это вызывает изгиб пластин в стороны до контакта с опорными проставками или боковыми стенками. Воздушные каналы клапанной решетки оказываются перекрытыми. Продукты сгорания истекают через сопло в атмосферу, а их давление на закрытую клапанную решетку создает импульс тяги двигателя.

После падения давления пластины клапанной решетки под действием своей упругости, а также разрежения, создаваемого в камере инерцией истекающих газов, возвращаются в исходное положение. В камеру поступает очередная порция воздуха и цикл повторяется.

Клапанная решетка служит основным, но не единственным элементом узла, создающего тягу пульсирующего двигателя и включающего также боковые стенки, детали крепления и др. Кроме того, функцию создания тяги в таком двигателе могут выполнять и другие устройства. Поэтому в дальнейшем будем пользоваться общим термином "тяговый узел" (как часть двигателя) и конкретным - клапанная решетка тягового узла.

Достоинствами пульсирующих двигателей являются простота и дешевизна, небольшой вес, надежность. Их недостаток - плохие тяговые характеристики, а именно низкая удельная и лобовая тяга, высокий удельный расход топлива, импульсный характер тяги.

Повысить удельную и лобовую тягу и снизить удельный расход топлива можно путем перехода с обычного турбулентного горения топливовоздушной смеси на детонационное горение. Его чрезвычайно высокая скорость резко увеличивает давление в камере сгорания (в дальнейшем - детонационной камере). Кроме того, детонационная волна сама разгоняет поток продуктов детонации до скорости около 1 км/с. Однако для реализации возможностей такого двигателя необходимо повысить быстродействие клапанной решетки тягового узла, так как скорость детонационной волны в несколько раз превосходит скорость волны давления в двигателе-прототипе. Импульсный характер тяги можно сгладить переходом на многокамерный двигатель с последовательно срабатывающими камерами.

Изобретение направлено на улучшение тяговых характеристик пульсирующих двигателей. Поставленная техническая задача решается за счет перехода на детонационный режим горения и соответствующих изменений конструкции двигателя и его тягового узла. С этой целью известный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, представляющий собой открытый с обоих торцов канал и включающий последовательно расположенные воздухозаборник, тяговый узел с клапанной решеткой, камеру сгорания и сопло, а также систему топливоподачи и систему зажигания с электрозапалом, установленным в камере сгорания, содержит несколько камер сгорания (детонационных камер) со своим тяговым узлом каждая, расположенных параллельно друг другу в виде, например, пакета заданной формы или кольца и газодинамически связанных между собой посредством передатчиков детонации, напротив входных отверстий которых в камерах установлены отражатели ударной волны, причем в омываемой снаружи потоком воздуха стенке камеры имеется окно, закрытое изнутри подвижным элементом, закрепленным вдоль передней кромки окна, а электрозапал системы зажигания размещен в инициаторе детонации, сообщающимся одним своим концом с первой по порядку срабатывания детонационной камерой. Камеры могут быть связаны между собой передатчиками детонации последовательно в незамкнутую цепочку, в этом случае инициатор детонации сообщается одним своим концом с первой камерой, а другим концом - с атмосферой или соплом.

