ПЛАЗМЕННО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02K11/00 F03H1/00 

Изобретение относится к области авиационного и ракетного двигателестроения на жидком топливе.

Известно применение прямоточного воздушно-реактивного двигателя в самолетах и летательных средствах [1]
Недостатком таким двигателей является низкий индикаторный КПД, большой расход топлива и окислителя (катализатора), большой выброс токсичных окислов азота. Известно, что в воздухе атмосферы содержится 21% кислорода, а с учетом влаги атмосферы не более 23% Это основной резерв окислителя жидкого топлива. Кроме того, при предварительной ионизации встречного воздушного потока (в т. ч. и лазерным лучом), часть кислорода потребляется на окисление азота воздуха (которого 78% общей массы воздуха) и образование окислов азота. Следовательно, как бы не "съедал" летательный аппарат кислород атмосферы и озон стратосферы, его двигатель не доиспользуется по окислителю топлива и выбрасывает недогоревшее топливо и более 40 г окислов азота на каждый килограмм топлива (керосина). Это ведет к перерасходу топлива, ухудшению экологии атмосферы и стратосферы, ограничению полета по высоте и дальности.

Известен плазменно-реактивный двигатель, содержащий соединенные между собой и расположенные соосно камеру сгорания, состоящую из камеры воспламенения и сжигания топлива и имеющую форсунку подачи, магнитный ускоритель плазмы и гидродинамическое сопло [2] Недостатком данного двигателя является расход топлива при малой реактивной тяге.

Задачей изобретения является увеличение реактивной силы двигателя, уменьшение расхода топлива и выброса окислов азота при работе двигателя в плотной атмосфере и на космических высотах.

Сущностью изобретения является создание двигателя на новых физико-химических принципах, с использованием естественных природных окислителя и топлива.

Теплотворная способность топлива и количество кислорода (воздуха) определяют температуру горения. От режима горения зависит мощность двигателя и расход топлива. Чрезвычайно важным в реактивном двигателестроении является не только подъем температуры горения, но и скорость сгорания и распространение фронта горения горючей смеси. Процесс работы двигателя включает характер подвода реагентов в зону горения и взаимную "диффузию" в зоне реакции. Интенсивное испарение и газообразование топлива, диффузия окислителя и ускорение фронта горения приводят к увеличению давления и образование ударной (взрывной) волны, распространяющейся по направляющим сопла.

В зависимости от высоты полета летательного средства (самолета или ракеты) работа двигателя будет в разных режимах: плотных слоях атмосферы; в стратосфере (до 50 км над Землей) и мезосфере (свыше 50 км).

Предлагаемый двигатель схематически изображен на фиг. 1 (продольный разрез) и фиг. 2 поперечный разрез А-А на фиг. 1.

Двигатель состоит из четырех основных блоков: соединенных между собой и соосно расположенных камеры сгорания, состоящей из камеры воспламенения и сжигания топлива 1 магнитного ускорителя плазмы 2, газодинамического сопла 3 и ионно-динамического зонда 4. Камера воспламенения и сжигания имеет корпус, состоящий из торцевых крышек 10 и 11 и вихревой камеры 13, выполненной в виде улитки (фиг. 2). На верхней торцевой крышке 11 укреплены топливная форсунка 5, коронирующие электроды-запальники 6 и расположенные радиально по периферии форсунки 7. Боковая радиальная стенка 14 имеет тангенциальные каналы 15 для подвода воздуха (окислителя) в плотных слоях атмосферы и ионизированной плазмы в стратосфере и мезосфере. Нижняя часть камеры сопрягается с магнитным ускорителем плазмы торовой поверхностью, на которой радиально периферийно и последовательно размещены форсунки 7 для подачи пара (или воды) и коронирующие электроды 6. Магнитный ускоритель плазмы состоит из ферромагнитного сердечника 8 (магнитотвердого или магнитомягкого) и катушки 9, создающей вращающееся переменное магнитное поле. Магнитный ускоритель плазмы торовой сужающейся поверхностью соединяется с соплом. Внешняя радиальная поверхность газодинамического сопла содержит радиальный карман-охладитель плазмы 16. Нижняя расширенная часть сопла содержит кольцевой желоб 17 для сбора отработанной воды. Из желоба по каналам 18 в стенках сопла вода путем теплообменных процессов превращается в пар и поступает на форсунки 7. Расширенная коническая часть газодинамического сопла переходит в радиально расположенные ионно-динамические зонды 4.

