Impulsni motori za zrakoplove. Matvejev Nikolaj Ivanovič

Krajem siječnja pojavila su se izvješća o novim uspjesima ruske znanosti i tehnologije. Iz službenih izvora postalo je poznato da je jedan od domaćih projekata perspektivnog mlaznog motora detonacijskog tipa već prošao fazu testiranja. Time se približava trenutak potpunog završetka svih potrebnih radova, zbog čega će ruske svemirske ili vojne rakete moći dobiti nove elektrane s poboljšanim karakteristikama. Štoviše, novi principi rada motora mogu naći primjenu ne samo u području raketa, već iu drugim područjima.

Krajem siječnja zamjenik premijera Dmitrij Rogozin ispričao je domaćem tisku o najnovijim uspjesima istraživačkih organizacija. Među ostalim temama dotaknuo se procesa stvaranja mlaznih motora na novim principima rada. Obećavajući motor s detonacijskim izgaranjem već je doveden na testiranje. Prema potpredsjedniku Vlade, korištenje novih principa rada elektrane omogućuje značajno povećanje performansi. U usporedbi s tradicionalnim arhitektonskim projektima, uočeno je povećanje prianjanja od oko 30%.

Shema detonacijskog raketnog motora

Suvremeni raketni motori raznih klasa i tipova, koji se koriste u raznim područjima, koriste tzv. izobarni ciklus ili deflagracijsko izgaranje. Njihove komore za izgaranje održavaju konstantan tlak, pri čemu gorivo sporo izgara. Motor koji se temelji na principima deflagracije ne zahtijeva posebno jake jedinice, ali je ograničen u maksimalnim performansama. Povećanje osnovnih karakteristika, počevši od određene razine, pokazalo se nerazumno teškim.

Alternativa motoru s izobarnim ciklusom u kontekstu poboljšanja performansi je sustav s tzv. detonacijsko izgaranje. U ovom slučaju, reakcija oksidacije goriva događa se iza udarnog vala koji se velikom brzinom kreće kroz komoru za izgaranje. To postavlja posebne zahtjeve na dizajn motora, ali nudi i očite prednosti. Sa stajališta učinkovitosti izgaranja goriva, detonacijsko izgaranje je 25% bolje od deflagracijskog izgaranja. Također se razlikuje od izgaranja s konstantnim tlakom u povećanoj snazi ​​oslobađanja topline po jedinici površine reakcijske fronte. U teoriji je moguće povećati ovaj parametar za tri do četiri reda veličine. Kao rezultat, brzina reaktivnih plinova može se povećati za 20-25 puta.

Dakle, detonacijski motor, karakteriziran povećanim koeficijentom korisna radnja, može razviti veći potisak uz manju potrošnju goriva. Njegove prednosti u odnosu na tradicionalne dizajne su očite, ali donedavno je napredak u ovom području ostavljao mnogo za željeti. Načela detonacijskog mlaznog motora formulirao je još 1940. godine sovjetski fizičar Ya.B. Zeldovich, ali gotovi proizvodi ove vrste još nisu pušteni u upotrebu. Glavni razlozi za izostanak stvarnog uspjeha su problemi sa stvaranjem dovoljno jake strukture, kao i poteškoće s lansiranjem i naknadnim održavanjem udarnog vala pri korištenju postojećih goriva.

Jedan od najnovijih domaćih projekata u području detonacije raketni motori započeo je 2014. godine i razvija se u NPO Energomash nazvanom po. Akademik V.P. Gluško. Prema dostupnim podacima, cilj projekta pod šifrom “Ifrit” bio je proučavanje osnovnih principa nove tehnologije s naknadnom izradom tekućeg raketnog motora na kerozin i plinoviti kisik. Novi motor, nazvan po demonima vatre iz arapskog folklora, temeljio se na principu spin detonacijskog izgaranja. Dakle, u skladu s osnovnom idejom projekta, udarni val trebao bi se kontinuirano kretati u krug unutar komore za izgaranje.

Glavni programer novog projekta bio je NPO Energomash, odnosno poseban laboratorij stvoren na njegovoj osnovi. Osim toga, nekoliko drugih istraživačkih i projektantskih organizacija bilo je uključeno u rad. Program je dobio potporu Zaklade za napredne studije. Zajedničkim naporima svi sudionici projekta Ifrit uspjeli su formulirati optimalan izgled perspektivnog motora, kao i izraditi model komore za izgaranje s novim principima rada.

Za proučavanje perspektivnosti cjelokupnog smjera i novih ideja, tzv model detonacijske komore za izgaranje koja zadovoljava zahtjeve projekta. Takav eksperimentalni motor smanjene konfiguracije trebao je kao gorivo koristiti tekući kerozin. Kao oksidacijsko sredstvo predložen je plinoviti kisik. U kolovozu 2016. počelo je testiranje prototipa kamere. Važno je da je po prvi put projekt ove vrste uspio doći do faze bench testa. Prethodno su razvijeni domaći i strani detonacijski raketni motori, ali nisu testirani.

Tijekom testiranja uzorka modela bilo je moguće dobiti vrlo zanimljive rezultate koji pokazuju ispravnost korištenih pristupa. Tako je korištenjem pravih materijala i tehnologije bilo moguće povećati tlak unutar komore za izgaranje na 40 atmosfera. Potisak eksperimentalnog proizvoda dosegao je 2 tone.

Modelna komora na ispitnom stolu

U okviru projekta Ifrit postignuti su određeni rezultati, no domaći detonacijski motor na tekuće gorivo još je daleko od pune praktične primjene. Prije uvođenja takve opreme u nove tehnološke projekte, dizajneri i znanstvenici morat će riješiti niz najozbiljnijih problema. Tek nakon toga će raketno-svemirska industrija ili obrambena industrija moći početi realizirati potencijal nove tehnologije u praksi.

Sredinom siječnja Rossiyskaya Gazeta objavila je intervju s glavnim dizajnerom NPO Energomash Pyotrom Levochkinom, čija je tema bila trenutno stanje stvari i izgledi za detonacijske motore. Predstavnik razvojne tvrtke podsjetio je na glavne odredbe projekta i dotaknuo se teme postignutih uspjeha. Također, govorio je o mogućim područjima primjene Ifrita i sličnih struktura.

Na primjer, detonacijski motori mogu se koristiti u hipersoničnim letjelicama. P. Levochkin podsjetio je da motori koji se trenutno predlažu za korištenje u takvoj opremi koriste podzvučno izgaranje. Pri hipersoničnoj brzini letjelice, zrak koji ulazi u motor mora se usporiti na zvučni način rada. Međutim, energija kočenja mora dovesti do dodatnih toplinskih opterećenja na konstrukciju zrakoplova. Kod detonacijskih motora brzina izgaranja goriva doseže najmanje M=2,5. Zahvaljujući tome, postaje moguće povećati brzinu leta zrakoplova. Takav stroj s motorom detonacijskog tipa može ubrzati do brzina osam puta većih od brzine zvuka.

Međutim, stvarni izgledi za raketne motore detonacijskog tipa još nisu sjajni. Prema P. Levočkinu, "upravo smo otvorili vrata u područje detonacijskog izgaranja." Znanstvenici i dizajneri morat će proučiti mnoga pitanja, a tek nakon toga će biti moguće stvoriti dizajne s praktičnim potencijalom. Zbog toga će svemirska industrija još dugo morati koristiti tekuće motore tradicionalnog dizajna, što, međutim, ne negira mogućnost njihova daljnjeg poboljšanja.

Zanimljiva je činjenica da se detonacijski princip izgaranja koristi ne samo u području raketnih motora. Već postoji domaći projekt zrakoplovnog sustava s komorom za izgaranje detonacijskog tipa koja radi na pulsnom principu. Prototip ove vrste doveden je na testiranje, au budućnosti bi mogao potaknuti novi smjer. Novi motori s detonacijskim izgaranjem mogu naći primjenu u raznim područjima i djelomično zamijeniti plinskoturbinske ili turbomlazne motore tradicionalnih izvedbi.