В то же время детонационные камеры могут быть связаны между собой передатчиками детонации последовательно в замкнутую цепочку. Возможно также, что по меньшей мере часть детонационных камер связана передатчиками детонации с другими камерами параллельно. Притом двигатель может содержать по меньшей мере две газодинамически разобщенные группы камер, каждая из которых снабжена собственным инициатором детонации и внутри нее камеры сообщаются между собой. Возможен также двигатель, содержащий только одну детонационную камеру с воздухозаборником, тяговым узлом, соплом, инициатором детонации, системой топливоподачи и системой зажигания с электрозапалом, установленным в инициаторе детонации. Кроме того, воздухозаборник и (или)сопло могут быть общими для всего двигателя или отдельных групп камер. К тому же детонационные камеры, воздухозаборники, тяговые узлы и сопла или, по меньшей мере, часть из них могут быть некруглыми в поперечном сечении. Причем детонационные камеры могут иметь по меньшей мере одну общую стенку друг с другом или с передатчиком детонации. Помимо этого, установленные в детонационных камерах отражатели ударной волны выполнены, например, в виде обтекаемого профиля или участка стенки камеры, наклонного к ее продольной оси. При этом передатчики детонации представляют собой отверстие в общей стенке двух детонационных камер или соединяющий их короткий патрубок. В то же время передатчики детонации могут представлять собой канал малого по сравнению с камерами проходного сечения, расположенный вдоль детонационных камер, которые он соединяет. Кроме того, внутри инициатора и передатчиков детонации, по меньшей мере части из них, установлен ускоритель пламени, представляющий собой набор повторяющихся препятствий на пути пламени, например продольную спираль. И наоборот, внутри инициатора и передатчиков детонации, по меньшей мере части из них, может быть установлен замедлитель пламени, выполненный в виде набора продольных перегородок, например пластин или трубок, делящих канал инициатора или передатчика на несколько каналов меньшего проходного сечения. Более того, двигатель имеет систему автоматического регулирования, включающую устройства для изменения расхода топлива и площади проходных сечений воздухозаборника и сопла и для многократных выключении и включений подачи топлива в камеры или, по меньшей мере, часть из этих устройств.

Кроме того, в тяговом узле двигателя подвижные элементы клапанной решетки, например упругие пластины, закреплены на несущих элементах попарно рядом друг с другом и изогнуты в продольном сечении таким образом, что расстояние между ними увеличивается в направлении от несущего элемента к свободной кромке пластин, т.е. навстречу ударной волне. При этом в качестве подвижных элементов клапанной решетки могут использоваться манжеты из материала с низким модулем упругости и высокой деформативностью, например резины. К тому же несущие элементы клапанной решетки могут быть выполнены в виде плавно изогнутых в продольном направлении перегородок, например волнообразных или винтовых, разделяющих полость тягового узла на ряд криволинейных продольных каналов, причем в перегородках имеются окна, закрытые со стороны набегающего потока воздуха подвижными элементами, например гибкими пластинами, закрепленными вдоль передней кромки окон и изогнутыми по форме перегородок. Важно, что тяговый узел может включать по меньшей мере две клапанные решетки, расположенные последовательно, причем эти решетки могут иметь разную конструкцию.

Многокамерность двигателя позволяет устранить интервалы между последовательными импульсами тяги и даже обеспечить частичное перекрытие импульсов. Благодаря этому возрастает средняя величина тяги, уменьшается амплитуда ее пульсаций и увеличивается их частота, т.е. сглаживается диаграмма тяги.

Возможность выбора формы поперечного сечения двигателя позволяет наилучшим образом адаптировать его к любой компоновке летательного аппарата, включать в силовую схему аппарата и даже использовать в качестве крыла или корпуса.

Газодинамическая связь между камерами, осуществляемая посредством передатчиков детонации, обеспечивает срабатывание всех камер от одного разряда электрозапала, а также задает последовательность и частоту срабатывания камер. Размещение электрозапала не в камере, а в инициаторе детонации позволяет осуществлять непрямое инициирование детонации и тем самым многократно снизить расход энергии и вес агрегатов системы инициирования.

Установка в детонационных камерах отражателей ударной волны, выходящей из передатчиков и инициатора детонации, облегчает возбуждение детонации в камере, т.к. давление в отраженной волне гораздо выше, чем в падающей.

Окна в омываемых снаружи потоком воздуха стенках детонационных камер обеспечивают дополнительный приток воздуха в камеры в момент прохождения по ним волны разрежения, сменяющей детонационную волну. Благодаря этому сокращается время продувки камеры и уменьшается импульс противотяги, создаваемый воздействием волны разрежения на закрытую клапанную решетку.

Последовательное соединение камер передатчиками детонации в незамкнутую цепочку может оказаться целесообразным при необходимости располагать камеры в один ряд при очень большом числе камер в двигателе и в некоторых других случаях. Соединение камер в замкнутую цепочку обеспечивает возможность непрерывной работы двигателя после единственного разряда электрозапала. Это сводит к минимуму вес системы зажигания.

