СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТЯГИ ГАЗОВЫМ ИМПУЛЬСНЫМ ДЕТОНАЦИОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 1995 года по МПК F02K9/50 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано при конструировании реактивных систем управления космическими летательными аппаратами и импульсных двигательных установок космических станций.

Известно несколько типов реактивных систем, у которых рабочее тело или компоненты топлив подаются в камеру двигателя (КД) порциями. Это газореактивные системы (рабочее тело - сжатый газ), системы, использующие газообразные продукты разложения (например, при каталитическом разложении Н₂О₂); системы с использованием продуктов сгорания двухкомпонентных жидких топлив. Кроме того, примером таких систем могут служить устройства и используемые ими способы создания реактивной тяги.

В указанных устройствах осуществляется создание тяги двигателя за счет потенциальной энергии сжатых газов или за счет химической энергии, преобразующейся в тепловую в результате окислительно-восстановительных реакций, а также за счет ускорения рабочего тела вдоль КД при истечении. При этом основным недостатком этих систем является сравнительно низкий удельный импульс тяги (900-3500 м/с в зависимости от типа системы).

Проблему повышения удельного импульса тяги позволяет решить использование детонационных процессов в камере импульсного двигателя. В настоящее время экспериментально доказано, что применения детонационных процессов в КД позволяет достигать удельного импульса тяги 1000-1400 м/с.

Известно несколько способов создания тяги детонационным двигателем. Один из них заключается в следующем:
детонационную смесь (например, кислород + этилен) предварительно приготавливают в смесительной камере;
производят вакуумирование КД (т. е. из КД откачивают воздух) и выход камеры закрывают резиновой мембраной, которая удерживается благодаря воздействию давления окружающей среды на ее внешнюю поверхность;
вводят смесь в камеру двигателя до тех пор, пока значение величины давления в камере не достигнет величины немногим ниже атмосферного давления (по окончанию этой операции считают, что детонационный двигатель готов к срабатыванию;
инициируют детонационные процессы в камере двигателя.

Однако в данном способе отсутствует автономность применения КД, поскольку необходимо для последующего срабатывания двигателя установить резиновую мембрану, а устройство, которое обеспечило бы ее замену отсутствует. У способа достаточно узкая область применения (неприменимость в космосе), так как для реализации способа необходимо внешнее воздействие окружающей среды на резиновую мембрану. Кроме того, способ имеет ограниченную тягу двигателя по величине, поскольку ограничены давлением окружающей среды возможности повышения давления смеси в КД перед срабатыванием.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ заключающийся в том, что компоненты, составляющие топливную смесь, одновременно подаются порциями в КД при помощи синхронно работающих электромагнитных клапанов и системы зажигания, обеспечивающей инициирование единичных детонаций в каждом детонационном цикле. В детонационный цикл входят следующие операции:
включение системы зажигания;
скачкообразный впрыск топливной смеси в предкамеру (смесь: кислород + этилен) и одновременный впрыск топливной смеси в КД (смесь: воздух + этилен);
воспламенение кислородно-этиленовой смеси и переход горения смеси в детонацию;
воздействие детонационной волны, образовавшейся в предкамере, на топливную смесь в КД и детонацию воздушно-этиленовой смеси;
истечение продуктов детонация из КД.

После истечения продуктов детонации из КД цикл считается завершенным, а двигатель подготовленным к следующему циклу. Количественный контроль за расходом компонентов смеси в детонационном двигателе отсутствует. В каждом детонационном цикле подача определенного количества и качества топливной смеси обеспечиваются только за счет предварительной настройки электромагнитных клапанов впрыска.