Domaći projekt detonacijskog zrakoplovnog motora razvija se u Dizajnerskom birou nazvanom. prije podne kolijevke. Podaci o ovom projektu prvi put su predstavljeni na prošlogodišnjem međunarodnom vojno-tehničkom forumu Armija 2017. Na štandu razvojnog poduzeća bilo je materijala razni motori, serijski i u razvoju. Među potonjima bio je obećavajući detonacijski uzorak.

Suština novog prijedloga je korištenje nestandardne komore za izgaranje koja može izvesti pulsno detonacijsko izgaranje goriva u zračnoj atmosferi. U ovom slučaju, frekvencija "eksplozija" unutar motora trebala bi doseći 15-20 kHz. U budućnosti je moguće dodatno povećati ovaj parametar, zbog čega će buka motora izaći izvan raspona koji percipira ljudsko uho. Takve značajke motora mogu biti od određenog interesa.

Prvo lansiranje eksperimentalnog proizvoda "Ifrit"

Međutim, glavne prednosti nove elektrane povezane su s povećanjem performansi. Ispitivanja prototipa proizvoda pokazala su da su približno 30% bolji od tradicionalnih plinskoturbinskih motora u pogledu specifičnih performansi. U vrijeme prve javne demonstracije materijala na OKB motoru. prije podne Kolijevke su mogle biti prilično visoko karakteristike izvedbe. Eksperimentalni motor novog tipa mogao je raditi 10 minuta bez prekida. Ukupno vrijeme rada ovog proizvoda na postolju tada je premašilo 100 sati.

Predstavnici razvojne tvrtke naznačili su da je već moguće stvoriti novi detonacijski motor s potiskom od 2-2,5 tona, pogodan za ugradnju na lake letjelice ili bespilotne letjelice. U dizajnu takvog motora predlaže se korištenje tzv. rezonatorski uređaji odgovorni za pravi potez izgaranje goriva. Važna prednost novog projekta je temeljna mogućnost ugradnje takvih uređaja bilo gdje na trup zrakoplova.

Specijalisti OKB im. prije podne Cradles već više od tri desetljeća rade na zrakoplovnim motorima s pulsirajućim detonacijskim izgaranjem, ali do sada projekt nije izašao iz faze istraživanja i nema stvarne perspektive. Glavni razlog je nedostatak narudžbe i potrebnog financiranja. Ako projekt dobije potrebnu potporu, tada bi se u doglednoj budućnosti mogao stvoriti uzorak motora prikladan za korištenje na različitoj opremi.

Do danas su ruski znanstvenici i dizajneri uspjeli pokazati vrlo zapažene rezultate u području mlaznih motora koristeći nove principe rada. Postoji nekoliko projekata pogodnih za korištenje u raketnom, svemirskom i hipersoničnom području. Osim toga, novi se motori mogu koristiti u "tradicionalnom" zrakoplovstvu. Neki su projekti još uvijek u ranoj fazi i još nisu spremni za inspekcijske i druge radove, dok su u drugim područjima već postignuti najzapaženiji rezultati.

Istražujući temu mlaznih motora s detonacijskim izgaranjem, ruski su stručnjaci uspjeli izraditi model komore za izgaranje sa željenim karakteristikama. Eksperimentalni proizvod "Ifrit" već je prošao ispitivanja, tijekom kojih je prikupljena velika količina različitih informacija. Uz pomoć dobivenih podataka nastavit će se razvoj smjera.

Za ovladavanje novim smjerom i prevođenje ideja u praktično primjenjiv oblik trebat će dosta vremena, pa će iz tog razloga u dogledno vrijeme svemirske i vojne rakete u dogledno vrijeme biti opremljene samo tradicionalnim tekućim motorima. Međutim, rad je već izašao iz čisto teorijske faze, a sada svako probno lansiranje eksperimentalnog motora približava trenutak izgradnje punopravnih raketa s novim pogonskim postrojenjima.

Na temelju materijala sa stranica:
http://engine.space/
http://fpi.gov.ru/
https://rg.ru/
https://utro.ru/
http://tass.ru/
http://svpressa.ru/

1

Razmatra se problem razvoja impulsno detonacijskih motora. Navedeni su glavni znanstveni centri koji provode istraživanja motora nove generacije. Razmatraju se glavni pravci i trendovi u razvoju dizajna detonacijskih motora. Prikazane su glavne vrste takvih motora: pulsni, pulsni višecijevni, pulsni s visokofrekventnim rezonatorom. Prikazana je razlika u načinu generiranja potiska u odnosu na klasični mlazni motor opremljen Lavalovom mlaznicom. Opisuje se koncept vučnog zida i vučnog modula. Pokazalo se da se impulsni detonacijski motori usavršavaju u smjeru povećanja brzine ponavljanja impulsa, a taj smjer ima svoje pravo na život u području lakih i jeftinih bespilotnih letjelica, kao iu razvoju različitih ejektorskih potiska. pojačala. Prikazane su glavne poteškoće fundamentalne prirode u modeliranju detonacijskog turbulentnog toka pomoću računalnih paketa temeljenih na korištenju diferencijalnih modela turbulencije i usrednjavanja Navier–Stokesovih jednadžbi tijekom vremena.

detonacijski motor

pulsno detonacijski motor

1. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Povijest eksperimentalnih studija tlaka na dnu // Fundamentalna istraživanja. – 2011. – Broj 12 (3). – str. 670–674.

2. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Fluktuacije tlaka na dnu // Fundamentalna istraživanja. – 2012. – Broj 3. – Str. 204–207.

3. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V.. Osobitosti korištenja modela turbulencije pri proračunu protoka u nadzvučnim stazama naprednih motora za disanje zraka // Dvigatel. – 2012. – br. 1. – str. 20–23.

4. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Uskov V.N. O klasifikaciji režima strujanja u kanalu s naglim širenjem // Thermophysics and Aeromechanics. – 2012. – Broj 2. – Str. 209–222.

5. Bulat P.V., Prodan N.V. O niskofrekventnim fluktuacijama protoka tlaka na dnu // Fundamentalna istraživanja. – 2013. – Broj 4 (3). – str 545–549.

6. Larionov S.Yu., Nechaev Yu.N., Mokhov A.A. Istraživanje i analiza "hladnih" pročišćavanja vučnog modula visokofrekventnog pulsirajućeg detonacijskog motora // Vestnik MAI. – T.14. – Br. 4 – M.: Izdavačka kuća MAI-Print, 2007. – S. 36–42.

7. Tarasov A.I., Shchipakov V.A. Izgledi za korištenje pulsirajućih detonacijske tehnologije kod turbomlaznih motora. JSC NPO Saturn Znanstveno-tehnički centar nazvan po. A. Lyulki, Moskva, Rusija. Moskovski zrakoplovni institut (GTU). - Moskva, Rusija. ISSN 1727-7337. Zrakoplovna tehnika i tehnologija, 2011. – br. 9 (86).

Projekti detonacijskog izgaranja u Sjedinjenim Državama uključeni su u napredni program razvoja motora IHPTET. U suradnju su uključeni gotovo svi istraživački centri koji rade na području motorogradnje. Samo NASA godišnje u te svrhe izdvaja do 130 milijuna dolara. To dokazuje važnost istraživanja u ovom smjeru.

Prikaz rada u području detonacijskih motora

Tržišna strategija vodećih svjetskih proizvođača usmjerena je ne samo na razvoj novih mlaznih detonacijskih motora, već i na modernizaciju postojećih zamjenom njihove tradicionalne komore za izgaranje detonacijskom. Osim toga, detonacijski motori mogu postati sastavni element kombinirane instalacije raznih vrsta, na primjer, koje se koriste kao naknadno izgaranje turboventilatorskog motora, kao motori za podizanje ejektora u VTOL zrakoplovu (primjer na sl. 1 - Boeingov transportni VTOL projekt).

U SAD-u razvoj detonacijskih motora provode mnogi istraživački centri i sveučilišta: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Defence Research Establishments, Suffield i Valcartier, Uniyersite de Poitiers, Sveučilište Texas u Arlingtonu, Uniyersite de Poitiers, Sveučilište McGill, Sveučilište Pennsylvania State, Sveučilište Princeton.