Применение параллельной газодинамической связи между камерами дает возможность собирать двигатели различной тяги из одних и тех же детонационных камер, а также изменять тягу двигателя в полете путем отключения или включения параллельно подсоединенных камер.

Наличие нескольких независимо работающих групп камер позволяет максимально сгладить диаграмму тяги двигателя за счет небольшого фазового сдвига в работе этих групп, а также расширить возможные пределы регулирования величины тяги двигателя в полете. Использование одиночной детонационной камеры может оказаться целесообразным, например, при создании двигателя с малой осредненной по времени тягой на базе уже отработанной камеры.

Использование воздухозаборника и сопла, общих для всего двигателя или для групп камер, уменьшает вес конструкции двигателя и упрощает решение проблемы изменения площади воздухозаборника и сопла в полете с целью регулирования тяги двигателя.

Некруглая в поперечном сечении форма камеры, тягового узла и других составных частей двигателя облегчает придание двигателю требуемой формы, позволяет уменьшить его вес за счет совмещения конструктивных элементов, уменьшает площадь лобового сечения двигателя и тем самым увеличивает его лобовую тягу.

Наличие у детонационных камер общих стенок друг с другом и с передатчиками детонации уменьшает вес и увеличивает жесткость конструкции двигателя.

Обтекаемость отражателя ударной волны и его выполнение в виде участка стенки камеры позволяют уменьшить объем вихревых зон за отражателем и его аэродинамическое сопротивление.

Передатчики детонации в виде отверстий или коротких патрубков обеспечивают практически мгновенную передачу детонационного импульса, благодаря чему пульсации тяги двигателя полностью сглаживаются. Однако непрерывная работа такого двигателя возможна только при очень большом числе камер, порядка ста и более. Поэтому в большинстве случаев предпочтительны передатчики детонации в виде протяженных каналов, расположенных вдоль камер. Обеспечиваемая ими задержка передачи детонационного импульса сокращает минимально необходимое число камер в двигателе более чем на порядок.

Размещенные в передатчиках детонации ускорители пламени уменьшают предетонационный период и длину предетонационного участка, а замедлители пламени - наоборот, увеличивают их. Это позволяет варьировать частоту импульсов тяги и число камер в двигателе, а также существенно сгладить диаграмму тяги двигателя.

Наличие в системе автоматического регулирования устройств для изменения площади проходных сечений воздухозаборника и сопла позволяет обеспечить многорежимность двигателя без ухудшения его экономичности. Полнее всего эта задача решается путем согласованного изменения расходов топлива и воздуха. Однако диапазон регулирования при этом ограничен. Возможность периодических отключений части камер или выключений всего двигателя существенно расширяет этот диапазон.

Эффективность тягового узла зависит в первую очередь от быстродействия клапанной решетки. Изогнутые и расходящиеся навстречу ударной волне подвижные элементы раньше начинают испытывать силовое воздействие ударной волны, чем применяемые в прототипе плоские пластины, расположенные перпендикулярно волне. И главное, это воздействие оказывается более сильным благодаря мгновенному срыву потока с отогнутых кромок пластин и смещению газодинамического фокуса пластин к этим кромкам. В результате сокращается время перекрытия каналов клапанной решетки, а значит, уменьшается прорыв газов через решетку и обусловленные им потери тяги. К тому же при обратном движении пластин, особенно на конечном его этапе, воздействие потока воздуха на изогнутые пластины оказывается более сильным, чем на плоские. Благодаря этому сокращается время существования волны разрежения в камере и уменьшается создаваемый ею импульс противотяги, а также ускоряется процесс продувки камеры.

Манжеты из материала с низким модулем упругости и высокой деформативностью, например, резины, в отличие от гибких металлических пластин, допускают одновременную деформацию как в продольном, так и в поперечном направлениях, а потому могут крепиться к криволинейным несущим элементам, например кольцевым рамкам.