При работе двигателя в плотных слоях атмосферы закрученный поток воздуха через всасывающий патрубок и тангенциальные каналы 15 поступает в камеру воспламенения топлива. Топливо (керосин), впрыскиваемое форсункой 5, коронирующими электродами-запальниками и приложенным импульсным коронным разрядом диспергируется и диссоциируется на простые (легкие) углеводороды. Происходит предварительное холодное "зажигание" топлива. Происходит пиролиз и электрокрекинг керосина на гомологически различающиеся по физическим свойствам продукты (газы, жидкости и твердые вещества). Основными газообразными продуктами разложения являются этилен (C₂H₄), метан (CH₄), ацетилен (C₂H₂) и остальные фазы CO, CO₂, O₂, H₂. Разница в теплоте сгорания между высшими и низшими членами гомологического ряда уменьшается. Например, теплота сгорания ацетилена отличается от этилена на 600 700 кДж. Следовательно, эффективность работы двигателя зависит от интенсивности превращения высших углеводородов в низшие, с последующим воспламенением и сжиганием.

По мере увеличения давления (при закрытых заслонках), за счет интенсивного испарения и газообразования горючей смеси, ток короны подпирается и возрастает температура накала коронирующего электрода-запальника 6, происходит воспламенения и вторая стадия (после холодного) сжигания горючей смеси. Первоначальное вращение горючей смеси осуществляется за счет вихревого потока (атмосферы Земли и Солнца), поступающего по тангенциальным каналам 15 вихревой камеры. Вращающаяся ионизированная плазма поступает в сужающуюся торовую область, где начинает ускоряться и получать добавочный окислитель топлива в виде перегретого пара до температуры 300^oC, впрыскиваемое форсунками 7 (теплообменное устройство для перевода воды в перегретый пар на схеме не показано). Коронирующими электродами 6, расположенными по окружности расширяющейся торовой поверхности, производится ионизация плазмы. Для преодоления тепловой инерции (стоячих тепловых волн), в центральной части торового сечения, напряжение короны пульсирующее, с медленным подъемом до амплитудного, и резким спадом. При этом плазма диссоциируется и ионизируется, а вода диссоциируется на ионы:
H₂O ⇄ H⁺+OH^-
с последующим окислением и восстановлением до молекулярных газов водорода и кислорода:

При этом энтальпия ионно-радиационной ионизированной плазмы возрастает. Источником электронов в вышеприведенных реакциях является коронный пульсирующий разряд в высокотемпературной ионизированной плазме. Горячая ионно-радиационная плазма из вихревой камеры поступает в магнитный ускоритель 2, где вращающимся переменным магнитным полем она ускоряется и разделяется. При температуре плазмы, превышающей 2000^oC соединение водорода с кислородом не происходит. Ускоритель плазмы является и газоциклоном, разделяющим газы по массовому составу. Наиболее легкий водород, вращаясь, премещается к наружной поверхности ускорителя (толстые линии на фиг. 3), а ниже, с меньшей амплитудой (тонкая линия) кислород и далее догорающие углеводороды и тяжелые газы. В сечении сужающейся торовой поверхности газодинамического сопла, происходит ускорение плазмы и соединение водорода с кислородом. Охладителем (например жидким водородом) находящемся в кармане 16 сопла, периферийные газы водород и кислород охлаждаются до температуры 1500^oC500^oC.

Охлажденные водород и кислород, в объемном отношении два к одному, при таких температурах соединяются взрывом, и в области расширяющейся части сопла создается добавочная реактивная сила. При этом образовавшаяся вода, по стенкам расширяющейся части сопла, собирается в кольцевом желобе 17, а затем по каналам 18 в стенках сопла, путем теплообменных процессов и разности давлений, в виде перегретого пара поступает на форсунки 6. Этот режим работы двигателей продолжается до перехода в стратосферу, где содержание кислорода минимальное, а содержание окислов азота максимальное (в нижней части стратосферы).