Vodeće mjesto u razvoju detonacijskih motora zauzima specijalizirani centar Seattle Aerosciences Center (SAC) koji su 2001. kupili Pratt i Whitney od tvrtke Adroit Systems. Velik dio rada centra financiraju Zračne snage i NASA iz proračuna međuodjelskog Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology Program (IHPRPTP), usmjerenog na stvaranje novih tehnologija za različite vrste mlaznih motora.

Riža. 1. Patent US 6,793,174 B2 od Boeinga, 2004.

Ukupno su od 1992. godine stručnjaci centra SAC proveli više od 500 testova eksperimentalnih uzoraka. Rad na pulsnim detonacijskim motorima (PDE) s potrošnjom atmosferskog kisika provodi SAC centar u ime američke mornarice. S obzirom na složenost programa, stručnjaci mornarice uključili su u njegovu provedbu gotovo sve organizacije koje se bave detonacijskim motorima. Osim Pratta i Whitneya, u radu sudjeluju United Technologies Research Center (UTRC) i Boeing Phantom Works.

Trenutno, u našoj zemlji, sljedeća sveučilišta i instituti Ruske akademije znanosti (RAS) rade na ovom aktualnom problemu u teoretskom smislu: Institut za kemijsku fiziku RAS (ICP), Institut za strojarstvo RAS, Institut za visoke temperature RAS (IVTAN), Novosibirsk Institut za hidrodinamiku nazvan po. Lavrentiev (IGIL), Institut za teorijsku i primijenjenu mehaniku nazvan po. Khristianovich (ITMP), Fizičko-tehnički institut nazvan po. Ioffe, Moskovsko državno sveučilište (MSU), Moskovski državni institut za zrakoplovstvo (MAI), Državno sveučilište Novosibirsk, Državno sveučilište Čeboksari, Državno sveučilište Saratov itd.

Smjerovi rada na pulsno detonacijskim motorima

Smjer br. 1 - Klasični pulsno detonacijski motor (PDE). Komora za izgaranje tipičnog mlaznog motora sastoji se od mlaznica za miješanje goriva s oksidansom, uređaja za paljenje gorive smjese i same plamene cijevi u kojoj se odvijaju redoks reakcije (izgaranje). Plamena cijev završava mlaznicom. U pravilu je to Lavalova mlaznica koja ima sužavajući dio, minimalni kritični presjek u kojem je brzina produkata izgaranja jednaka lokalnoj brzini zvuka, ekspandirajući dio u kojem je statički tlak produkata izgaranja jednak smanjen na pritisak od okoliš, koliko je god moguće. Vrlo grubo se može procijeniti potisak motora kao kritična površina presjeka mlaznice pomnožena s razlikom tlaka u komori za izgaranje i okolini. Stoga, što je veći tlak u komori za izgaranje, to je veći potisak.

Potisak impulsnog detonacijskog motora određen je drugim čimbenicima - prijenosom impulsa detonacijskim valom na potisni zid. U ovom slučaju, mlaznica uopće nije potrebna. Pulsno detonacijski motori imaju svoju nišu - jeftine i jednokratne letjelice. U ovoj se niši uspješno razvijaju u smjeru povećanja brzine ponavljanja pulsa.

Klasičan izgled IDD-a je cilindrična komora za izgaranje, koja ima ravnu ili posebno profiliranu stijenku, nazvanu "potisna stijenka" (slika 2). Jednostavnost IDD uređaja njegova je neosporna prednost. Kao što pokazuje analiza dostupnih publikacija, unatoč raznolikosti predloženih IPD shema, sve ih karakterizira korištenje detonacijskih cijevi znatne duljine kao rezonantnih uređaja i uporaba ventila koji osiguravaju periodičnu opskrbu radnom tekućinom.

Treba napomenuti da IPD stvoreni na temelju tradicionalnih detonacijskih cijevi, unatoč visokoj termodinamičkoj učinkovitosti u jednoj pulsaciji, imaju nedostatke karakteristične za klasične pulsirajuće motore koji udišu zrak, a to su:

Niska frekvencija (do 10 Hz) pulsacija, što određuje relativno nisku razinu prosječne učinkovitosti vuče;

Visoka toplinska i vibracijska opterećenja.

Riža. 2. Shematski dijagram pulsno detonacijski motor (PDE)

Smjer br. 2 - Regulacija višecijevnog prometa. Glavni trend u razvoju IDD-a je prijelaz na shemu s više cijevi (slika 3). U takvim motorima radna frekvencija pojedine cijevi ostaje niska, ali izmjenom impulsa u različitim cijevima, programeri se nadaju postići prihvatljive specifične karakteristike. Takva se shema čini sasvim izvedivom ako se riješi problem vibracija i asimetrije potiska, kao i problem tlaka na dnu, posebice mogućih niskofrekventnih oscilacija u području dna između cijevi.

Riža. 3. Pulsni detonacijski motor (PDE) tradicionalnog dizajna s paketom detonacijskih cijevi kao rezonatora

Smjer br. 3 - IDD s visokofrekventnim rezonatorom. Postoji i alternativni smjer - nedavno naširoko reklamirana shema s vučnim modulima (slika 4) koji imaju posebno profilirani visokofrekventni rezonator. Rad u tom smjeru provodi se u Znanstveno-tehničkom centru nazvanom po. A. Lyulka i na MAI. Krug se odlikuje odsutnošću mehaničkih ventila i uređaja za povremeno paljenje.

IDD vučni modul predloženog kruga sastoji se od reaktora i rezonatora. Reaktor služi za pripremu smjese goriva i zraka za detonacijsko izgaranje, razlažući molekule zapaljive smjese na kemijski aktivne komponente. Shematski dijagram jednog ciklusa rada takvog motora jasno je prikazan na sl. 5.

U interakciji s donjom površinom rezonatora kao preprekom, detonacijski val tijekom procesa sudara prenosi na njega impuls od sila viška tlaka.

IPD s visokofrekventnim rezonatorima imaju pravo na uspjeh. Konkretno, mogu tvrditi da moderniziraju naknadno sagorijevanje i usavršavaju jednostavne turbomlazne motore, opet namijenjene jeftinim bespilotnim letjelicama. Primjer su pokušaji MAI i CIAM da na ovaj način moderniziraju turbomlazni motor MD-120 zamjenom komore za izgaranje reaktorom za aktiviranje gorive smjese i ugradnjom vučnih modula s visokofrekventnim rezonatorima iza turbine. Do sada nije bilo moguće stvoriti izvediv dizajn, jer... Pri profiliranju rezonatora autori koriste linearnu teoriju kompresijskih valova, tj. Proračuni se provode u akustičkoj aproksimaciji. Dinamika valova detonacije i valova kompresije opisuje se potpuno različitim matematičkim aparatom. Korištenje standardnih numeričkih paketa za proračun visokofrekventnih rezonatora ima temeljno ograničenje. svi moderni modeli turbulencije temelje se na usrednjavanju Navier-Stokesovih jednadžbi (osnovnih jednadžbi plinske dinamike) tijekom vremena. Nadalje, uvodi se Boussinesqova pretpostavka da je tenzor naprezanja turbulentnog trenja proporcionalan gradijentu brzine. Obje pretpostavke nisu zadovoljene u turbulentnim strujanjima s udarnim valovima ako su karakteristične frekvencije usporedive s frekvencijom turbulentnog pulsiranja. Nažalost, imamo posla upravo s takvim slučajem, pa je ovdje potrebno ili više izgraditi model visoka razina, ili izravno numeričko modeliranje temeljeno na kompletnim Navier-Stokesovim jednadžbama bez korištenja modela turbulencije (zadatak koji je u sadašnjoj fazi nemoguć).

Riža. 4. IDD sklop s visokofrekventnim rezonatorom

Riža. 5. Shema IPD s visokofrekventnim rezonatorom: SZS - nadzvučni mlaz; SW - udarni val; F - fokus rezonatora; DV - detonacijski val; VR - val razrijeđenosti; RSW - reflektirani udarni val

IPD-ovi se usavršavaju u smjeru povećanja brzine ponavljanja pulsa. Ovaj smjer ima svoje pravo na život u području lakih i jeftinih bespilotnih letjelica, kao iu razvoju raznih ejektorskih pojačivača potiska.