Клапанная решетка в виде плавно изогнутых перегородок с окнами имеет то преимущество, что ее подвижные элементы - упругие пластины, манжеты или лепестки - не сужают проходное сечение каналов и не создают сопротивления потоку воздуха, т.к. в исходном положении плотно прижаты к перегородкам и повторяют их форму. Наибольший эффект может быть достигнут при эквидистантном взаимном расположении перегородок.

Наличие двух или более клапанных решеток, расположенных последовательно, т. е. двух- или многоступенчатый тяговый узел, значительно уменьшает прорыв горячих газов через тяговый узел вперед, снижая тем самым потери тяги двигателя. Использование на разных ступенях такого узла решеток и подвижных элементов различной конструкции позволяет повысить его эффективность за счет оптимального сочетания их свойств - быстродействия, прочности и обтекаемости.

Изобретение поясняется чертежами, где схематически изображены:
на фиг.1 - двигатель с последовательным соединением детонационных камер в незамкнутую цепочку (фрагмент);
на фиг.2 - последовательное соединение камер в замкнутую цепочку (вид с торца);
на фиг.3 - последовательно-параллельное соединение камер в замкнутую цепочку (фрагмент), цифрами в кружках обозначена последовательность срабатывания камер;
на фиг. 4 - вариант двигателя с некруглыми камерами и передатчиками детонации, имеющими общие стенки;
на фиг.5 - отрезок детонационной камеры с входом передатчика детонации: а) при обособленном передатчике, б) при наличии общей стенки;
на фиг. 6 а, б - примеры конфигураций клапанных решеток первого типа (с несущими элементами в виде стержней или рамок) и их подвижных элементов;
на фиг. 7 - двухступенчатый тяговый узел с разными типами клапанных решеток и их подвижных элементов.

Короткими стрелками обозначено направление движения воздушного потока, длинной стрелкой - направление передачи детонации, контурной стрелкой - направление движения детонационной волны. Пунктиром показано положение подвижных элементов при их максимальном отклонении.

Чертежи имеют следующие цифровые обозначения:
1 - детонационная камера;
2 - тяговый узел;
3 - воздухозаборник;
4 - сопло;
5 - топливная форсунка;
6 - отражатель ударной волны;
7 - инициатор детонации;
8 - электрозапал системы зажигания;
9 - передатчик детонации;
10 - лепесток;
11 - опорная решетка;
12 - ускоритель пламени;
13 - замедлитель пламени;
14 - несущий элемент клапанной решетки, выполненный в виде стержня;
15 - упругая пластина;
16 - гибкая манжета;
17 - опорная проставка;
18 - несущий элемент клапанной решетки, выполненный в виде изогнутой перегородки;
19 - пластины опорно-профилирующей решетки.

Двигатель состоит из повторяющихся блоков (фиг.1), каждый из которых включает детонационную камеру 1, тяговый узел 2, воздухозаборник 3, сопло 4, форсунку системы топливоподачи 5 и отражатель ударной волны 6. Воздухозаборник и сопло могут быть общими для группы таких блоков. Кроме того, в состав двигателя входят инициатор детонации 7 с электрозапалом системы зажигания 8 и передатчики детонации 9.

Детонационная камера 1 служит для преобразования химической энергии топливовоздушной смеси (ТВС) в тепловую, потенциальную (давление) и кинетическую энергию продуктов детонации. Число камер в двигателе и их размеры определяются заданным осредненным значением тяги, допустимой амплитудой ее импульсов и желательной частотой их следования. Для возможности работы в квазинепрерывном режиме это число должно быть достаточным для того, чтобы за время срабатывания всей цепочки камер успевала происходить продувка и перезарядка первой из них.

Как правило, камеры параллельны друг другу, а их продольные оси прямолинейны. Но возможны и другие решения (фиг.5, 6). Взаимное расположение камер в поперечном сечении двигателя определяется, в основном, требованиями компоновки летательного аппарата и может быть самым разнообразным (фиг.1, 2, 3, 4). Формы поперечного сечения камер, тяговых узлов и передатчиков детонации также могут быть разнообразными. Благодаря этому они могут иметь общие стенки друг с другом (фиг.4) и даже использоваться в качестве конструктивных элементов летательного аппарата. Причем в одном двигателе могут применяться камеры и тяговые узлы разных конфигураций.

