Изобретение относится к области создания и эксплуатации аппаратов для движения над водной поверхностью или сушей, которые обладают также возможностью свободного полета в воздухе с вертикальным взлетом и посадкой.
Уровень техники.
Известны суда на воздушной подушке (СВП) амфибийного типа (см. патент Великобритании 935620), а также амфибийного и скегового типов (см. патент США 3405675 и брошюру "Суда завтрашнего дня", В.А. Ильин, 7/1977, Знание, серия транспорт, Москва, стр. 24-43 [1], Д.Д. Эвинс, "Энергия", Энергоатомиздат, М., 1985 г., стр. 273-276 [2]).
Во всех судах на воздушной подушке типа СВП с динамическим принципом поддержания судна над поверхностью существует главный недостаток, заключающийся в большой энергоемкости, которая в настоящее время достигает 37 кВт/тонна (см. [2], стр. 275).
Применение скеговых судов с заглубленными в воду боковыми пластинами бортов судна несколько снижает расход энергии за счет уменьшения утечки из-под днища судна сжатого воздуха или другого газа, однако появляются недостатки, связанные со снижением маршевой скорости и невозможности работы на суше.
Дополнительные конструктивные мероприятия, связанные с усложнением "юбки", также мало эффективны.
Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению принимаем устройство по патенту 935620 (Великобритания), содержащее судно с 2-мя воздушными винтами (вентиляторами) и гибким ограждением корпуса СВП.
Основным существенным недостатком ближайшего аналога являются большие затраты энергии на динамическое поддержание СВП, невысокая скорость и ограниченная область применения.
Сущность изобретения.
Поставленная изобретением цель реализуется за счет установки двигателей в днище корпуса на шарнирах и размещения их в нем равномерно. Причем воздушно-реактивные прямоточные пульсирующие двигатели выполнены с диффузором и газораспределительным механизмом в виде многолопастного шнека и центрального тела с вогнутой передней поверхностью и снабжены камерами сгорания и рубашками охлаждения с последовательно установленными в ней комбинированными форсунками и электродетонаторами, сообщающимися с конической переходной частью и выхлопной трубой с соплом Лаваля, системы нагнетания и транспортирования углеводородного топлива, концентрированного раствора сильного электролита и системы возбуждения электрических разрядов. Кроме того, поставленная цель достигается в изобретении за счет установления в камере сгорания дополнительных форсунок, а в расширяющейся части выхлопной трубы - сопле Лаваля электродов и внешнего магнита и дополнительного снабжения комбинированными форсунками с патрубками и цилиндрическими шнеками в них, смежно расположенными каналами в диэлектрическом корпусе с центральными электродами, соплами и взрывной камерой, с одной стороны сообщающейся с соплами и комбинированной форсункой, а с другой - с камерой сгорания двигателя. Камеры сгорания снабжены электродетонаторами с патрубками и цилиндрическими шнеками в них, центральными каналами в диэлектрическом корпусе с электродами и противоположно расположенными им соплами. Кроме того, поставленная цель достигается в изобретении еще и за счет того, что в его гибком днище размещены сквозные каналы для выхода паров электролита и воды под давлением и получения паровой прослойки под гибким днищем с помощью комбинированных форсунок или аппарат выполняется с металлическим днищем, гибким ограждением, системой разбрызгивания воды и форсунками, обеспечивающими создание под аппаратом паровой подушки.
Из практики эксплуатации аппаратов с динамическим принципом поддержания, а также из патентно-технической литературы не было известно о существовании аналогичных по конструкции аппаратов или судов. Из приведенных выше новых существенных признаков можно сделать вывод о том, что каждый из них необходим, а вместе взятые в совокупности с известными признаками они необходимы для реализации поставленной цели. Другими свойствами в приведенном техническом решении налицо наличие причинно-следственной связи между существенными признаками и целью, поставленной изобретением.
Из вышеприведенного можно сделать вывод: заявляемое техническое решение соответствует основному критерию изобретения "изобретательский уровень".
Вся совокупность заявляемых существенных признаков, решая поставленную изобретением цель - снижение энергозатрат для динамического поддержания аппарата над поверхностью, обеспечивает ее реализацию с получением планируемого результата. Поставленная в изобретении цель может быть неоднократно реализована с заявленной совокупностью существенных признаков. Это в полной мере соответствует такому критерию изобретения, как "промышленная применимость".
Изложенная сущность изобретения поясняется чертежом, где:
- на фиг. 1 изображен продольный разрез по корпусу аппарата по II-II с показом колодцев, в которых на шарнирах установлены воздушно-реактивные пульсирующие двигатели;
- на фиг.2 показан продольный разрез по корпусу по I-I;
- на фиг.3 приведен вид сбоку на аппарат (с показом воздушно-реактивного пульсирующего двигателя с установленным на нем внешним магнитом);
- на фиг.4 показан продольный разрез по воздушно-реактивному пульсирующему двигателю;
- на фиг.5 приведен продольный разрез по комбинированной форсунке;
- на фиг. 6 показан продольный разрез по электродетонатору с показом принципиальной схемы генератора электрических импульсов;
- на фиг.7 приведен разрез по воздушно-реактивному пульсирующему двигателю с показом в его расширяющейся части (сопло Лаваля) электродов и внешнего магнита;
- на фиг.8 изображены узел а с продольным сечением по днищу транспортного средства с показом продольного разреза по форсунке, выполненной по типу электродетонатора, и принципиальная схема генератора электрических импульсов (ГИ);
- на фиг.9 приведен разрез по А-А днища аппарата с показом выхлопных патрубков и облицовок каналов для выхода паров электролита и воды.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Первый вариант.