Recenzenti:

Uskov V.N., doktor tehničkih znanosti, profesor Katedre za hidroaeromehaniku Državnog sveučilišta u St. Petersburgu, Fakultet matematike i mehanike, St. Petersburg;

Emelyanov V.N., doktor tehničkih znanosti, profesor, voditelj Odsjeka za dinamiku plazma plina i toplinsku tehniku, BSTU "VOENMEH" nazvan po. D.F. Ustinova, Sankt Peterburg.

Rad je zaprimljen u urednici 14.10.2013.

Bibliografska poveznica

Bulat P.V., Prodan N.V. PREGLED PROJEKATA DETONACIJSKIH MOTORA. IMPULSNI STROJI // Temeljna istraživanja. – 2013. – Broj 10-8. – S. 1667-1671;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32641 (datum pristupa: 24.10.2019.). Predstavljamo vam časopise izdavačke kuće "Akademija prirodnih znanosti"

Dijagram PuVRE prikazan je na sl. 3.16.

Slika 3.16. Dijagram pulsirajućeg motora za udisanje zraka:

difuzor, uređaj s 2 ventila; 3- mlaznice; 4 – komora za izgaranje;5 – mlaznica; 6- ispušna cijev.

Gorivo se ubrizgava kroz injektore 3, stvarajući smjesu goriva sa zrakom komprimiranim u difuzoru 1.

Smjesa goriva se pali u komori za izgaranje 4, iz električne svjećice. Izgaranje gorive smjese, ubrizgane u određenim količinama, traje stotinke sekunde. Čim tlak u komori za izgaranje postane veći od tlaka zraka ispred uređaja ventila, zatvaraju se pločasti ventili. Uz dovoljno veliki volumen mlaznice 5 i ispušne cijevi 6, instaliran posebno za povećanje volumena, stvara protutlak plinova koji se nalaze u komori za izgaranje. Tijekom izgaranja goriva promjena količine plinova u volumenu iza komore za izgaranje je zanemariva, pa se smatra da se izgaranje odvija pri konstantnom volumenu.

Nakon izgaranja dijela goriva, tlak u komori za izgaranje se smanjuje tako da se ventili 2 otvaraju i propuštaju novi dio zraka iz difuzora.

Na slici 3.17. Prikazan je idealni termodinamički ciklus pulsirajućeg mlaznog motora.

P
ciklusni procesi:

1-2 – kompresija zraka u difuzoru;

2-3 – izohorni dovod topline u komoru za izgaranje;

3-4 – adijabatsko širenje plinova u sapnici;

4-1 – izobarno hlađenje produkata izgaranja u atmosferi uz odvođenje topline.

Sl.3.17. PuVRD ciklus.

Kao što slijedi sa slike 3.17, PURE ciklus se ne razlikuje od GTU ciklusa s izohornim dovodom topline. Zatim, analogno (3.8.), možemo odmah napisati formulu za toplinsku učinkovitost PuVRE

(3.20.)

Stupanj dodatnog povećanja tlaka u komori za izgaranje;

– stupanj povećanja tlaka u difuzoru.

Dakle, toplinska učinkovitost pulsirajućeg mlaznog motora je veća nego kod ramjet motora zbog više prosječne integralne temperature dovoda topline.

Komplikacija dizajna ramjetnog motora dovela je do povećanja njegove mase u usporedbi s ramjetnim motorom.

3.5.3. Kompresorski turbomlazni motori (TRD)

Ovi motori se najviše koriste u zrakoplovstvu. U turbomlaznom motoru dolazi do dvostupanjske kompresije zraka (u difuzoru i kompresoru) i dvostupanjske ekspanzije produkata izgaranja gorive smjese (u plinskoj turbini i u sapnici).

Principski dijagram turbomlaznog motora prikazan je na sl. 3.18.

Sl.3.18. Shematski dijagram turbomlaznog motora i priroda promjena parametara radnog fluida na putu plin-zrak:

1-difuzor;2-aksijalni kompresor;3-komora za izgaranje; 4- plinska turbina; 5- mlaznica.

Tlak nadolazećeg protoka zraka prvo se povećava u difuzoru 1, a zatim u kompresoru 2. Kompresor pokreće plinska turbina 4. Gorivo se dovodi u komoru za izgaranje 3, gdje zajedno sa zrakom tvori gorive smjese i gori pri konstantnom tlaku. Produkti izgaranja prvo se šire na lopaticama plinske turbine 4, a zatim u mlaznici. Strujanje plinova iz mlaznice većom brzinom stvara silu potiska koja pokreće zrakoplov.

Idealni termodinamički ciklus turbomlaznog motora sličan je ramjet ciklusu, ali je dopunjen procesima u kompresoru i turbini (sl. 3.19).

Sl.3.19. Idealni ciklus turbomlaznog motora uP- Vdijagram

Ciklusni procesi:

1-2 – adijabatska kompresija zraka u difuzoru;

2-3 - adijabatska kompresija zraka u kompresoru;

3-4 – izobarni dovod topline od izgaranja gorive smjese u komori za izgaranje;

4-5 – adijabatsko širenje produkata izgaranja na lopaticama turbine;

5-6 – adijabatsko širenje produkata izgaranja u mlaznici;

6-1 – hlađenje produkata izgaranja u atmosferi pri konstantnom tlaku uz oslobađanje topline.

Toplinska učinkovitost određena je formulom (3.19):

(3.21.)

– rezultirajući stupanj povećanja tlaka zraka u difuzoru i kompresoru.

Zbog većeg omjera kompresije od ramjetnog motora, turbomlazni motor ima veću toplinsku učinkovitost. Bez ikakvih startnih akceleratora, turbomlazni motor razvija potrebnu silu potiska već u startu.

Izum se odnosi na područje izgradnje motora i može se koristiti za stvaranje potiska na zrakoplovima. Pulsirajući detonacijski motor sadrži kućište, sredstva za dovod goriva i oksidatora u reaktor, prstenastu mlaznicu i plinodinamički rezonator, pri čemu je rezonator u obliku cijevi manjeg promjera smješten u cijevi reaktora tako da izlaz Hartmannove prstenaste mlaznice usmjerena je u unutarnju šupljinu rezonatora, konkavno dno rezonatora sastoji se od dva dijela odvojena odbojnikom, unutarnji dio je izrađen od materijala koji može izdržati visoka impulsna mehanička opterećenja, a vanjski dio se sastoji od bloka paralelno električnih spojenih piezoelektričnih elemenata koji zajedno s rezonantnim krugom čini piezogenerator. Izum omogućuje povećanje učinkovitosti pretvaranja kemijske energije goriva u mehaničku i električna energija motora, osigurati pojednostavljenje dizajna, poboljšanje težine i veličine i radni parametri, povećavajući specifične karakteristike vuče pulsirajućeg detonacijskog motora. 4 plaće f-ly, 3 ilustr.

Nacrti za RF patent 2435059

Izum se odnosi na područje izgradnje motora i može se koristiti za stvaranje potiska na zrakoplovima.

Stvaranje detonacijskog motora novi je smjer u razvoju proizvodnje zrakoplovnih motora. U usporedbi s postojećim zrakoplovnim plinskoturbinskim motorima, motori s pulsirajućom detonacijom omogućit će značajno poboljšanje pokazatelja potiska, ekonomičnosti i težine, pojednostaviti dizajn i smanjiti njihovu cijenu (Bilten zračne flote, srpanj-kolovoz 2003., str. 72-76. ). Teorijski i eksperimentalno je dokazano da takvi motori mogu osigurati povećanje toplinske učinkovitosti za 1,3 do 1,5 puta.

Konstrukcija pulsirajućih detonacijskih motora provodi se prema sljedećim shemama (Pulse detonacijski motori / Uredio S.M. Frolov, M.: TORUS PRESS, 2006.):

Klasična "Armory";

Dijagram za ramjet motor;

Shema izgaranja smjese pomoću stacionarnog rotirajućeg detonacijskog vala.

Osim toga, aktivno se razvija "obrnuta" shema (zh. Dvigatel, 2003, br. 1 (25), str. 14-17; zh. Polet, 2006, br. 11, str. 7-15, 2007, br. 5, str. 22-30, 2008, br. 12, str. 18-26).