Основным недостатком прототипа является низкая стабильность калиброванного единичного импульса тяги, входящего в серию однотипных импульсов. Этот недостаток обусловлен как сложностью самого явления газовой детонации, так и несовершенством способа создания тяги детонационным двигателем. Несовершенство способа заключается в непостоянстве качества топливной смеси в однотипной серии детонационных срабатываний КД. Постоянство качества смеси не соблюдается, поскольку даже при идеальной настройке самих электромагнитных клапанов (ЭМК) на определенный расход компонентов смеси практически невозможно идеально синхронизировать 5 независимых узлов конструкции (4 ЭМК + система зажигания), тем более, что характерное время протекания химически реакций в детонационной волне ≈ 10^-6 с.

Цель изобретения - повышение стабильности калиброванного единичного импульса тяги, входящего в серию однотипных импульсов и расширение функциональных возможностей детонационного двигателя.

Это достигается тем, что перед подачей детонирующего топлива в KД ее срез герметично перекрывают диафрагмой, детонирующее топливо подают в КД, осуществляя количественный контроль за его расходом (для газовых детонационных двигателей - по парциальному давлению каждого из компонентов смеси), кроме того, инициируют детонационные процессы в КД, а также автоматически производят смену диафрагмы на срезе КД, подготавливая тем самым двигатель к следующему импульсному срабатыванию.

Предложенный способ создания тяги газовым импульсным детонационным двигателем характеризуется следующими отличительными существенными признаками.

Перед подачей детонирующего топлива в КД ее срез герметично перекрывают диафрагмой. В замкнутое пространство, образованное системой: КД + диафрагма, подают детонирующее топливо, при подаче топлива в камеру осуществляют его количественный контроль. Компоненты газовой детонационной смеси подают в КД поочередно, соответственно заданному парциальному давлению в камере, а смену диафрагмы в промежутке между двумя последовательными срабатываниями детонационного двигателя производят автоматически, что соответствует критерию "существенные отличия".

В прототипе отсутствуют перечисленные признаки, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

На фиг.1 изображена принципиальная схема детонационного двигателя (ДД), как один из возможных вариантов технических устройств, обеспечивающих реализацию способа создания тяги газовым импульсным ДД; на фиг.2 - вид ДД со стороны среза КД (вид по стрелке A на фиг.1); на фиг.3 - прижимная рама, вид сверху и сбоку.

Детонационный двигатель состоит из КД 1, имеющей систему инициирования единичных детонаций 2 (например, свечу зажигания), систему количественного контроля за расходом детонирующего топлива 3 (например, датчик давления для замерa парциальных давлений компонентов смеси при заполнении КД), а также смеситель 4, представляющий собой трубопровод, в стенках которого вдоль всей его длины по определенному закону выполнены отверстия для ввода компонентов смеси в КД. Смеситель камеры газового ДД соединен посредством магистралей 5, 6, количество которых зависит от количества компонентов в детонирующей газовой смеси, с баками 7, 6, в которых хранятся соответствующие компоненты этой смеси. Магистраль 5(6) содержит трубопровод, регулятор давления 9(10) и пускоотсечный клапан 11 (12) соответственно. Кроме того, ДД включает устройства герметизации и замены диафрагм. Устройство герметизации состоит из источника сжатых газов 13, трубопроводов 14, 15 и 16, соединенных между собой посредством двухпозиционного клапана 17, а также пневмоцилиндров 18, в которых поршни 19 через штоки 20 жестко связаны тягами 21 с прижимной рамой 22. Трубопроводы содержат необходимую пневмоавтоматику: регулятор давления 23 и обратный клапан 24. Поршни 19 герметично разделяют каждый из пневмоцилиндров на две полости "а" и "б". В каждой из этих полостей размещены по пружине 25 и 26, а также по одному датчику положения поршня 27 и 28. Жесткость пружин неодинакова, жесткость пружины 26 больше жесткости пружины 25. Прижимная рама 22 расположена у среза КД и имеет по два отверстия прямоугольной формы 29 и 30 (см.фиг.3), размещенных симметрично с каждой из сторон, и одно круглое отверстие 31, расположенное в центре рамы, причем диаметр его выполнен в строгом соответствии с выходным сечением КД. На прижимной раме имеется кольцеобразный выступ 32, а на фланце выходного сечения КД - соответствующий ему паз 33. В отверстия 29 и 30 прижимной рамы определенным образом заправлена лента для диафрагмы 34, которая намотана на барабаны 35 и 36. Чтобы обеспечить необходимый крутящий момент при перемотке ленты, барабан 35 подсоединен к электроприводу 37.