Аппарат с динамическим поддержанием состоит из корпуса 1 с днищем 2. Борта 3 корпуса выполнены пустотелыми и имеют гибкое ограждение 62 (юбка). Внутри корпуса под днищем выполнена система трубопроводов с отверстиями для разбрызгивания холодной забортной воды, обеспечивающая понижение температуры выхлопных газов под днищем корпуса в пространстве, ограниченном бортами 3 и юбкой 62.
В днище 2 на заданном расстоянии друг от друга размещены колодцы 4, в которых на шарнирах установлены воздушно-реактивные пульсирующие двигатели 5, а по бортам корпуса 1 на заданном расстоянии друг от друга размещены воздухозаборники 6. Имеется опорная поверхность 7 (вода, суша и пр.).
Двигатели 5 имеют возможность свободного поворота вокруг вертикальной оси на 360o для обеспечения высокой маневренности и управляемости аппарата над водной поверхностью и обеспечения его передвижения в заданном направлении, а также и при полете в воздухе (условно вся аэродинамическая часть аппарата - оперение, несущие плоскости на чертеже не показаны, а их наличие зависит от назначения этого устройства (аппарата)).
Двигатель 5 состоит из камеры сгорания 8 с охлаждением ее стенок, например, водой 59, конической переходной части 9, выхлопной трубы 10 и расширяющейся части 11 - сопла Лаваля. Впереди камеры сгорания установлен диффузор 12 с многолопастным шнеком 13, а в центре диффузора размещено центральное тело 14, связанное со шнеками, которое с одной стороны заострено, а с другой выполнено в виде вогнутой поверхности (отражателя) 15 (для отражения ударных волн).
Многолопастной шнек выполняет функции газораспределительного механизма, обеспечивает поступление в камеру сгорания 8 атмосферного воздуха и препятствует выходу продуктов сгорания в сторону диффузора.
Камера сгорания 8 снабжена комбинированными форсунками 16, а противоположно им размещены электродетонаторы 17.
Показаны 18 - топливный насос; 19, 20 - насосы для подачи концентрированного раствора сильного электролита; 21, 22, 23 - генераторы электрических импульсов (ГИ) форсунок; 24 - блок управления генераторами (блок ГИ), обеспечивающий своевременное включение ГИ 21, 22, 23; 25, 26, 27 - генераторы электрических импульсов (ГИ) элекродетонаторов 17; 28 - блок управления ГИ электродетонаторов; 29 - фронт акустической волны; 30 пунктирные линии условно показывают разделение камеры сгорания 8 на три камеры горения со своими форсунками 16 и электродетонаторами 17.
На фиг.5 показана комбинированная форсунка 16. Она состоит из металлического наружного корпуса 31, внутреннего корпуса 32, выполненного из диэлектрического материала, с установленной в нем обычной жидкостной форсункой (например, от дизеля) закрытого типа 33. Форсунка имеет обычный распылитель 34 с отверстиями. Внутри корпуса 32 выполнены вертикальные каналы 35 большого диаметра с соплами 36 и электродами 37, размещенными противоположно друг другу.
Два патрубка 38, расположенные противоположно друг другу, имеют внутри шнеки 39, по которым (патрубкам) подается раствор электролита в каналы 35. Шнеки служат для отражения ударных волн.
Показаны 40 - фланцы для крепления форсунки к камере сгорания; 41 - взрывная камера форсунки; 42 - струи углеводородного топлива (бензина); 43 - струи электролита; 44 - область контакта струй электролита (выраженная ориентировочно в виде шляпки гриба); 45 - зона камеры сгорания 8.
Электроды 37 форсунок подключаются к генераторам электрических импульсов 21, 22, 23.
На фиг.6 показан электродетонатор, по своей конструкции практически ничем не отличающийся от форсунки. Разница лишь в отсутствии в нем обычной жидкостной форсунки 33. Он состоит из наружного металлического корпуса 46 и внутреннего 47, выполненного из диэлектрического материала. С боков выполнены два патрубка 54 для подачи электролита со шнеками 55. Для крепления к корпусу камеры сгорания электродетонаторы имеют фланцы 56. Внутренние каналы 48 большого диаметра сообщаются с патрубками 54 и имеют с одной стороны электроды 50, а с другой - сопла 49.
Показаны струи элекролита 57, зона пересечения струй 58. Генератор электрических импульсов содержит источник постоянного тока 51, конденсатор 52, управляющий прибор 53 (разрядник) (для включения электродетонатора, находящегося под напряжением 6-10 кВ).