При работе двигателя в режиме верхней стратосферы и мезосферы часть воды, при увеличении давления пара на форсунках 7, сбрасывается. Сбрасываемая вода (пар) ионизируется космическими лучами (согласно приведенным выше формулам), увеличивая поверхностную плотность заряда летаельного средства. При этом поверхностная плотность заряда, приобретаемого летательным средством в атмосфере, возрастает за счет суммарного заряда от ионизации воды и естественных зарядов из мезосферы. Магнитное поле с одинаковой силой воздействует на весь объем униполярной заряженной летательной среды. Летательное средство, с радиальным размещением двигателей на нем и движущимся по околоземной магнитной силовой орбите, с координатами 50 град. 30 мин. северной широты и 72 град. восточной долготы, показано на фиг. 4. Реактивная сила, действующая на единицу объема летательного средства (последний рассматривается как заряженный эллипсоид, направленный длинной осью вдоль силовых линий магнитного поля), со стороны поля напряженностью H, может быть представлена выражением:

где,
μ магнитная проницаемость среды;
s поверхностная плотность заряда на летательном средстве.

При концентрации и стечении поверхностных зарядов от ионизирующих газов с зондов 4 возникает добавочная реактивная сила. Зонды имеют телескопическую конструкцию. Управление летательным средством в стратосфере и мезосфере осуществляется выдвижением (удлинением или укорочением) зондов. С выдвинутого зонда стекают электрические заряды, создавая реактивную силу и вращающий момент, обеспечивающий поворот летательного средства. При выставленных всех, радиально расположенных зондов (применительно к данному средству), стекающие заряды создают добавочную реактивную силу.

Координаты запуска летательного средства и его дальнейший полет определяется условиями наибольшей напряженности магнитного поля Земли. При полете летательного средства "ловится" магнитная силовая линия наиболее напряженности, с движением по ней, с учетом магнитного склонения и околоземных магнитных полюсов и фокусов, и дальнейшим переходом околосолнечные магнитные силовые линии. В области плотной атмосферы добавочная реактивная сила, определяемая напряженностью магнитного поля Земли, незначительна, и возрастает она по мере подъема, начиная с высот 58-60 км и выше. Поэтому запуск и первоначальный полет в плотных слоях атмосферы не существен и может быть осуществлен в любом месте земного шара. Но в верхних слоях стратосферы и мезосферы роль магнитодвижущей силы будет более существенной, т.к. реактивная сила будет зависеть не только от напряженности магнитной силовой линии, но и величины эквивалентного заряда, приобретаемого летательным средством из мезосферы (протоны водорода, гелия и незначительных положительных ионов атомарного кислорода) и генерируемых двигателем, путем ионизации космическими лучами воды, выбрасываемой форсунками двигателя. В ионосфере, начиная с высоты 50 60 км, при полностью открытой приточной системе, двигатель потребляет природное, естественное топливо-водород, в соответствии с реакциями:

При этом источником электронов является коронный (или тихий) разряд, создаваемый электродами 6, а источником кислорода (так и водорода) - диссоциированная и ионизированная вода (пар), впрыскиваемая форсунками 7. Образовавшиеся молекулярные водород и кислород затрачиваются на создание реактивной силы (при соединении с кислородом). Высота 50 60 км характеризуются пониженной температурой (-50^oC60^oC) и наименьшим содержанием молекулярного водорода. Ионизированная космическими лучами, влага атмосферы создает озонный слой и водородное понижение температуры в граничной зоне атмосферы и стратосферы.