В исходном положении лента для диафрагмы 34 заправлена в прижимную раму 22 (см. фиг.1) и полностью перекрывает у рамы отверстие 31. Прижимная рама выполнена подвижной, причем она может иметь два положения: крайнее левое - при герметизации диафрагмы (оно показано на фиг.1) и крайнее правое, которое является для рамы исходным. Таким образом, в исходном (крайнем правом) положении между прижимной рамой и срезом КД образован зазор, следовательно, в исходном положении отверстие 31 перекрыто лентой для диафрагмы, но эта лента не прижата прижимной рамой. Зазор между рамой и срезом КД, во-первых, снимает ограничения на подвижном ленты для диафрагмы давая возможность с минимальными затратами усилий при необходимости осуществлять перемотку ленты с барабана 35 на барабан 36 и, во-вторых, осуществляет связь полостей "а" пневмоцилиндров 18 с внешней средой через распределительные магистрали 16, двухпозиционный клапан 17, трубопровод 15 и КД, что обеспечивает в полости "а" давление газа на поршень, равное давлению окружающей среды. Исходное положение прижимной рамы достигается за счет подбора расположенных в пневмоцилиндрах пружин 25 и 26, которые подобраны таким образом, что жесткость пружин 26 на заданную величину превышает жесткость пружин 25, т. е. пружины 26, воздействуя на поршни 19, перемещают их в крайнее правое положение, о чем сигнализирует в систему автоматического управления космического аппарата (САУ КА) датчик положения 27. Так как штоки 20 поpшней 19 жестко соединены тягами 21 с прижимной рамой, то и сама рама занимает крайнее правое положение. Кроме того, в исходном положении регуляторы давления 9 и 10 настроены на заданное рабочее давление в КД, пускоотсечные клапаны 11 и 12 закрыты.

ДД работает следующим образом.