Показаны 60 - отраженная акустическая волна от днища, 61 - отраженная акустическая волна от поверхности, например, воды.
Аппарат с динамическим поддержанием, далее будем его называть просто аппарат, работает следующим образом.
В целях существенного снижения затрат энергии на поддержание аппарата в воздухе над любыми поверхностями и в отличие от судов на воздушной подушке (СВП) динамическое поддержание в предлагаемом устройстве осуществляется за счет действия нескольких сил и выполнения двигателей по фиг.4 с рабочим процессом, основанным на детонационном принципе сгорания топлива (например, бензина) с высоким КПД. Кроме этого, приводится и второй вариант двигателей - МГД-генераторов, еще более повышающих КПД.
В качестве трех сил, действующих на днище аппарата, используются:
1. Силы звукового давления от многократно отраженных от поверхности воды (суши и пр.) и днища 2 аппарата акустических волн, генерируемых при работе двигателей 5, которые одновременно являются источниками когерентного излучения. Известно, что над совершенно гладкой поверхностью воды акустическая волна отражается только по зеркальному направлению, а поток энергии в отраженной волне тот же, что и в падающей. Коэффициент отражения практически равен единице, поскольку акустические свойства воды и воздуха (плотности и скорости звука) сильно отличаются друг от друга (см. "Акустика океана". А.М. Бреховских, М.: Знание, Физика, 3/1977 г., стр. 23-28 [3]).
Возникающая интерференция акустических волн только усиливает звуковое давление на днище аппарата. Однако в открытом океане практически не бывает идеально ровной поверхности, обычно есть зыбь или ветровое волнение, или то и другое.
Тем не менее можно считать, что отражение происходит от гладкой поверхности, если высота морских волн будет много меньше длины акустической волны, а точнее, если проекция высоты морской воды на направление распространения акустической волны будет много меньше длины акустической волны. Иначе, чем более полого падает на неровную поверхность акустическая волна, тем более гладкой для этой волны становится поверхность, тем больше становится энергия отраженных волн и меньше рассеянных (см. [3], стр. 26).
Для длин акустических волн до десятков метров
где λ - длина волны, м/с;
V - скорость звука ≈340 м/с;
υ - частота звука ≈16-30 и до 100-200 Гц,
поверхность нельзя рассматривать как гладкую, и, следовательно, на днище аппарата будут поступать как отраженные от поверхности, так и рассеянные компоненты акустических волн, создавая давление снизу вверх на днище, равное согласно формуле
откуда
Па (1),
где J - интенсивность звука, Вт/м2;
Р - звуковое давление, Па;
с - скорость звука, м/с;
ρ - плотность воздуха, кг/м3;
(см. Курс физики, например, О.Ф. Кабардин, Факультативный курс физики. М.: Просвещение, 1979 г., стр. 44-54).
Каждый реактивный двигатель, являясь к тому же и когерентным источником звука, создает свое звуковое поле с падающими и отраженными акустическими волнами, в результате суммарное звуковое давление на днище аппарата выразится как сумма звуковых давлений:
В нашем примере установлено 21 реактивных двигателей, поэтому у ∑Р знак 21. Однако звуковое давление зависит от КПД установки, где под КПД подразумевается количество полностью отраженных от днища акустических волн, которое может меняться в широких пределах в зависимости от волнения на море, а также эффекта образования волнения от работы самих двигателей, которые своими струями периодически отжимают в стороны поверхность воды, создавая на ней неровную поверхность.
Поэтому общее звуковое давление будет равным
∑P21•η,
где η - КПД аппарата.
Для предотвращения подтопления реактивных двигателей борта 3 выполняются пустотелыми, выдерживающими вес всего аппарата на воде. Иными словами аппарат выполняется в виде катамарана, в котором водоизмещающие устройства выполнены по бокам аппарата (пустотелые борта 3), а днище 2 скрепляет их и размещено между ними.
2. Динамическое поддержание аппарата над поверхностью, например, воды осуществляется и за счет обычного эффекта "воздушной подушки" под днищем СВП. В данном случае под днищем аппарата при заданной температуре и давлением выхлопных газов из реактивных двигателей 5 также поддерживается повышенное давление g. Причем за счет повышенной температуры выхлопных газов снижается общий расход газа, утекающего из-под гибкого ограждения, т.е. при одной и той же грузоподъемности СВП и аппарата последний имеет меньшие энергозараты и могут использоваться двигатели меньшей мощности. Чем выше температура отработанных газов под днищем, тем меньше энергозатраты на динамическое поддержание судна (за счет расширения газов от температуры при выхлопе их из двигателей). Однако при этом необходимо применение современной термостойкой теплоизоляции днища 2 и бортов 3 аппарата, и в настоящее время эта температура отработанных газов может находиться на уровне 200-400oС и регулируется с помощью подачи воды, разбрызгиваемой из системы трубопроводов аппарата.
3. Третьим направлением динамического поддержания аппарата является реактивная тяга, развиваемая двигателями 5. Тяга:
R= m•c•nдв,
где R - реактивное усилие одного двигателя, направленное вверх, кг;
c - скорость истечения струи газов, м/с;
nдв - количество двигателей;
m - масса газов.
