РАКЕТНО-ТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КОМБИНИРОВАННОГО ТИПА Российский патент 1998 года по МПК F02K9/78 

Изобретение относится к устройствам, характеризующимся сжатием потока за счет скоростного напора воздуха, то есть к прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ПВРД), а еще точнее - к комбинированным ракетно-турбинным двигателям (РТД).

В двигателях данного класса представляется возможным сочетать преимущества турбореактивных двигателей (ТРД) - малый расход топлива (горючего) с преимуществами ракетных двигателей (РД) - с хорошей скоростной и высотной характеристиками.

Имеется опыт разработки двигателей, состоящих из ТРД и РД, имеющих общий привод и размещенных в едином корпусе.

В массовом отношении также РТД выгоднее, чем простая комбинация ТРД и РД.

Наиболее близким по принципу работы и техническому устройству к заявляемому изобретению является ракетно-турбинный двигатель комбинированного типа ATR.

Данный двигатель ATR был предложен для перспективного одноступенчатого воздушно-космического самолета (ВКС) военного назначения и может быть отработан, как утверждают зарубежные специалисты, через 10-15 лет. Для такого типа двигателя характерно расширение диапазона достигаемых скоростей и высот полета. Несмотря на то, что данный тип двигателя еще не освоен ни одной страной, дальнейшее развитие ракетной и космической техники уже сейчас требует своего дальнейшего совершенствования, например, при разработке и создании аэрокосмического самолета.

Для летательных аппаратов, перспективных до 2000 г. и далее, требуется широкий диапазон плавного изменения скорости их полета, начиная от дозвуковых и кончая гиперзвуковыми, а также, чтобы их двигатели работали экономично на любых высотах вплоть до безвоздушного пространства.

Рассматриваемая схема известного РТД комбинированного типа обеспечивает вариацию параметров силовой установки в случаях включения в работу ТРД в условиях атмосферы или ЖРД в космосе. Плавное изменение режимов работы с изменением высоты и скорости полета летательного аппарата в этом известном двигателе не обеспечивается по той причине, что нет промежуточного режима между ВРД и ЖРД (при больших числах Маха свыше 5-6 наиболее эффективным является применение ПВРД).

Кроме того, для данного типа РТД характерны сравнительно большие размеры смонтированного в нем ЖРД из-за использования высотного сопла Лаваля. Даже в случае применения раздвижного сопла частично ухудшаются как массовые, так и геометрические характеристики двигателя.

Задача изобретения состояла в разработке ракетно-турбинного двигателя комбинированного типа, в котором возможно объединение различных типов двигательных установок ЛА для обеспечения различных режимов полета в широком диапазоне скоростей и высот.

Решение поставленной задачи означает создание двигателя, работа которого эквивалентна работе ТРД, ЖРД и двухрежимного ПВРД (сверхзвукового ПВРД-СПВРД и гиперзвукового ПВРД-ГПВРД), а также возможность их комбинации в процессе полета летательного аппарата.

Поставленная задача решается тем, что ракетно-турбинный двигатель (РТД) комбинированного типа, представляющий собой комбинацию элементов РТД с жидкостным ракетным двигателем (ЖРД), смонтированных в едином корпусе и образующих блочную конструкцию, согласно изобретению снабжен внешним кожухом, прикрепленным к корпусу РТД внутренними пилонами, внутри которых размещены элементы топливной аппаратуры, а во входном и выходном сечениях установлены кольцевые регулирующие створки, образующие совместно с подвижным кожухом и корпусом РТД двухрежимный ПВРД, причем передние регулирующие створки установлены на подвижном кожухе, задние - на внешнем кожухе, а сопловая часть представляет собой двойное концентрическое укороченное сопло внешнего расширения с центральным телом, внутри которого установлен ЖРД с кольцевой камерой сгорания и соплом внешнего расширения с центральным телом, внутри которого размещены элементы общего турбонасосного агрегата.

На чертеже представлена кинематическая схема ракетно-турбинного двигателя комбинированного типа.

Двигатель состоит из двух основных двигателей, объединенных в одной конструкции: ТРД 1 и ЖРД 2. Кроме того, в состав РТД входят внешний кожух 3, внутренние пилоны 4, задние кольцевые створки 5, подвижный кожух 6, передние кольцевые створки 7, двойное концентрическое сопло 8, общий турбонасосный агрегат (ТНА) 9, блоки топливной автоматики 10, редуктор 11 с разобщающей муфтой и с изменяемым передаточным числом, газогенератор 12, блок пусковых клапанов 13, выдвижной конус 14, осевой компрессор 15, турбина 16.

РТД может функционировать в нескольких различных режимах. При этом газогенератор 12 и турбонасосный агрегат 9 функционируют на всех режимах. Управление подачей компонентов топлива осуществляют блоки топливной автоматики 10.

Первый режим работы РТД комбинированного типа - режим турбореактивного двигателя.

При этом ЖРД и ПВРД не функционируют.