Pulsni detonacijski motor, izgrađen prema dizajnu "oružja" (US patent br. 6484492), je ravna cijev određene duljine, koja je otvorena na stražnjem kraju i ima ventilni uređaj na prednjem kraju. Kada motor radi, smjesa goriva i zraka dovodi se u cijev kroz ventil koji se zatim zatvara.

Detonacija smjese goriva i zraka inicira se upaljačom smještenim u cijevi, a udarni valovi koji nastaju uslijed detonacije šire se "niz" cijev, povećavajući temperaturu i tlak nastalih produkata izgaranja. Ovi proizvodi se istiskuju iz otvorenog stražnjeg kraja, stvarajući impuls sile prema naprijed. Nakon izlaska udarnog vala, pojavljuje se val razrjeđivanja, koji osigurava da se novi dio smjese goriva i zraka dovodi u cijev kroz ventil, a ciklus se ponavlja.

Metoda za kontrolu detonacije u takvom motoru opisana je u US patentu br. Paljenje se pokreće na vodećem kraju cijevi tako da se valovi šire nizvodno prema otvorenom izlaznom kraju. Ventil je neophodan kako bi se spriječio izlazak udarnog vala s prednje strane cijevi i, što je još važnije, kako bi se spriječio prolazak fronte detonacijskog izgaranja u sustav za usis goriva i zraka. Ciklus pulsirajuće detonacije zahtijeva da ventil radi na ekstremno visokim temperaturama i pritiscima, a također mora raditi na vrlo visokim frekvencijama kako bi proizveo glatku silu potiska. Ovi uvjeti značajno smanjuju pouzdanost mehaničkih sustavi ventila zbog visokog ciklusa zamora.

Za pulsirajući detonacijski motor izgrađen u skladu s dizajnom "oružja", opcije za upravljanje "električnim" ventilom predložene su u RF patentu br. 2287713.

Takav motor uključuje cijev koja ima otvoreni prednji kraj i otvoreni stražnji kraj; ulaz goriva i zraka napravljen u cijevi na prednjem kraju; upaljač smješten u cijevi na mjestu između prednjeg i stražnjeg kraja i magnetohidrodinamički sustav kontrole protoka smješten između upaljača i ulaza za gorivo/zrak. Predložene su tri opcije za magnetohidrodinamičku kontrolu protoka.

Prva verzija sustava magnetohidrodinamičke kontrole protoka uključuje namot pobude električnog polja omotan oko cijevi na mjestu smještenom između upaljača i ulaza goriva i zraka, te par permanentnih magneta smještenih na suprotnim stranama cijevi za stvaranje magnetskog polje u njemu okomito na uzdužnu os cijevi. Detonacija smjese goriva i zraka u cijevi dovest će do protoka električno vodljivih ioniziranih produkata izgaranja kroz magnetsko polje, što će rezultirati električnom strujom u namotu polja, stvarajući električno polje.

Međudjelovanje magnetskog i električnog polja dovodi do pojave Lorentzove sile usmjerene protiv kretanja udarnih i detonacijskih valova. Tijekom rada, izravna fronta izgaranja će se raspršiti i neće proći kroz otvoreni prednji kraj cijevi. Osim toga, uzbudni namot električnog polja povezan je sa sustavom upravljanja načinom rada snage, koji osigurava dovod strujnih impulsa upaljač u odgovarajuće vrijeme.

Druga verzija sustava magnetohidrodinamičke kontrole protoka uključuje namot pobude magnetskog polja omotan oko cijevi na mjestu između upaljača i ulaza goriva i zraka. Izvor energije je spojen na namot preko upravljačkog uređaja, osiguravajući protok električne struje kroz njega i time stvara magnetsko polje. U području namotaja, ionizirana smjesa goriva i zraka koja se nalazi na ulazu cijevi pod utjecajem magnetskog polja podijeljena je u zonu bogatu gorivom okruženu zonom osiromašenog zraka. Tijekom detonacije, izravni tlačni val i izravna fronta izgaranja, koji se šire prema ulazu cijevi, sudaraju se s odvojenim zonama goriva i zraka. Kao rezultat toga, proces izgaranja prednje detonacijske zone je poremećen, uzrokujući rasipanje izravne fronte izgaranja. Čim se izravna fronta plamena rasprši, napajanje namota se zaustavlja.

Treća verzija magnetohidrodinamičkog sustava kontrole protoka kombinira prvu i drugu opciju, osiguravajući ekstrakciju energije i odvajanje mješavine goriva i zraka. Sadrži namot za pobudu magnetskog polja smješten jedan iza drugog i namot za pobudu električnog polja namotan izvan cijevi u području između zapaljivača i ulaza goriva i zraka, par trajnih magneta smještenih na suprotnim stranama cijevi u blizini električnog namot pobude polja za stvaranje magnetskog polja u njemu, okomito na uzdužnu os cijevi.

Predložene opcije za magnetohidrodinamičku kontrolu protoka zamjenjuju mehanički ventil "električnim", sprječavajući da fronta izgaranja detonacije uđe u sustav za usis goriva i zraka. Međutim, u ovom slučaju detonacijski motor postaje znatno složeniji, a povećavaju se njegove težinsko-gabaritne karakteristike.

Poznata metoda i uređaj za dobivanje potiska (RF patent 2215890). Na temelju motora ovu metodu sastoji se od jedinice za dovod goriva i oksidatora, kućišta smještenog u kućištu koje tvori prstenasti kanal komore za izgaranje, zona rezonantnog aktiviranja goriva i oksidatora, u kojima su smještena sredstva za aktiviranje u obliku iskrišta spojenih na izlaze upravljačke jedinice. Izlaz napajanja spojen je na ulaz upravljačke jedinice. Na izlazu iz komore za izgaranje nalazi se reflektor i s njim optički spojen centralno smješten profilni zaslon konkavne površine za fokusiranje reflektiranog detonacijskog vala. Reflektor i zaslon izrađeni su od materijala s visokom magnetskom propusnošću; mogu se pomicati jedan u odnosu na drugoga i dizajnirani su za uklanjanje električne energije sa svoje površine kada na njih udari protok ioniziranog plina.

Međutim, kada se protok ioniziranog plina sudari sa zaslonom, on gubi dio svojih naboja zbog njihovog privlačenja i širenja po površini stožastog reflektora. Zbog toga se smanjuje stupanj ionizacije i brzina strujanja reflektiranog plina.

Dvostruka refleksija detonacijskog vala u suprotnim smjerovima od zaslona i reflektora stvara potisak jednak razlici u silama mehaničkih utjecaja, što će, ovisno o njihovom omjeru, dovesti ili do vrlo male vrijednosti potiska, ili do nultog potiska. , ili čak promijeniti smjer potiska. Stoga se takav uređaj ne može koristiti kao motor.

U prstenastoj komori za izgaranje nastali detonacijski val širi se u oba uzdužna smjera. Međutim, konstrukcija motora nema uređaje koji sprječavaju prolazak fronte detonacijskog izgaranja u zone aktivacije oksidatora i goriva, što može uzrokovati detonaciju u tim zonama.

Osim toga, u takvom uređaju, električni impulsi se formiraju na ekranu i reflektoru i uklanjaju se s njihovih površina kada ih pogodi protok ioniziranog plina. Da bi se osigurale visoke vrijednosti ionizacije protoka, potrebno je koristiti dodatne mjere, na primjer, uvođenje lagano ioniziranih aditiva u gorivo. Takav je uređaj manje učinkovit od pretvarača koji se temelji na pretvaranju učinaka udara u električne impulse pomoću feroelektrika.

Poznata komora za motor s pulsirajućim detonacijskim izgaranjem izgrađena je prema obrnutom dizajnu (patent br. 2084675), koja sadrži nadzvučnu mlaznicu smještenu u kućištu i Hartmannov rezonator u obliku cijevi, zatvoren na jednom kraju i otvoren na kraju. drugi kraj, koji se nalazi koaksijalno s njim. Postavljeni su tako da se između unutarnje površine kućišta i vanjske površine mlaznice formira šupljina, koja je komora za miješanje, čiji izlazni dio predstavlja kritični presjek s daljnjim prijelazom u nadzvučnu vanjsku ekspanziju. mlaznica sa usječenim središnjim tijelom.