Внутренний поперечный размер детонационных камер должен быть не меньше минимально необходимого для осуществления детонации. Максимальный поперечный размер камер ограничивается только допустимой амплитудой импульсов тяги. Длина камер не может быть меньше необходимой для устойчивого формирования детонационных волн с параметрами, близкими к теоретическим. Максимальная длина камеры ограничивается допустимой амплитудой импульсов тяги и условием полной перезарядки камеры топливовоздушной смесью за время между двумя импульсами.

Топливная форсунка (форсунки) 5 (фиг.1) размещается в детонационной камере или тяговом узле, причем расстояние от нее до входного отверстия передатчика детонации должно быть достаточным для выравнивания состава ТВС по сечению камеры.

Отражатели ударной волны 6 (фиг. 1 и 5) предназначены для повышения давления в отраженной ударной волне по сравнению с выходящей из инициатора и передатчиков детонации детонационной волной. Форма, размеры и расположение отражателей определяются требованиями достаточной их эффективности при минимальном сопротивлении движению потока и наименьшем объеме вихревых зон за отражателями. Конструктивно отражатели могут быть выполнены в виде отдельного тела 6 (фиг.1 и 5а), или участка стенки камеры 6 (фиг.5б).

Продувочные окна (фиг.5а) не являются обязательной принадлежностью детонационных камер, но могут заметно улучшить характеристики двигателя. Они размещаются в передней части камеры по всему ее периметру или на некотором его участке, омываемом снаружи потоком воздуха. Изнутри окна закрыты упругой пластиной, манжетой или лепестком 10 (фиг.5а), способными отклоняться внутрь камеры при давлении в ней ниже наружного. В исходном положении они опираются на расположенную в окне опорную решетку 11 (фиг.5а).

Инициатор детонации 7 (фиг. 1, 2, 3) предназначен для генерирования вспомогательной детонационной волны, возбуждающей детонацию ТВС в первой по порядку срабатывания камере двигателя. Он представляет собой небольшой по сравнению с камерой канал, расположенный вдоль камер, содержащий электрозапал 8 системы зажигания и сообщающийся одним своим концом с первой детонационной камерой. Площадь поперечного сечения инициатора выбирается по условию формирования детонационной волны, достаточно мощной для возбуждения детонации в камере двигателя. Длина участка инициатора от электрозапала до входа в первую камеру должна быть достаточной для надежного перехода горения в детонацию и формирования полноценной детонационной волны. В то же время она ограничена требованием полной перезарядки инициатора за время между двумя срабатываниями первой камеры. С целью повышения надежности запуска двигателя каждая цепочка камер может быть снабжена двумя или более инициаторами.

Передатчики детонации 9 (фиг. 1-5) служат для передачи детонационного импульса от одной камеры к другой. Непосредственная мгновенная передача осуществляется с помощью передатчиков в виде отверстия, короткого патрубка или же системы отверстий или патрубков. Система предпочтительнее, т.к. при соударении нескольких ударных волн давление в них резко повышается.

Для передачи детонационного импульса с задержкой используются передатчики в виде протяженного канала (фиг.1). Размеры таких передатчиков определяются теми же требованиями, что для инициаторов детонации. Для предотвращения непосредственной передачи детонации и для ускорения перезарядки передатчика его вход в предыдущую камеру может выполняться направленным по движению волны и щелевым, как показано на фиг.1. С целью повышения надежности работы двигателя каждая пара последовательно срабатывающих камер может быть связана между собой не одним, а двумя или тремя передатчиками детонации. При этом возможен отказ от применения отражателей ударной волны.