По команде от САУ КА двухпозиционный клапан 17 отсоединяет распределительные магистрали 16 от трубопровода 15 и подсоединяет их к магистрали 14. Рабочее тело под давлением из баллона 13 через регулятор давления газа 23 и двухпозиционный клапан по магистралям 16 поступает в полости "а" пневмоцилиндров. Поршни 19 сжимают пружины 26 и занимают крайнее левое положение, о чем выдается сигнал в САУ КА датчиком 28. Перемещение поршней посредством штоков и тяг передается прижимной раме, которая плотно прижимает ленту для диафрагм к фланцу среза КД. В результате этого осуществляется герметизация диафрагмы и выходного сечения КД при помощи кольцеобразного выступа 32 на прижимной раме и соответствующего ему паза 33 на фланце КД. При поступлении сигнала в САУ КА от датчика 28 САУ выдает команду на открытие пускоотсечного клапана 11 (12), при этом один из компонентов детонирующей смеси поступает через смеситель 4 в замкнутое пространство, ограниченное стенками КД и диафрагмой, при этом смеситель 4 вводит компонент практически одновременно в весь объем КД. При достижении в КД определенного парциального давления (в качестве контролирующего элемента выступает датчик давления 3) пускоотсечный клапан 11 (12) закрывается и открывается клапан 11 (10), давая доступ второму компоненту смеси в КД. После того, как датчик давления 3 выдает сигнал в САУ о достижении заданного парциального давления, клапан 12 (11) закрывается. В случае многокомпонентной смеси операция повторяется до тех пор, пока все компоненты, составляющие смесь, с заданными парциальными давлениями не подадут в КД. По окончании формирования смеси в КД детонационный двигатель считается готовым к запуску. По команде из САУ КА происходит инициирование детонационных процессов в КД (например, поджиг смеси). В результате детонация резко повышается давление в КД, при этом, поскольку диафрагма имеет меньшую прочность чем стенки КД, осуществляются ее прорыв и нестационарное истечение газов из камеры двигателя, в результате чего создается реактивная сила. По сигналу датчика 3 о падении давления продуктов сгорания в КД ниже заданной величины САУ КА формирует команду на перестыковку магистралей в двухпозиционном клапане 17, магистраль 15 подстыковывается к распределительным магистралям 16, а магистраль 14 герметично перекрывается. В результате перестыковки магистралей полости "а" пневмоцилиндров сообщаются с внешней средой и давление в них падает до величины давления внешней среды. Поршни 18 под действием пружин 26 занимают крайнее правое положение, происходит разгерметизация системы: прижимная рама - фланец на срезе КД, при этом образовывается зазор между рамой и срезом КД, который снимает ограничения на подвижность ленты для диафрагм, обеспечивая тем самым возможность с минимальными усилиями осуществить перемотку ленты на барабан 36. Как только поршни 19 стали в крайнее правое положение датчик 27 выдает об этом сигнал в САУ КА, из которой поступает команда на электропривод 37 для проворота барабана 36 на определенный угол с целью замены диафрагмы на срезе КД, при этом сработанная часть ленты для диафрагмы наматывается на барабан 36. Замена диафрагм при протяжке ленты осуществляется по принципу смены кадров на фотоаппарате при фотографировании. После смены диафрагмы отключается электропривод 37, а ДД считается приведенным в исходное положение и готовым к следующему импульсному срабатыванию.

Техническое преимущество изобретения заключается в следующем. Повышается стабильность калиброванного единичного импульса тяги детонационного двигателя в серии однотипных импульсов. Расширяется функциональные возможности ДД по применению газовых взрывчатых смесей с тремя и более компонентами, входящими в состав детонирующего топлива, а также по изменению режима работы ДД, поскольку, меняя соответствующим образом начальные парциальные давления компонентов детонирующей смеси, есть возможность изменять в достаточно широких пределах величину суммарного импульса тяги при каждом импульсном срабатывании ДД, что в свою очередь позволяет при помощи детонационного двигателя создавать именно тот суммарный импульс при меньшем количестве срабатываний двигателя, который в данный момент необходим.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано при конструировании реактивных систем управления космическими летательными аппаратами и импульсных двигательных установок космических станций. Целью изобретения является повышение стабильности калиброванного единичного импульса тяги, входящего в серию однотипных импульсов, и расширение функциональных возможностей детонационного двигателя. Способ заключается в том, что срез камеры двигателя герметично перекрывают диафрагмой, после чего в замкнутое пространство, образованное системой камера-диафрагма, поочередно подают компоненты детонирующего топлива, интенсивно смешивая их между собой в процессе подачи и контролируя количество каждого из поданных компонентов, инициируют детонационные процессы в камеры. При этом в промежутке между двумя последовательными срабатываниями двигателя смену диафрагмы производят автоматически. 3 ил.

СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТЯГИ ГАЗОВЫМ ИМПУЛЬСНЫМ ДЕТОНАЦИОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ, заключающийся в том, что детонирующее топливо подают в камеру двигателя порциями и затем инициируют детонационные процессы в камере, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности калиброванного единичного импульса тяги, входящего в серию однотипных импульсов, и расширения функциональных возможностей детонационного двигателя, срез камеры двигателя герметично перекрывают диафрагмой, после чего в замкнутое пространство, образованное системой камера - диафрагма, поочередно подают компоненты детонирующего топлива, интенсивно смешивая их между собой в процессе подачи и контролируя количество каждого из поданных компонентов, причем в промежутке между двумя последовательными срабатываниями двигателя смену диафрагмы производят автоматически.