Исходное положение элементов РТД: подвижной кожух 6 сдвинут таким образом, что кольцевые створки 7 раскрыты полностью, что обеспечивает максимальный подвод воздуха к осевому компрессору 15 и полное перекрытие входного сечения ПВРД; осевой компрессор 15 соединен через редуктор 11 с турбиной 16. Створки 5 закрыты полностью.

РТД в данном режиме работает следующим образом.

Запуск осуществляется аналогично запуску самолетного турбореактивного двигателя. Раскрученная после запуска турбина 16 приводит в действие осевой компрессор 15 и насосы ТНА 9, из которых используется только насос для подачи негорючего в газогенератор 12. Расходом горючего управляют блоки топливной автоматики 10. Горючее через топливную аппаратуру поступает в газогенератор 12, где смешивается с воздухом, поступающим от осевого компрессора 15, и сгорает. Продукты сгорания вращают турбину, а затем истекают через внутренний контур двойного концентрического сопла внешнего расширения с центральным телом - ЖРД 2, создавая реактивную тягу.

Второй режим работы РТД комбинированного типа - режим сверхзвукового ПВРД (СПВРД) совместно с турбореактивным двигателем (ТРД)
При этом ЖРД не работает.

Исходное положение элементов РТД: подвижный кожух 6 частично сдвинут вперед навстречу потоку; кольцевые створки 7 открывают входное сечение ПВРД и прикрывают входное сечение ТРД; кольцевые створки 5 прикрыты, образуя критическое сечение во внешнем контуре двойного концентрического сопла 8; остальные элементы РТД находятся в положении, как указано в первом режиме.

Этот режим предпочтительно использовать после достижения ЛА скорости звука. Работа ТРД в данном режиме аналогична работе его в первом режиме с учетом того, что начинает функционировать сверхзвуковой ПВРД. При этом помимо генератора 12 ТРД горючее подается через топливную аппаратуру, установленную во внутренних пилонах 4, в камеру сгорания ПВРД, где, смешиваясь с атмосферным воздухом, сгорает. Создаваемое при этом рабочее тело истекает через критическое сечение, образованное корпусом ТРД и кольцевыми створками 5, а затем разгоняется по центральному телу внешнего контура двойного концентрического сопла 8 и выходит в атмосферу, создавая силу тяги помимо силы тяги ТРД. В этом режиме параметры входных потоков как РТД так и ПВРД регулируются кольцевыми створками 7 и выдвижным конусом 14. Параметры выходного потока ПВРД регулируются изменением площади критического сечения с помощью кольцевых створок 5.

Третий режим работы РТД комбинированного типа - режим гиперзвукового ПВРД(ГПВРД).

При этом ЖРД не функционирует. ТРД работает на минимальном режиме, необходимом только для функционирования ТНА 9.

Исходное положение элементов ТРД: подвижный кожух перемещается вперед навстречу входному потоку, полностью открывая входное сечение ГПВРД и прикрывая входное сечение РТД до минимального значения площади поперечного сечения; передаточное число редуктора 11 имеет минимальное значение, створки 5 открыты полностью. Остальные элементы РТД находятся в положении, как указано в первом режиме.

Работа РТД в данном режиме заключается в следующем.

Подача горючего осуществляется аналогично подаче горючего во втором режиме. ТРД работает на минимальном режиме, который обеспечивает только необходимую частоту вращения турбины 16 ТНА 9 и практически тягу не создает. Сила тяги в данном режиме создается только ГПВРД. Работа ГПВРД имеет отличительные особенности относительно работы СПВРД. Сжатие входного потока дозвукового, как в СПВРД, не происходит. Смешение горючего осуществляется со сверхзвуковым потоком атмосферного воздуха. Соответственно продукты сгорания (рабочее тело) тоже имеют сверхзвуковую скорость. Следовательно, дальнейший разгон потока может осуществляться не сужением, а расширением площади поперечного сечения канала. Поэтому отпадает необходимость создания критического сечения. Следовательно, кольцевые створки 5 полностью открыты. Разгон потока осуществляется с помощью центрального тела внешнего контура двойного концентрического сопла 8. Рабочее тело из газогенератора 12, пройдя через лопатки турбины, протекает через внутренний контур сопла 8, что повышает эффективность работы внешнего его контура.

Четвертый режим работы РТД комбинированного типа - режим ЖРД.

Работает только ЖРД 2. Исходное положение элементов РТД: кольцевые створки 5 закрыты; подвижный кожух 6 перемещен навстречу входному потоку в крайнее положение; кольцевые створки 7 закрыты; вал осевого компрессора 15 разобщен с валом турбины 16 при помощи разобщающей муфты редуктора 11; блоки топливной автоматики обеспечивают подачу окислителя и горючего в камеру ЖРД 2 и в газогенератор 12.

Работа РТД в данном режиме заключается в следующем.