Ускорители 12 и замедлители 13 пламени размещаются в передатчиках детонации вблизи их входа в предыдущую камеру. Ускоритель представляет собой спиральную пружину, набор шайб, завихрителей или других повторяющихся препятствий. Замедлитель может быть выполнен в виде вставленных в передатчик продольных пластин или трубок или в виде разветвления передатчика на несколько каналов меньшего сечения. Желательно, чтобы конструкция ускорителей и замедлителей пламени позволяла изменять их геометрические характеристики в процессе заводской настройки двигателя.

Способы и устройства для регулирования расхода топлива, многократных выключений и включений его подачи и для изменения площади проходных сечений воздухозаборника и сопла известны и здесь не рассматриваются.

В клапанной решетке первого типа, с несущими элементами в виде стержней 14 (фиг. 6), форма этих стержней зависит от формы тягового узла. Они могут быть прямыми и параллельными или непараллельными друг другу (фиг.6а), изогнутыми в форме рамок - круглых (фиг.6б), квадратных и др. Этим определяется выбор типа подвижных элементов - пластины 15(фиг.6а), разрезные пластины или манжеты 16 (фиг.6б). Разрезные или наборные пластины состоят из отдельных полосок, плоских в поперечном направлении. Такие пластины, как и манжеты из резиноподобного материала, сохраняют способность к продольному изгибу при их креплении к криволинейным несущим элементам.

Расположение элементов клапанной решетки в продольном направлении может быть различным: плоским (фиг. 6б), пилообразным (фиг.6а), или ступенчатым (фиг. 7). Пилообразное и ступенчатое расположение позволяют шире развести свободные кромки пластин или увеличить просветы между ними.

Чем шире разведены свободные кромки пластин навстречу ударной волне и чем меньше просветы между пластинами соседних пар, тем выше быстродействие решетки. С другой стороны, тем больше сопротивление решетки и объем вихревых зон за пластинами и тем меньше допустимая, по условию безволнового обтекания пластин, скорость потока в детонационной камере. Поэтому выбор степени сужения канала и числа пар пластин определяется требованиями к двигателю и качествами подвижных элементов.

Некоторые из возможных форм подвижных элементов показаны на фиг.6. Для минимизации момента инерции, а значит, повышения быстродействия, подвижные элементы могут иметь уменьшающуюся по длине толщину. Манжеты из резиноподобного материала могут армироваться высокопрочными нитями.

В клапанных решетках второго типа, где несущими элементами служат изогнутые перегородки 18 с окнами (фиг.7), размещение перегородок в продольном направлении может быть плоским или ступенчатым. Эквидистантное ступенчатое размещение перегородок (фиг.7) позволяет получить почти постоянную по длине площадь поперечного сечения каналов. Формы поперечных сечений перегородок также могут быть различными: параллельные или радиальные прямые, концентрические окружности и др. При радиальном расположении перегородки образуют винтовые поверхности.

Окна расположены на участках перегородок, повернутых относительно продольной плоскости тягового узла, и закрыты подвижными элементами со стороны натекания воздушного потока на перегородку. Чем больше угол поворота перегородок, тем выше быстродействие клапанной решетки. Однако при этом возрастает неравномерность поля скоростей потока за решеткой вплоть до образования отрывных зон, вследствие чего увеличивается ее сопротивление и вероятность возникновения скачков уплотнения.

В качестве подвижных элементов решетки наряду с пластинами и манжетами могут использоваться тонкие лепестки 10 (фиг.7) из материала типа ткани или фольги, опирающиеся в обоих крайних положениях на опорно-профилирующие решетки 19.

В показанном на фиг.7 двухступенчатом тяговом узле на задней (первой для ударной волны) ступени применена решетка первого типа - с несущими элементами в виде стержней, а на передней ступени - решетка второго типа, с несущими элементами в виде перегородок 18. При этом в решетке первого типа использованы упругие пластины 15 с небольшим разводом свободных кромок, а в решетке второго типа - лепестки 10.