В итоге общее динамическое давление на поддержание аппарата складывается из трех составляющих: E = ∑P21•η+g+R (2), а затраты энергии становятся несравненно меньше, чем у современных СВП.
Четвертое направление снижения энергии Е на поддержание аппарата состоит в следующем. Двигатель, показанный на фиг.4, - воздушно-реактивный пульсирующий без турбокомпресора и газовой турбины, работает с применением нового рабочего процесса - детонационного сгорания топлива - перегретых паров бензина и небольшого количества продуктов разложения концентрированных водных растворов сильных электролитов (водорода и кислорода). Организация детонациооного процесса сгорания топлива обеспечивает мгновенное возрастание давления продуктов сгорания в камере 8 до 14-15 кг/см2, температуры до 2500-3000oС, а скорость выхлопных газов также мгновенно увеличивается и достигает 1200-1400 м/с при нормальном атмосферном давлении воздуха в камере сгорания 8. Причем детонационный процесс сгорания обеспечивает тепловыделение на 10-12% больше, чем при обычном медленном горении горючей смеси (см. С.С. Бартенев. Детонационные покрытия в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1982 г. , стр. 25 и 26 [4] и А.И. Зверев. Детонационное напыление покрытий. Л.: Судостроение, 1979 г., стр.18-42, 178 [5]).
Таким образом, детонационный процесс сгорания топлива, обеспечивающий достижение высокого давления в камере сгорания двигателя (а при движении аппарата это давление еще более повышается), заменяет турбокомпрессор и газовую турбину в ТРД, так как давление газов в обоих двигателях почти равны между собой, резко повышается КПД за счет быстрого нарастания температуры продуктов сгорания и большего тепловыделения (10-12%), упрощается газораспределительный механизм, достигается простота конструкции и небольшой вес силовой установки.
Пятое направление снижения энергозатрат будет рассмотрено во втором варианте двигателя.
Камера сгорания 8 условно разделена на несколько зон горения, в данном примере на три зоны: I, II, III, которые служат в специальных целях, описанных ниже.
Для работы аппарата в обычном режиме - режиме движения в камеру сгорания топливо впрыскивается сразу же из всех трех форсунок 16 с включением одного или также всех электродетонаторов 17.
При пуске топливо - бензин насосом 18 подается к комбинированным форсункам 16 и поступает в топливные форсунки 33 закрытого типа (см. фиг.5), через которые оно под давлением впрыскивается в виде струй 42 во взрывную камеру 41. Одновременно насосом 19 подается концентрированный водный раствор сильного электролита через патрубки 38 в каналы 35 и с помощью сопел 36 струи электролита направляются друг к другу, где встречаются в зоне контакта 44, замыкая электрическую цепь генератора электрических импульсов (51, 52, 53) с образованием взрывного процесса. Однако начало взрыва может регулироваться и с помощью прибора 53 (разрядника, также управляемого).
В результате конденсатор 52 разряжается с протеканием тока разряда большей мощности Р=J2•R по струям электролита 43, которые нагреваются, испаряются и перегреваются до заданной температуры. Причем температура электрического взрыва жидких проводников, какими являются струи электролита 43, может изменяться в широких пределах и достигать Т=40•103 - 50•103 oС и выше в зависимости от мощности генератора электических импульсов (ГИ) (см. Б.А. Артамонов. "Размерная электрическая обработка металлов", М.: Высшая школа, 1976 г., стр. 213-231, т.1, а также т.2, 1983 г., стр. 71-103 [6], [7]).
Высокая температура электрического взрыва струй электролита 43 обеспечивает мгновенное испарение струй 42 жидкого топлива, в частности бензина, до температуры, не превышающей температуру диссоциации струй раствора электролита - 2500-2700oС, с получением при этом еще и продуктов разложения водного раствора электролита - водорода и кислорода - прекрасного топлива для сгорания в камере 8 вместе с парами бензина (см. "Новые методы преобразования энергии". Г. Мучник, ЭХИ, ЭХГ и т.д. М.: Знание, 1984/4, стр. 47 и 48 [8]).
Таким образом, в камеры сгорания 8 двигателей 5 "впрыскивается" под большим давлением (за счет взрыва струй 43) смесь перегретых паров топлива и "гремучего газа" - водорода и кислорода, образовавшихся после электротермического разложения струй 43 электролита, которая мгновенно смешивается с атмосферным воздухом в камере 8, так как и впрыснутая паровая смесь и воздух находятся в одном и том же агрегатном состоянии (оба газы), что обеспечивает еще и работу двигателя при коэффициенте избытка воздуха α, приближающемся к теоретическому. Одновременно включаются электродетонаторы 17 с помощью разрядника 53 и разрядный ток конденсатора 52 протекает через струи 57, нагревает их, испаряет и перегревает более температуры диссоциации раствора струй 57 для получения более мощного взрыва. Образовавшиеся ударные волны при электрическом взрыве струй 57 достигают скорости около 1700 м/с и температуры горючей смеси в зоне сжатия ее ударными волнами до 1700 К, что обеспечивает мгновенное воспламенение смеси и ее детонацию по всему фронту с резким подъемом температуры и давления [4].