При поступлении окислителя и горючего в газогенератор 12 они воспламеняются. При этом образуется рабочее тело (продукты сгорания), которое вращает турбину 16. Турбина приводит в действие насосы окислителя и горючего ТНА 9. Из ТНА 9 компоненты топлива с помощью блоков топливной автоматики 10 подаются в камеру сгорания ЖРД 2 и в газогенератор 12 с целью создания рабочего тела для турбины 16. Продукты сгорания из кольцевой камеры ЖРД 2 истекают через критическое сечение и разгоняются соплом внешнего расширения с центральным телом. Таким образом создается сила тяги. Рабочее тело, вытекающее из газогенератора 12, пройдя через лопатки турбины, истекает через внутренний контур двойного концентрического сопла 8 наружу.

Пятый режим работы РТД комбинированного типа - совместный режим ГПВРД и ЖРД.

Исходное положение элементов РТД аналогично исходному положению в третьем режиме за исключением того, что окислитель и горючее подаются в камеру сгорания ЖРД 2.

Работа РТД в этом режиме аналогична работе его в третьем и четвертом режимах, осуществляемых параллельно.

Шестой режим работы РТД комбинированного типа - режим совместной ТРД и ЖРД.

Исходное положение элементов РТД аналогично исходному положению для первого режима (режима ТРД) за исключением того, что окислитель и горючее подаются в камеру ЖРД 2.

Работа РТД в этом режиме аналогична его работе в первом (режим ТРД) и в четвертом (режим ЖРД), осуществляемых параллельно.

Седьмой режим работы РТД комбинированного типа - совместный режим ТРД, СПВРД и ЖРД.

Исходное положение элементов РТД аналогично исходному положению для второго режима (совместный режим ТРД и СПВРД) за исключением того, что в камеру сгорания ЖРД подаются окислитель и горючее. Работа РТД в этом режиме аналогична его работе во втором (совместный режим ТРД и СПВРД) и в четвертом (режим ЖРД) режимах, осуществляемых параллельно.

Разработанная конструктивная схема заявляемого РТД комбинированного типа дает возможность разработки в следующем столетии как нового пилотируемого транспортно-космического и аэрокосмического летательных аппаратов, так и новых видов вооружения. В настоящее время данным работам за рубежом уделяется большое внимание. Например, фирмы США и Японии к 1992 г. планируют завершить разработки двигателя ATREX, совмещающего в одной конструкции ТРД и двухрежимный ПВРД.

Заявляемый в качестве изобретения РТД комбинированного типа позволяет значительно расширить диапазон плавного изменения скорости ЛА, начиная от дозвуковых ее значений и кончая гиперзвуковыми на различных высотах его полета. Это позволит решить такие задачи космического полета, как стыковка и причаливание космических аппаратов, их маневрирование на орбите и сход с нее, ориентация и стабилизация в космическом пространстве, а также посадка на безатмосферные планеты и др.

Конструктивное выполнение всех типов двигателей в едином устройстве позволяет значительно улучшить массовые и геометрические характеристики ЛА по сравнению с автономным их использованием.

Используемое сопло внешнего расширения обеспечивает расчетный режим работы двигателя на всех высотах полета ЛА, что повышает экономичность его работы.

Кроме того, экспериментальные исследования показали, что такие сопла целесообразно применять при значительном их укорочении. Например, уменьшение длины контура сопла на 50% практически не приводит к потерям тяги, а сокращение его длины на 80-90% уменьшает величину тяги не более, чем на 1,5-2%. Однако выигрыш в габаритах и массе оказывается весьма существенным.

Большие перспективы открываются при использовании разработанного типа двигателя для военных целей, например для перехвата баллистических ракет, для создания новых, практически неуязвимых ракетоносителей и др.

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: ракетно-турбинный двигатель комбинированного типа состоит из ракетно-турбинного двигателя, образующего совместно с его корпусом и подвижным кожухом двухрежимный прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Внутри центрального тела в укороченном сопле внешнего расширения установлен жидкостный ракетный двигатель с кольцевой камерой сгорания и соплом внешнего расширения с центральным телом, внутри которого размещены элементы общего турбонасосного агрегата. 1 ил.

Ракетно-турбинный двигатель комбинированного типа, представляющий собой комбинацию элементов ракетно-турбинного двигателя с жидкостным ракетным двигателем, смонтированных в едином корпусе и образующих блочную конструкцию, отличающийся тем, что он снабжен внешним кожухом, прикрепленным к корпусу ракетно-турбинного двигателя внутренними пилонами, внутри которых размещены элементы топливной аппаратуры, а во входном и выходном сечениях установлены кольцевые регулирующие створки, образующие совместно с подвижным кожухом и корпусом ракетно-турбинного двигателя двухрежимный прямоточный воздушно-реактивный двигатель, причем передние регулирующие створки установлены на подвижном кожухе, задние - на внешнем кожухе, а сопловая часть представляет собой двойное концентрическое укороченное сопло внешнего расширения с центральным телом, внутри которого установлен жидкостный ракетный двигатель с кольцевой камерой сгорания и соплом внешнего расширения с центральным телом, внутри которого размещены элементы общего турбонасосного агрегата.