Takva pulsirajuća komora motora nema prethodnu pripremu goriva za detonacijsko izgaranje, pa je stoga njegova učinkovitost niska.

Pulsirajući detonacijski motor, izgrađen prema inverznoj shemi (patent SSSR-a br. 1672933 od 22.04.1991., RF patent br. 2034996 od 10.5.1995., Kemijska fizika, 2001., svezak 20, broj 6, str. 90 -98), sastoji se od reaktora i rezonatora, koji su međusobno povezani kroz prstenastu mlaznicu. Komprimirani zrak i gorivo dovode se u reaktor, au njemu se vrši prethodna priprema goriva za detonacijsko izgaranje razgradnjom komponenti smjese goriva i zraka na kemijski aktivne komponente, za što se provodi piroliza goriva u reaktor za dobivanje radne smjese.

Pripremljena smjesa dovodi se u rezonator kroz prstenastu mlaznicu u obliku radijalnih nadzvučnih mlaznica, kao rezultat, na temelju dobro poznatog Hartmann-Sprengerovog efekta, nastaju udarni valovi, koji se, krećući se prema dnu, sabijaju i zagrijavaju zapaljiva smjesa. Reflektirajući se od donje površine rezonatora, koja ima konkavni oblik, udarni valovi se fokusiraju u uskom području gdje dolazi do daljnjeg povećanja temperature i tlaka, na temelju dobro poznatog Hartmann-Sprengerovog efekta, potičući detonaciju zapaljiva smjesa. Nastali detonacijski val kreće se kroz smjesu goriva i zraka nadzvučnom brzinom u oba uzdužna smjera, pri čemu dolazi do gotovo trenutnog (eksplozivnog) izgaranja goriva praćenog značajnim porastom temperature i tlaka produkata izgaranja. Detonacijski val, susrećući se s nadzvučnim protokom radne smjese, formira "plinsku brtvu", koja blokira put nadzvučnog protoka radne smjese u rezonator. Nakon refleksije od donje stijenke, detonacijski val se pretvara u odbijeni udarni val, koji se kreće duž izgorjele smjese prema izlazu i nosi produkte izgaranja, izbacujući ih u atmosferu nadzvučnom brzinom. Udar detonacijskog vala na unutarnju donju površinu rezonatora stvara potisak. Nakon reflektiranog udarnog vala slijedi val razrjeđivanja, koji, prolazeći pored prstenaste mlaznice i imajući iza fronte manji od atmosferskog tlaka, osigurava otvaranje "plinske brave" i usisavanje novog dijela radne smjese. Zatim se postupak ponavlja.

Nedostaci takvog pulsirajućeg detonacijskog motora su:

Smanjenje učinkovitosti motor zbog potrošnje dijela goriva tijekom pirolize goriva u reaktoru za razgradnju smjese goriva i zraka na kemijski aktivne komponente;

Plinsko-dinamički Hartmannov ventil ne isključuje potpuno prodiranje fronte detonacijskog izgaranja kroz prstenastu mlaznicu u reaktor;

Kinetička energija reflektiranih udarnih i detonacijskih valova od donje površine rezonatora ne pretvara se u energiju električnog impulsa.

Zbog najvećeg broja sličnih značajki ovo tehničko rješenje odabrano je kao prototip.

Svrha stvaranja predloženog pulsirajućeg detonacijskog motora je pojednostaviti dizajn, poboljšati težinu, veličinu i radne parametre te povećati specifične karakteristike vuče.

Predloženi pulsirajući detonacijski motor uključuje dvije glavne komponente: reaktor i rezonator.

U reaktoru se za povećanje učinkovitosti izgaranja prethodno priprema mješavina oksidatora i goriva. U rezonatoru, kao rezultat sjecišta mlaznica smjese koji izlaze iz prstenaste mlaznice nadzvučnom brzinom, automatski dolazi do procesa izgaranja i formiranja udarnih i detonacijskih valova.

Gori kao elementar kemijska reakcija može se dogoditi samo u volumenu gdje se odvija sudar molekula goriva i oksidansa.

Priprema takvog volumena uključuje stvaranje kontaktne površine za protok oksidatora i goriva. Kontaktna površina može se povećati stvaranjem vrtložnih tokova u protoku goriva i oksidatora. U poremećenom turbulentnom strujanju dodirne površine dvaju medija rastu s vremenom po eksponencijalnom zakonu. Povećanje kontaktne površine pomaže intenzivirati proces miješanja goriva i oksidatora.

Glavni dio preliminarne pripreme smjese oksidansa i goriva je aktivacija molekula smjese nadogradnjom njihove elektronsko-nuklearne strukture. Ukupna energija veze u aktiviranoj molekuli znatno je manja nego u istoj molekuli u slobodnom osnovnom stanju. U aktiviranoj molekuli povećavaju se međunuklearni razmaci tako da kasnije, kada dođe do kemijske reakcije sagorijevanja, potpuno napuštaju jedna drugu i postaju dijelovi novih konačnih molekula. Aktivacija je smanjenje energetske barijere molekula smjese, uzrokovano utjecajem elektromagnetskog zračenja ili drugih vrsta utjecaja na njegove molekule.

Dakle, kako bi se osigurala preliminarna priprema smjese u reaktoru kako bi se povećala učinkovitost izgaranja u rezonatoru, potrebno je:

Stvorite vrtložno miješanje oksidatora i goriva;

Aktivirajte molekule smjese izlažući ih elektromagnetskom zračenju ili protoku raznih elementarnih čestica.

Vrtložno miješanje može se postići tangencijalnim uvođenjem goriva u volumen reaktora i uzdužnim uvođenjem oksidatora, pri čemu se njihovi mlazovi međusobno sijeku. Aktivacija molekula smjese može se postići izlaganjem elektromagnetskom zračenju.

U predloženoj primjeni tehnička izvedba preliminarne pripreme smjese oksidatora i goriva provodi se ugradnjom cijevi za dovod goriva u reaktor, tangencijalno usmjerenih duž unutarnje šupljine reaktora, i uzdužno usmjerene cijevi oksidatora. Kada im se dovode oksidans i gorivo, u reaktoru dolazi do vrtložnog vrtloga toka, koji osigurava intenzivno kružno miješanje. Za aktiviranje smjese u reaktoru koristi se elektromagnetski učinak na oksidans i molekule goriva primjenom strujnih impulsa na elektrode. Ako postoji magnetsko polje u području elektroda, dodatno nastaju sekundarni vrtložni tokovi protoka smjese, generirani interakcijom struje električnog pražnjenja s magnetskim poljem (Klementyev I.B. et al. „Interakcija jednog električno pražnjenje s plinovitim medijem u vanjskom magnetskom polju i utjecaj te interakcije na strukturu strujanja i miješanje”, Termofizika visokih temperatura, 2010., br. 1).

Budući da je životni vijek aktiviranih stanja molekula kratak, aktivacija se događa neposredno prije dovođenja smjese u rezonator, stoga se permanentni magnet i elektrode postavljaju na kritični dio prstenaste mlaznice. Aktivacija se provodi tijekom trajanja strujnih impulsa koji se dovode na elektrode. Potrebna snaga takvih impulsa je mala, budući da su oksidans i gorivo već pomiješani, a mali volumen smjese koji se nalazi u prostoru kritičnog dijela mlaznice podložan je aktivaciji. U ovom slučaju, snaga impulsa također treba biti niska, tako da tijekom aktivacije ne dođe do procesa paljenja smjese.

Sredstvo impulsne aktivacije smjese oksidansa i goriva su elektrode smještene u reaktoru na izlazima Hartmannove prstenaste mlaznice, koje su spojene na električni izlaz piezogeneratora.

Rezonator je izrađen od nemagnetskog materijala u obliku cijevi manjeg promjera i postavljen je u cijev reaktora tako da je izlaz Hartmannove prstenaste mlaznice usmjeren u unutarnju šupljinu rezonatora.