При запуске двигателя скорость воздушного потока на входе в него должна быть достаточной для равномерного заполнения детонационных камер, инициатора и передатчиков детонации топливовоздушной смесью. Срабатывание электрозапала вызывает воспламенение ТВС в инициаторе. Горение быстро переходит в детонацию. На выходе из инициатора детонационная волна, отразившись от отражателя, генерирует мощную ударную волну, возбуждающую детонацию ТВС в камере. Проходя по камере со скоростью около 2 км/с, детонационная волна сжигает горючую смесь, повышает давление до 2...3 МПа и разгоняет продукты детонации до скорости, близкой к 1 км/с. Под действием волны подача топлива прекращается, а элементы клапанной решетки перекрывают воздушные каналы, препятствуя истечению продуктов детонации вперед и преобразуя их давление и скоростной напор в импульс тяги двигателя. Продукты детонации истекают через сопло, давление в камере падает и упругие пластины клапанной решетки под действием своей упругости начинают обратное движение. Вследствие инерции столба газов давление в камере опускается ниже атмосферного. Отрицательный перепад давлений ускоряет движение подвижных элементов клапанной решетки и вызывает открытие продувочного окна в стенке камеры. Начинается поступление новой порции воздуха и топлива в камеру.

Остающиеся в камере горячие газы могут вызвать преждевременное воспламенение вновь поступающей ТВС. Поэтому желательна предварительная продувка камеры воздухом. Необходимая для этого кратковременная задержка подачи топлива может быть обеспечена конструкцией форсунки и топливной магистрали в сочетании с выбором давления подачи топлива.

При прохождении детонационной волны мимо отверстия, сообщающего камеру с передатчиком детонации, горячие газы воспламеняют содержащуюся в передатчике ТВС. Ее горение переходит в детонацию и процесс повторяется в следующей камере. Затем в следующей, и так - до последней камеры в цепочке.

Квазинепрерывная работа двигателя возможна при условии, что к моменту срабатывания последней камеры первая камера заполнена ТВС дальше заднего из отверстий, сообщающих ее с передатчиком детонации, и завершилось заполнение смесью обоих сообщающихся с ней передатчиков. При выполнении этих условий в двигателе с замкнутой цепочкой камер процесс продолжается автоматически. В незамкнутой цепочке камер необходимы повторные срабатывания электрозапала. Если же названные условия не выполнены, то работа двигателя прекращается. Ее возобновление возможно после паузы, достаточной для выполнения этих условий.

Возможный эффект от установки в передатчиках детонации ускорителей и замедлителей пламени иллюстрируется показанной на фиг.3 очередностью срабатывания камер. При соответствующем подборе характеристик ускорителей и замедлителей камеры n и 2 срабатывают в интервале между 1 и 3; камеры 4 и 5 - в интервале между 3 и 6 и т.д. Диаграмма тяги равномерно сглаживается.

Бесперебойная и эффективная работа детонационного двигателя возможна лишь в узком диапазоне соотношений топливо/воздух и при условии, что это соотношение одинаково по всему сечению детонационных камер. При изменении скорости и высоты полета расход воздуха через двигатель меняется. Соответственно этому необходимо изменять расход топлива. Но при этом тяга двигателя тоже будет меняться. Для поддержания постоянной тяги система автоматического регулирования должна согласованно изменять расходы топлива и воздуха. Однако для выдерживания заданной скорости полета достаточно регулировать только расход топлива в соответствии с текущим расходом воздуха и при этом периодически выключать-включать часть камер или весь двигатель. Его приемистость позволяет делать это с частотой до десятков Гц.

Claims (20)

1. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, представляющий собой открытый с обоих торцов канал и включающий последовательно расположенные воздухозаборник, тяговый узел с клапанной решеткой, камеру сгорания и сопло, а также систему топливоподачи и систему зажигания с электрозапалом, отличающийся тем, что он содержит несколько камер сгорания (детонационных камер) со своим тяговым узлом каждая, расположенных параллельно друг другу в виде, например, пакета заданной формы или кольца и газодинамически связанных между собой посредством передатчиков детонации, напротив входных отверстий которых в камерах установлены отражатели ударной волны, причем в омываемой снаружи потоком воздуха стенке детонационной камеры имеется окно, закрытое изнутри подвижным элементом, закрепленным вдоль передней кромки окна, а электрозапал системы зажигания размещен в инициаторе детонации, сообщающемся одним своим концом с первой по порядку срабатывания детонационной камерой.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что детонационные камеры связаны между собой передатчиками детонации последовательно в незамкнутую цепочку, а инициатор детонации сообщается одним своим концом с первой камерой, другим же - с атмосферой или соплом.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что детонационные камеры связаны между собой передатчиками детонации последовательно в замкнутую цепочку.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере часть детонационных камер связана передатчиками детонации с другими камерами параллельно.