Высокое гидравлическое сопротивление многолопастного шнека 13 и наличие центрального тела с вогнутой поверхностью 15 позволяют отражать ударные волны, а продуктам сгорания вытекать в сторону сопла 11 с образованием в конце трубы 10 из детонационно-ударных волн мощной акустической волны и последующим многократным отражением ее от поверхности воды и днища 2 корпуса 1 аппарата.
Процесс детонационного сгорания проходит с минимальным коэффициентом избытка воздуха α. В результате еще больше повышается КПД двигателя за счет меньшего его количества, участвующего в рабочем процессе горения, а использование перегретых паров топлива в смеси с продуктами разложения электролита сокращает время сгорания топлива и еще более повышает КПД.
Суммируя изложенное - повышенное тепловыделение на 10-12% при детонационном горении топлива (бензина), очень малый коэффициент избытка воздуха α ~ 1,01 и высокая температура детонационного горения ~3000oС, которые еще больше повышаются за счет присутствия в горючей смеси продуктов разложения водного раствора электролита струй 43 - гремучего газа (водорода и кислорода), можно сделать вывод о высоком КПД двигателя, не имеющего турбокомпрессора (функции турбокомпрессора, позволяющего повысить давление в камере сгорания, заменяются взрывным детонационным процесом, при котором резко повышаются температура и давление до 14-15 кг/см2 при пуске двигателя и еще больше повышаются, когда аппарат движется с большой скоростью до 20-25 кг/см2).
Второй вариант двигателя.
Показанный на фиг.7 двигатель отличается от первого (основного) двигателя 5 преобразованием его в реактивный МГД-генератор путем установки в рабочей части 63 (62 - камера сгорания) двигателя внешнего магнита 64 и электродов. При движении продуктов сгорания - слабо ионизированной плазмы с температурой более 2000 К и пересечении магнитных силовых линий в плазменной струе появляется индуцированная ЭДС, величина которой пропорциональна скорости струи газа и напряженности магнитного поля. Под действием этой ЭДС в плазме происходит разделение зарядов и возникает электрический ток, который замыкается на внешнюю нагрузку через электроды 65, 66, омываемые плазменной струей. В плазменном МГД-генераторе не обязательно иметь полностью ионизированную плазму, так как зависимость электропроводности от степени ионизации показывает, что при α = 10-2 проводимость достигает 90% от максимальной (α= 1). Получение газовых струй с такой степенью ионизации возможно путем введения в газ небольшого количества (около 1% от веса газа) легко ионизирующих присадок (К, Na и др.), которые в данной системе образуются при испарении струй электролита 43 или 57 и применением водных растворов струй, например, из хлористого натрия с концентрацией от 10 до 25% (см. [6], стр. 230 и "Техническая термодинамика". В. И. Крутов, М., Высшая школа, 1971 г., стр. 447 и 448 [9]). Кроме того, т.е. преобразования двигателя в МГД-генератор, он в этом случае работает на 2-х видах топлива - перегретых парах бензина, впрыскиваемых в камеру сгорания 62 комбинированными форсунками 67, 68, 69, и "гремучем газе" - водороде и кислороде - продуктами электротермического разложения раствора электролита при электрическом взрыве струй 57, впрыскиваемых форсунками, выполненными по типу электродетонаторов, показанному на фиг.6, т.е. форсунками 70, 71, 72.
Процесс изменения параметров в канале МГДГ подобен процессу расширения газа в турбине и отличается от него тем, что требуется большая электропроводность рабочего вещества, достигаемая в данной конструкции за счет работы форсунок 67, 68, 69, 70, 71, 72 или только электродетонаторов 73, 74, 75 со струями электролитов, содержащими в своем составе натрий или калий.
Работа двигателя на 2-х видах топлива точно обеспечивает сокращение расхода углеводородного топлива - бензина, причем не менее чем на 35-40% из-за высокого КПД МГД-генератора, и напрямую зависит от КПД реактивного МГДГ.
Если в первом варианте двигателя по фиг.4 электрическая энергия для работы вспомогательных механизмов (насосов), форсунок 16, электродетонаторов 17 и пр. вырабатывается с помощью установки на аппарате вспомогательного, например, дизель-генератора небольшой мощности, то во втором варианте она (электрическая энергия) генерируется с помощью МГД-генератора, что позволяет использовать в качестве дополнительного топлива растворы электролитов, впрыскиваемых форсунками 70, 71, 72, что резко сокращает расход основного углеводородного топлива - бензина.
Это пятое направление уменьшения затрат энергии на динамическое поддержание аппарата позволяет еще более повысить его экономичность и использовать новое топливо - концентрированные водные растворы сильных электролитов в качестве компонента основного топлива - бензина.