Konkavno dno rezonatora sastoji se od dva dijela, odvojena međuspremnikom, unutarnji dio je izrađen od materijala koji može izdržati visoka impulsna mehanička opterećenja, a vanjski dio je izrađen od bloka paralelno električnih spojeva piezoelektričnih elemenata, koji je zajedno s rezonantnim krugom piezogenerator.

Učinci mehaničkog udara detonacije i udarnih valova pretvaraju se u pulsnu električnu energiju zbog udarne depolarizacije feroelektrika. Piezoelektrični generator sastoji se od bloka paralelno povezanih piezoelektričnih elemenata i rezonantnog kruga.

U rezonatoru, interakcija nadzvučnih mlaznica aktivirane smjese koja izlazi iz prstenaste mlaznice inicira kemijsku reakciju paljenja smjese i udarnog vala, koji se nakon refleksije od konkavnog dna rezonatora fokusira i stvara na točku fokusiranja visoka temperatura i tlaka, osigurava pojavu detonacijskog izgaranja i širenje detonacijskog vala u oba uzdužna smjera. Nakon što produkti izgaranja nadzvučnom brzinom izađu u atmosferu, javlja se val razrjeđivanja, koji osigurava apsorpciju novog dijela aktivirane smjese, te se proces ponavlja.

Prva verzija pulsirajućeg detonacijskog motora sastoji se od:

Kućišta;

Sredstva za dovod goriva i oksidatora u reaktor;

Reaktor u obliku cijevi u koju sprijeda ulazi mješavina goriva i zraka, a stražnji kraj joj je savijen prema unutra i čini prstenastu Hartmannovu mlaznicu;

Sredstvo za impulsnu aktivaciju smjese goriva i zraka smješteno u reaktoru na izlazima Hartmannove prstenaste mlaznice;

Rezonator od nemagnetskog materijala u obliku cijevi manjeg promjera postavljen u cijev reaktora. Prednji kraj rezonatorske cijevi ima konkavno dno, a stražnji kraj spojen je s izlazom prstenaste mlaznice;

Na unutarnjoj površini rezonatora nalazi se hrapavost u obliku utora, a na vanjskoj površini rezonatora nalaze se dva trajni magnet, stvarajući magnetsko polje unutar rezonatora usmjereno okomito na njegovu uzdužnu os;

Konkavno dno rezonatora sastoji se od dva dijela, odvojena međuspremnikom koji omogućuje smanjenje sile udarni učinak. Unutarnji dio je izrađen od materijala koji može izdržati visoka impulsna mehanička opterećenja, a vanjski dio je izrađen od bloka paralelno spojenih piezoelektričnih elemenata koji osiguravaju pretvorbu kinetičke energije udarnog vala u električnu energiju;

Električni izlaz piezogeneratora povezan je s ulazima sredstava za impulsnu aktivaciju mješavine goriva i zraka.

Druga verzija uređaja razlikuje se od prve po tome što:

Točka sjecišta mlaznica ionizirane mješavine goriva i zraka koja teče iz Hartmannove mlaznice kombinira se s točkom fokusiranja reflektiranog udarnog vala. Ova kombinacija poboljšava uvjete za pojavu detonacijskog vala;

Izlaz rezonatora izrađen je u obliku ekspandirajuće mlaznice koja osigurava dodatno plinodinamičko ubrzanje radnog fluida (protok ioniziranog plina);

Na vanjskoj površini mlaznice nalaze se dva trajna magneta koji unutar mlaznice stvaraju magnetsko polje usmjereno okomito na njezinu uzdužnu os;

Na unutarnjoj površini rezonatora nema hrapavosti u obliku rezanja.

Nove značajne karakteristike oba uređaja su:

Postavljanje rezonatora u obliku cijevi manjeg promjera u cijev reaktora tako da je izlaz prstenaste mlaznice usmjeren u unutarnju šupljinu rezonatora;

Ugradnja na vanjsku površinu rezonatora ili mlaznice dvaju stalnih magneta koji stvaraju magnetsko polje unutar rezonatora ili mlaznice usmjereno okomito na njihovu uzdužnu os;

Izrada konkavnog dna rezonatora iz dva dijela, odvojena odbojnikom koji smanjuje udarna opterećenja. Unutarnji dio dna izrađen je od materijala koji može izdržati visoke impulsne udare detonacijskih valova, a vanjski dio je izrađen od bloka paralelno spojenih piezoelektričnih elemenata koji tvore piezogenerator;

Izlaz izvora impulsne struje spojen je serijski s ulazima sredstava za aktiviranje impulsa koji se nalaze u reaktoru na izlazima Hartmannove prstenaste mlaznice.

Tehnički rezultat koji se može dobiti implementacijom skupa značajki je sljedeći:

Preliminarna priprema smjese zbog njenog vrtložnog miješanja i aktiviranja, kao i značajke dizajna rezonator i reaktor omogućuju povećanu učinkovitost izgaranja i snagu detonacijskih valova, povećavajući potisak i specifične karakteristike vuče motor;

Kinetička energija udarnih valova na dnu rezonatora ranije se koristila samo za stvaranje potiska, au predloženom uređaju ona se također pretvara u električnu energiju, koja se koristi za aktiviranje smjese oksidatora i goriva. Ovo tehničko rješenje dovodi do smanjenja karakteristika težine i veličine motora i pojednostavljuje njegovu konstrukciju.

Suština izuma ilustrirana je crtežima, gdje je na slici 1 prikazana prva verzija uređaja, na slici 3 druga verzija uređaja, a na slici 2 dijagram. pulsni izvor struja i njezina veza sa sredstvima za aktiviranje.

Uređaji sadrže kućište 1, reaktor 2, napunjen oksidansom i gorivom pomoću bloka 11, u koji se uvode lagano ionizirani aditivi, impulsno sredstvo za aktiviranje mješavine goriva i zraka 3, prstenastu mlaznicu 4, trajne magnete 5 , mlaznica 7 ili hrapavost u obliku ureza 7 u unutarnju površinu rezonatora 6 za turbulizaciju strujanja plina. Dno rezonatora sastoji se od tri dijela. Unutarnji dio dna 8 izrađen je od materijala visoke čvrstoće, srednji dio je odbojnik 9 za smanjenje sile udara na piezoelektrične elemente, vanjski dio je u obliku piezoelektričnog generatora 10 s rezonantnim krugom 13. Da bi se ojačala struktura, reaktor i rezonator su povezani prstenastim postoljem 12, kroz rupe u koje prolaze žice koje povezuju izlaz piezoelektričnog generatora 10 u seriju s elektrodama sredstva za aktiviranje.

Rad pulsirajućeg detonacijskog motora započinje punjenjem reaktora 2 bloka 11 pod tlakom oksidansom i gorivom kroz tangencijalno i uzdužno usmjerene cijevi. Mlazovi goriva, rotirajući, presijecaju se s mlazom oksidatora, tvoreći vrtložno miješanje.

Iz vanjskog izvora, pokretački niz impulsa dovodi se do sredstva za aktiviranje goriva 3, koji osigurava razgradnju smjese goriva i zraka na izlazu iz Hartmannove mlaznice u kemijski aktivne komponente. Ionizirana smjesa goriva i zraka teče nadzvučnom brzinom iz mlaznice u obliku radijalnih mlaznica usmjerenih u unutarnju šupljinu rezonatora 6.

Kada se sudaraju i miješaju, pokreće se kemijska reakcija paljenja goriva i pojavljuje se udarni val koji se kreće prema dnu rezonatora 6.

Hrapavost unutarnjih stijenki 7 rezonatora 6 osigurava visok intenzitet turbulentnog miješanja u slojevima smicanja zbog vrtložnih kretanja u području iza prepreka i zbog generiranja transverzalnih udarnih valova.

"Vruće točke" nastaju između zone ubrzanja turbulentnog izgaranja i pramčanog udarnog vala zbog nehomogenosti strujanja na kontaktnim površinama koje stvara hrapavost 7. Detonacija nastaje u takvim lokalnim egzotermnim centrima.

Osim toga, glavni udarni val, nakon refleksije od konkavnog dna rezonatora, fokusiran je i, stvarajući visoku temperaturu i tlak na ovom mjestu, osigurava pojavu detonacijskog izgaranja i širenje detonacijskog vala u oba uzdužna smjera. U drugoj verziji uređaja, kada je točka sjecišta mlaznica poravnata s točkom fokusiranja reflektiranog udarnog vala, nema potrebe za hrapavošću unutarnje površine rezonatora.