5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере две газодинамически разобщенные группы детонационных камер, причем каждая группа снабжена собственным инициатором детонации и внутри нее камеры сообщаются между собой.

6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит одну детонационную камеру с воздухозаборником, тяговым узлом, соплом, инициатором детонации, системой топливоподачи и системой зажигания с электрозапалом, установленным в инициаторе детонации.

7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что воздухозаборник и(или) сопло являются общими для всего двигателя или отдельных групп камер.

8. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что детонационные камеры, воздухозаборники, тяговые узлы и сопла или, по меньшей мере, часть из них имеют некруглую в поперечном сечении форму.

9. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что детонационные камеры имеют по меньшей мере одну общую стенку друг с другом или с передатчиком детонации.

10. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что установленные внутри детонационных камер отражатели ударной волны выполнены, например, в виде обтекаемого профиля или участка стенки камеры, наклонного к ее продольной оси.

11. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что передатчики детонации представляют собой отверстие в общей стенке двух детонационных камер или соединяющий их короткий патрубок.

12. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что передатчики детонации представляют собой канал малого по сравнению с камерами проходного сечения, расположенный вдоль детонационных камер, которые он соединяет.

13. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутри инициатора и(или) передатчиков детонации, по меньшей мере части из них, установлен ускоритель пламени, представляющий собой набор повторяющихся препятствий на пути пламени, например, продольную спираль.

14. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутри инициатора и(или) передатчиков детонации, по меньшей мере части из них, установлен замедлитель пламени, выполненный в виде набора продольных перегородок, например пластин или трубок, делящих канал инициатора или передатчика на несколько каналов меньшего проходного сечения.

15. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что его система автоматического регулирования включает устройства для изменения расхода топлива и площади проходных сечений воздухозаборника и(или) сопла и для многократных выключений и включений подачи топлива в камеры или, по меньшей мере, часть из этих устройств.

16. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что подвижные элементы клапанной решетки, например упругие пластины, закреплены на несущих элементах попарно рядом друг с другом и изогнуты в продольном сечении таким образом, что расстояние между ними увеличивается в направлении от несущего элемента к свободной кромке пластин, т. е. навстречу ударной волне.

17. Двигатель по пп. 1 и 16, отличающийся тем, что в качестве подвижных элементов клапанной решетки используются манжеты из материала с низким модулем упругости и высокой деформативностью, например резины.

18. Двигатель по пп. 1 и 16, отличающийся тем, что его тяговый узел включает по меньшей мере две клапанные решетки, расположенные последовательно, причем эти решетки могут иметь разную конструкцию.

19. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, представляющий собой открытый с обоих торцов канал и включающий последовательно расположенные воздухозаборник, тяговый узел с клапанной решеткой, камеру сгорания и сопло, а также систему топливоподачи и систему зажигания с электрозапалом, отличающийся тем, что несущие элементы клапанной решетки выполнены в виде плавно изогнутых в продольном направлении перегородок, например волнообразных или винтовых, разделяющих полость тягового узла на ряд криволинейных продольных каналов, причем в перегородках имеются окна, закрытые со стороны набегающего воздушного потока подвижными элементами, например гибкими пластинами, закрепленными вдоль передней кромки окон и изогнутыми по форме перегородок.

20. Двигатель по п. 19, отличающийся тем, что его тяговый узел включает по меньшей мере две клапанные решетки, расположенные последовательно, причем эти решетки могут иметь разную конструкцию.

Images