Большое значение в эксплуатации такие аппараты приобретают еще и за счет того, что, имея легкие и мощные детонационные двигатели (по первому варианту - фиг. 4) с большой силой тяги (в связи с большой скоростью истечении газов из сопла за счет детонации), они в состоянии использоваться в качестве летательного аппарата с вертикальным взлетом и посадкой, когда реактивные двигатели установлены так, как показано на фиг. 2, изменяя их положение в пространстве (вектор тяги). Аппарат после отрыва, например, от водной поверхности может перейти в горизонтальный полет (по типу вертолета), или эти операции выполняются при движении аппарата над водной поверхностью с заданной скоростью и последующим переходом в горизонтальный полет с набором высоты (по типу самолета). Конечно, КПД вертикального взлета и посадки на реактивном двигателе низок и не превышает 10-15%. Однако, имея возможность движения аппарата над водой и в воздухе по типу вертолета и самолета, он приобретает значительные преимущества перед существующими СВП, а также и летательными аппаратами, не имеющими возможности парить над, например, морской поверхностью. Иными словами предлагается новый класс машин, имеющий многочисленные преимущества перед СВП, вертолетами и самолетами.
Еще одним преимуществом перед существующими аппаратами - СВП, вертолетами и самолетами является то, что двигатели аппарата при необходимости могут преобразовываться в акустические генераторы низкой частоты - инфразвуковой и иметь направленный мощный звуковой луч, т.е. приобретать функции двигателя и акустического генератора при частоте 16-30 Гц.
Детальное рассмотрение работы двигателей (по фиг.4 и 7) и акустических генераторов начнем с работы форсунок и электродетонаторов.
Поступившее в форсунки 16 топливо, например бензин, под давлением от насоса 18 вспрыскивается в виде струй 42 во взрывную камеру 41. Одновременно концентрированный водный раствор сильного электролита по патрубкам 38 поступает в каналы 35 с большим диаметром и поперечным сечением для уменьшения нагрева током раствора и через сопла 36 вытекает в виде струй 43, которые касаются друг друга в зоне 44. После этого включаются генераторы электрических импульсов 21, 22, 23 блоком управления ГИ 24, а также могут включаться прибором (разрядником) 53, или, находясь под напряжением струи при контакте и коротком замыкании в зоне 44, автоматически разряжают конденсатор 52 генераторов 21-23 (что упрощает схему генераторов электрических импульсов).
При разряде конденсатора 52 резкое нарастание тока вызывает быстро меняющееся магнитное поле. Это поле создает поверхностный эффект, благодаря которому ток сосредоточен в узком внешнем слое струй 43, 57. В этом слое выделяется теплота, которая передается во внутренние области струй. Начинается тепловой взрыв струй 43 от зоны контакта 44 в сторону сопел 36 с образованием пара или при заданных других параметрах тока плазмы.
Параметры электрического взрыва струй определяются индуктивностью и емкостью разрядной цепи, начальным напряжением конденсатора, длиной, диаметром и числом струй (так как каналов 35 может быть больше двух - в зависимости от мощности двигателя) (см. [7], стр. 100-103).
Одновременно вспрыснутые струи топлива 42 под действием высокой температуры электрического взрыва струй 43 (температура может достигать до 40•103 - 50•103 К и выше) мгновенно испаряются, а смесь или паров водного раствора электролита, или продуктов разложения раствора на водород и кислород при Т > 2500oС и топлива под большим давлением в виде струи "выстреливается" из камеры 41 в камеру сгорания двигателя, где мгновенно смешивается с воздухом за счет одного и того же агрегатного состояния - оба газа (пары топлива, электролита и воздуха) при низком значении коэффициента избытка воздуха.
После этого включаются электродетонаторы 17 (по фиг.6) с подачей в них электролита от насоса 20, контактом их в зоне 58 и разрядом конденсатора 52 ГИ опять же или за счет короткого замыкания, или с помощью прибора (разрядника) 53, или с помощью блока управления ГИ электродетонаторов.
Температура взрыва струй 57 электродетонаторов превышает температуру взрыва струй 43 в форсунках 16 для создания мощных ударных волн (объем водного раствора электролита при испарении струй увеличивается более чем в 1700 раз, что обеспечивает небольшой по масштабам, но мощный взрыв. Напомним, что обычные ВВ увеличиваются в объеме лишь несколько более чем в 900 раз).
Воспламенение горючей (рабочей) смеси осуществляется в этом случае нагревом ее при сжатии ударной волной, что описано выше (см. [4]), и детонационным взрывом всей горючей смеси в камере сгорания 8.
В процессе детонационного сгорания горючей (рабочей) смеси формируется детонационная волна, которая является комбинацией ударной волны и зоны химической реакции.
По мере продвижения продуктов сгорания из камеры 8 в коническую часть 9 и выхлопную трубу 10 с соплом Лаваля 11 детонационная волна переходит в ударную, а последняя в конце 11 двигателя формируется в мощную акустическую волну, которая, выходя из сопла 11, многократно отражается от поверхности воды водоема и днища 2 аппарата, создавая звуковое давление на днище, и поддерживает аппарат над поверхностью воды.