Visoko ionizirani tokovi plina prateći detonacijske valove prolazeći kroz magnetsko polje stvaraju sile koje na njih djeluju u smjeru kretanja. Zbog toga se povećavaju brzine strujanja kako prema dnu rezonatora, tako iu suprotnom smjeru prema izlazu iz rezonatora.

Nakon refleksije od dna detonacijski val postaje reflektirani udarni val i zajedno s protokom ioniziranog plina prolazeći kroz magnetsko polje povećava brzinu strujanja plina u smjeru izlaza iz rezonatora. Izlaz rezonatora 6 izrađen je u obliku ekspandirajuće mlaznice, osiguravajući daljnje povećanje brzine istjecanja plinova.

Tijekom mehaničkog djelovanja detonacijskog vala na dnu rezonatora dolazi do depolarizacije feroelektričnih elemenata, izrađenih u obliku bloka od nekoliko identičnih ploča, električno povezanih paralelno i smještenih jedna u odnosu na drugu, kao što je prikazano na sl. 2. . Takav piezoelektrični generator stvara strujne impulse, čija se amplituda povećava kada je krug 13 podešen na rezonanciju. Impulsi s brzinom ponavljanja detonacijskih procesa dovode se na ulaz uređaja za aktiviranje goriva, osiguravajući razgradnju smjese goriva i zraka u kemijski aktivne komponente.

Nakon izlaska produkata izgaranja nadzvučnom brzinom u atmosferu dolazi do vala razrjeđivanja. Sniženi tlak u šupljini rezonatora osigurava apsorpciju novog dijela aktivirane smjese i proces se ponavlja.

Implementacija deklariranog tehničkog rješenja je nedvojbena, budući da će njegova proizvodnja koristiti poznate tehnologije za organiziranje detonacijskih procesa i pretvaranje energije detonacijskog vala u električnu energiju (Električni fenomeni u udarnim valovima / Urednici V.A. Borisenko i drugi - Sarov: RFNC - VNIIEF, 2005).

Pokazalo se da eksplozivni piezoelektrični generatori imaju optimalne karakteristike kao generatori strujnih impulsa, čija snaga doseže nekoliko megavata, energije desetaka džula, pa će osigurati učinkovit rad sredstava za aktiviranje impulsa.

ZAHTJEV

1. Pulsirajući detonacijski motor koji sadrži kućište, sredstva za dovod goriva i oksidatora u reaktor, prstenastu mlaznicu i plinodinamički rezonator, naznačen time što je rezonator u obliku cijevi manjeg promjera smješten u reaktorskoj cijevi. tako da je izlaz Hartmannove prstenaste mlaznice usmjeren u rezonator s unutarnjom šupljinom, a konkavno dno rezonatora sastoji se od dva dijela, odvojena međuspremnikom, unutarnji dio je izrađen od materijala koji može izdržati visoka pulsna mehanička opterećenja , a vanjski dio čini blok električno paralelno spojenih piezoelektričnih elemenata koji zajedno s rezonantnim krugom čine piezogenerator.

2. Pulsirajući detonacijski motor prema zahtjevu 1, naznačen time, da su dva trajna magneta ugrađena na vanjsku površinu rezonatora ili mlaznice, stvarajući unutar rezonatora magnetsko polje usmjereno okomito na njihovu uzdužnu os.

3. Pulsirajući detonacijski motor prema zahtjevu 1, naznačen time što je izlaz piezogeneratora spojen na ulaze sredstava za aktiviranje impulsa.

4. Pulsirajući detonacijski motor u skladu s patentnim zahtjevom 1, naznačen time što je rezonator konstruktivno dizajniran na takav način da sjecište mlaznica mješavine goriva i zraka koji teče iz prstenaste mlaznice i fokusne točke reflektiranog udarnog vala su kombinirani.

5. Pulsirajući detonacijski motor prema zahtjevu 1, naznačen time, da su sredstva za aktiviranje impulsa smještena na izlazima Hartmannove prstenaste mlaznice.

Eksperimentalni dizajnerski biro Lyulka razvio je, proizveo i testirao prototip pulsirajućeg rezonatorskog detonacijskog motora s dvostupanjskim izgaranjem mješavine kerozina i zraka. Kako se navodi, prosječni izmjereni potisak motora bio je oko sto kilograma, a trajanje neprekidnog rada više od deset minuta. Do kraja ove godine Dizajnerski biro namjerava proizvesti i ispitati pulsirajući detonacijski motor pune veličine.

Prema riječima glavnog dizajnera dizajnerskog biroa Lyulka Alexandera Tarasova, tijekom ispitivanja simulirani su načini rada karakteristični za turbomlazne i ramjetne motore. Izmjerene vrijednosti specifičnog potiska i specifične potrošnje goriva bile su 30-50 posto bolje od onih kod konvencionalnih motora koji udišu zrak. Tijekom eksperimenata, novi motor se više puta palio i gasio, kao i kontrola proklizavanja.

Na temelju provedenog istraživanja, podataka dobivenih testiranjem, kao i analize dizajna strujnog kruga, dizajnerski biro Lyulka namjerava predložiti razvoj cijele obitelji pulsirajućih detonacijskih zrakoplovnih motora. Konkretno, mogu se izraditi kratkotrajni motori za bespilotne letjelice i projektile te zrakoplovni motori za nadzvučne krstareće letove.

U budućnosti, na temelju novih tehnologija, motori za raketne i svemirske sustave i kombinirani elektrane zrakoplov koji može letjeti u atmosferi i izvan nje.

Prema projektnom birou, novi motori će povećati omjer potiska i težine zrakoplova za 1,5-2 puta. Osim toga, pri korištenju takvih elektrana, domet leta ili težina zrakoplovnog naoružanja može se povećati za 30-50 posto. U isto vrijeme, specifična težina novih motora bit će 1,5-2 puta manja od konvencionalnih mlaznih elektrana.

Činjenica da se u Rusiji radi na stvaranju pulsirajućeg detonacijskog motora, u ožujku 2011. To je tada izjavio Ilya Fedorov, direktor istraživačko-proizvodne udruge Saturn, koja uključuje dizajnerski biro Lyulka. Fedorov nije precizirao o kojoj se vrsti detonacijskog motora raspravlja.

Trenutno su poznate tri vrste pulsirajućih motora: ventilski, bez ventila i detonacijski. Načelo rada ovih elektrana je periodično dopremanje goriva i oksidatora u komoru za izgaranje, gdje se smjesa goriva zapali, a produkti izgaranja izlaze iz mlaznice stvarajući mlazni potisak. Razlika od konvencionalnih mlaznih motora je detonacijsko izgaranje gorive smjese, pri čemu se fronta izgaranja širi veća brzina zvuk.

Lupanje zrak- mlazni motor izumio je krajem 19. stoljeća švedski inženjer Martin Wiberg. Pulsirajući motor smatra se jednostavnim i jeftinim za proizvodnju, ali je zbog karakteristika izgaranja goriva nepouzdan. Prvi novi tip Motor se komercijalno koristio tijekom Drugog svjetskog rata na njemačkim krstarećim projektilima V-1. Bili su opremljeni motorom Argus As-014 tvrtke Argus-Werken.

Trenutačno, nekoliko velikih obrambenih tvrtki u svijetu bavi se istraživanjem razvoja visoko učinkovitih pulsnih mlaznih motora. Konkretno, radove izvode francuska tvrtka SNECMA i američki General Electric i Pratt & Whitney. Godine 2012. Američki mornarički istraživački laboratorij objavio je svoju namjeru da razvije motor sa vrtljivom detonacijom, koji bi zamijenio konvencionalne elektrane plinske turbine na brodovima.

Spin detonacijski motori razlikuju se od pulsirajućih po tome što se detonacijsko izgaranje gorive smjese u njima odvija kontinuirano ─ fronta izgaranja kreće se u prstenastoj komori za izgaranje, u kojoj smjesa goriva stalno se ažurira.