Применительно к портативному (ранцевому) двигателю, на фиг. 5 показано устройство для подачи в двигатель топлива и окислителя. Над вихревой камерой воспламенения и сжигания топлива расположены питатель жидкого топлива (керосина) и воды. Оба питателя соединены на общую форсунку (сопло). Капельная подача топлива обеспечивается импульсным давлением мембраны 19 пьезового (электромагнитного) преобразователя 20. Подача воды осуществляется электроимпульсным давлением, путем электроискрового разряда в воде между заземленным 16 и не заземленным 17 игольчатыми электродами. Клапанный штуцер 18 служит для подачи воды в питатель, а штуцер 21 для подачи топлива. Коронирующие электроды 6, верхнего и нижнего расположения, выполняют те же функции, что и в непортативном двигателе. Электрическая (технологиская) схема приведена на фиг. 6. От автономного источника питания напряжением 12 В подается на высокочастотный прерыватель-преобразователь 1. Выходное переменное напряжение подается на трансформатор Т_р. Низкое синусоидальное переменное напряжение подается на пьезовый (электромагнитный) элемент импульсного питателя топлива 3. Высокое напряжение с трансформатора подается на умножитель двухполупериодного выпрямления с отрицательным потенциалом на коронирующих электродах. Высокочастотное низкое напряжение с клемм AB подается на катушку магнитного ускорителя плазмы. В блоке 2 показаны коронирующие системы верхнего и нижнего расположения электродов. Кнопкой К производится зажигание горючей смеси. При нажатии кнопки возникает электрическая дуга между корпусом и изолированным от него одним из коронирующих электродов. После образования дуги и воспламенения горючей смеси кнопка возвращается в исходное положение. Искровой разряд на питателе воды 4 осуществляется при напряжении, меньшем напряжения короны. Периодичность импульсного разряда определяется емкостью C1. Питатель топлива (керосин), срабатывает раньше, а следовательно, впрыскивание и зажигание топлива производится раньше капельного впрыскивания воды. Обе капельницы работают на общее сопло 5, обеспечивающее подачу топлива и окислителя в вихревую камеру воспламенения и сжигания топлива. Аспирационная система обеспечивает поступление солнечной ионно-радиационной плазмы в камеру, с последующей рекомбинацией и нейтрализацией ионов плазмы с помощью коронного разряда пульсирующего напряжения (источника электронов).

На фиг. 7 изображен полет человека с применением портативного (ранцевого) плазменно-реактивного двигателя. Ионно-радиационная солнечная плазма состоит (наибольшая концентрация ионов) из положительных ионов водорода (протонов) и гелия. Летящий объект заряжен положительно (знаки плюс по всей поверхности), а поверхностные заряды стекают с зондов. Объект летит по магнитной (солнечной или земной) магнитной силовой линии. Отработанная вода (получившаяся в результате соединения водорода с кислородом) стекает по направляющим газодинамического сопла и ионизируется космическими лучами.

Предлагаемый двигатель обладает более мощной тягой, высокой экономичностью и является более экологическим. Работа двигателя возможна как в плотных слоях атмосферы, так и космических высотах, с использованием ионно-радиационной плазмы как источника добавочной естественной природной энергии. Уменьшение расхода топлива в 5 и более раз позволяет увеличить высоту и дальность полета. Возможно использование двигателя в качестве портативного (ранцевого) с использованием новых физико-энергетических принципов.

Использование: в области авиационного и ракетного двигателестроения на жидком и газообразном топливе. Сущность изобретения: двигатель состоит из вихревой камеры воспламенения и сжигания топлива, магнитного ускорителя плазмы и газодинамического сопла, соединенных соосно и сопряженных торовыми поверхностями, на которых размещены форсунки для подачи воды (пара) и коронирующие электроды. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Плазменно-реактивный двигатель, содержащий соединенные между собой и расположенные соосно камеру сгорания, состоящую из камеры воспламенения и сжигания топлива и имеющую форсунку подачи топлива, магнитный ускоритель плазмы и газодинамическое сопло, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена вихревого типа, соединена с магнитным ускорителем плазмы, а последний с газодинамическим соплом посредством сопряженных торовых поверхностей, причем на торцевой поверхности камеры сгорания по периферии форсунки подачи топлива размещены коронирующие электроды-запальники, а в нижней части камеры, на торовой поверхности, периферийно и последовательно размещены форсунки для подачи воды или пара и коронирующие электроды. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что магнитный ускоритель плазмы содержит катушку и ферромагнитный сердечник, создающие вращающееся магнитное поле. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что коническая расширяющаяся часть газодинамического сопла содержит насадки-зонды для концентрации и стечения зарядов от ионизированных газов.