Работа двигателя в качестве акустического генератора низкой частоты (до 16-30 Гц) с направленным звуковым лучом основана на использовании, во-первых, нескольких зон детонационного горения I, II, III в камере сгорания 8 и, во-вторых, закона физики, утверждающего: "две распространяющиеся в одном направлении звуковые волны с одинаковыми частотами и амплитудами усиливают друг друга, если разность хода = к•λ (где к=0, 1, 2,...), при этом амплитуда результирующей волны вдвое больше амплитуды каждой из волн (см. Х. Кухлинг. "Справочник по физике", М.: Мир, 1982 г., стр. 256-266 [10]).
Работа двигателя в виде акустического генератора по фиг.4 начинается с "впрыска" смеси паров бензина и водного раствора электролита первой форсункой 16 в зону горения I камеры сгорания 8, включения электродетонатора 17 в этой же зоне с образованием детонационного взрыва горючей смеси и детонационной волны (комбинация ударной волны и зоны химической реакции).
В этой же зоне кроме прямой ударной волны, направленной в сторону открытого конца 11 двигателя, формируется и волна, направленная в противоположную сторону, которая достигает вогнутой поверхности 15 и частично наклонных лопастей шнеков 13 и отражается от них, догоняя (благодаря более высокой скорости в нагретой среде) и усиливая основную прямую ударную волну (см. [4]).
Одновременно происходит сжатие воздуха детонационным взрывом во II и III зонах, в которые следом за первым взрывом в зоне I впрыскиваются пары топлива и электролита во II зону, включается электродетонатор 17 второй зоны, образуется снова детонационный взрыв с прямыми и отраженными волнами, которые догоняют (за счет высокой температуры газов - скорость акустических волн увеличивается 
) (см. курс физики) основную волну зоны I, усиленную своей отраженной волной, и еще более ее усиливают с окончательным многократным усилением основной волны после детонационного взрыва горючей смеси в зоне III.
Таким образом, во время работы двигателя "звуковые импульсы" зон II и III все время догоняют импульс зоны I и подпитывают его новой энергией (см. Хранить теплоту. В. Чаховский, Знание, М.: Техника, 1990/4, стр. 55 [11]).
Таким образом, особенностью этого метода является его способность к многократному усилению звука в n раз, равному числу установленных форсунок 16 с электродетонаторами 17, помноженному примерно на два (за счет усиливающего действия отраженных волн).
Увеличивая длину камеры сгорания 8 и количество форсунок 16 с электродетонаторами, можно усилить основную акустическую волну до такой величины, что вещество, расположенное за пределами двигателя и сопла 11, хотя бы теоретически не выдержит и разрушится. Настолько будет велико давление (см. [11]).
После первого "рабочего цикла" (под рабочим циклом будем подразумевать локальные взрывы, происходящие в I, II, III зонах, следующие друг за другом с большой скоростью) и выхода отработанных газов из сопла 11 в камере сгорания 8 создается разрежение и происходит заполнение ее через многолопастной шнек 13 атмосферным воздухом с повторением "рабочих циклов". Однако частота их повторения не должна превышать 16-30 Гц и регулируется в зависимости от условий применения аппарата. При работе в режиме реактивного двигателя I варианта аппарата эта частота рабочих циклов может достигать 100 Гц и более. Усилению импульсов давления способствует и электрическая энергия, идущая на взрыв струй 43 и 57 форсунок и электродетонаторов.
В результате многократного усиления с подпиткой акустических волн последовательными взрывами в камере сгорания обеспечивается выход из сопла 11 направленного звукового луча, а низкие частоты, до 16-30 Гц, (инфразвуковые) позволяют переносить на сравнительно большие расстояния энергию высокой интенсивности J.
Обобщение многочисленных экспериментальных данных о биологической активности инфразвука позволило ученым утверждать, что его воздействие на человека вредно во всех случаях.
Например, интенсивный инфразвук вызывает ряд субъективных расстройств: чувство беспричинного страха, раздражительность вплоть до летального исхода (на частотах 3-5,7 Гц и выше), особенно в период резонанса. Поэтому аппарат может служить эффективным средством в борьбе с подводными и надводными судами, вертолетами и самолетами, живой силой противника, если использовать двигатели, установив их на палубе.
Управление аппаратом в данном периоде осуществляется также реактивными струями, вытекающими из двигателей 5, путем регулирования их направления (изменением вектора тяги).
Второй вариант аппарата с динамическим поддержанием (в дальнейшем также будем его называть "аппарат") коренным образом отличается от первого, главным образом движительной установкой, т.е. устройствами, обеспечивающими динамическое поддержание аппарата над любой поверхностью. Этот аппарат предназначен в основном для эксплуатации в Северных районах страны в целях перевозки различных грузов, техники и людей по любым поверхностям (болото, река, озеро, снег и пр.) в любое время года.
Аппарат 78 содержит силовую установку 77, например дизель-генератор или газотурбогенератор постоянного тока. Днище аппарата может выполняться металлическим (твердым) с устройством гибкого ограждения (не показанного на фиг. 3) или гибким, на основе резины или синтетических полимерных материалов - эластичных и прочных.
Для аппарата с металлическим днищем могут применяться форсунки 76 по фиг. 8, расположенные по сторонам квадрата или в шахматном порядке, при этом сохраняется система разбрызгивания под днищем воды для регулирования температуры пара, выходящего из форсунок, в целях повышения долговечности гибкого ограждения. Для эластичных гибких днищ применяются комбинированные форсунки 31 по фиг.5, в которых через центральную топливную форсунку 33 вместо жидкого топлива впрыскиваются в камеру 41 струи воды в заданном количестве, которые испаряются и поддерживают во взрывной камере 41 заданную температуру пара, в момент электрического взрыва струй 43 электролита, что также обеспечивает длительную и надежную работу гибкого днища (так, резина и пластмассы пока еще не выдерживают высокой температуры).
Эти аппараты с гибким днищем выполняются без ограждения корпуса (юбки) и скользят на паровой прослойке заданной толщины, в которой также происходят процессы многократного отражения акустических волн, порождаемых электрическим взрывом струй 43 растворов электролитов и мгновенным испарением воды из форсунок 33. Иными словами в этих аппаратах также действует часть направлений от первого варианта аппарата, способствующих уменьшению энергии на динамическое поддержание его над опорной поверхностью.
Пары водного раствора электролита и воды "выстреливаются" под гибкое днище с повышенным давлением и поддерживают аппарат, как и в существующих СВП.
Однако действует и реактивная сила за счет истечения струй пара под днище из многочисленных форсунок.
В результате действия на днище аппарата трех сил существенно снижаются затраты энергии на динамическое поддержание его над любой поверхностью (эти же силы действуют и в аппаратах с металлическими днищами). В аппаратах с металлическими днищами гибкое ограждение необходимо при движении по водной поверхности реки, озера, моря, поверхности океана и небольшого участка суши. Форсунка для них, показанная на фиг.8, состоит из металлического корпуса 76 и внутреннего корпуса 79, выполненного из диэлектрического материала. Два патрубка 80 и 81 со шнеками 82, 83 внутри, вертикальными каналами 84, 85 с соплами 86, 87 и противоположно расположенными им электродами 88, 89 содержит форсунка, в конце которой в корпусе 79 выполнена взрывная камера 90. Показаны вытекающие струи электролита 91, зона их контакта 92, 93 - выхлопной патрубок с металлическими стенками 94, 95 - жаропрочная эластичная облицовка канала (выполняется только для гибких днищ), 96 - фланцы крепления форсунки к днищу, 97 - днище аппарата (металлическое или гибкое), 98 - источник постоянного тока генератора электрических импульсов (ГИ), 99 - конденсатор ГИ, 100 - разрядник (прибор для включения ГИ).
При устройстве ГИ без разрядника 100 разряд конденсатора 99 происходит за счет короткого замыкания струй электролита 91 в зоне 92. Струи при этом испаряются и контакт между ними исчезает. В это время происходит вновь зарядка конденсатора 99 от источника 98, когда насос 20 под давлением через патрубки 80 и 81 подает в каналы 84, 85 раствор электролита. Струи 91, вытекая из сопел 86, 87, вновь встречаются в зоне 92 с осуществлением короткого замыкания и разряда конденсатора 99 на струи 91, которые нагреваются и испаряются с истечением пара по каналам 93 под днище аппарата и образованием паровой подушки, акустических волн и реактивной тяги, способствующих поддержанию аппарата.
Применение на аппаратах гибкого днища по типу, показанному на фиг.8, но с установкой форсунок, изображенных на фиг.5 (комбинированные форсунки), позволяет, во-первых, упростить конструкцию, отказавшись от гибкого ограждения, и передвигаться по любой пересеченной местности, так как плотная установка между собой форсунок в днище позволяет получать эффект локального давления при наезде на препятствие и легко преодолевать его по его поверхности.
В качестве маршевого двигателя используется реактивный МГД-генератор, показанный на фиг.7, с применением двух видов топлива (как описано выше) - бензина и водного раствора сильного электролита, позволяющего сократить расход углеводородного топлива примерно на 35-40% в зависимости от КПД всей силовой установки. Кроме того, на 2-х видах топлива работает и дизель-генератор 77 с форсунками по фиг.5, которые устанавливаются в камере сгорания дизеля по две штуки. Через одну форсунку подается топливо, в данном случае вместо дизельного топлива впрыскиваются перегретые пары нефти, мазута и пр., как более дешевые топлива. Дизель-генератор становится как бы "газовым двигателем" со всеми его преимуществами, что в конечном итоге существенно снижает стоимость перевозки грузов. Через вторую форсунку по фиг.5 подается раствор сильного электролита, который при взрыве струй 43 диссоциирует при Т ≥ 2500oС на водород и кислород - прекрасное топливо, сгорающее с помощью своего кислорода в камере сгорания двигателя, что также резко сокращает расход углеводородного топлива - нефти, мазута и пр. (см. патенты 2154738 от 20.08.2000 г. и 2157907 от 20.10.2000 г.).
В целях снижения стоимости аппарата можно использовать для работы всех механизмов и форсунок лишь один двигатель - реактивный МГД-генератор 101.
В качестве водных растворов сильных электролитов могут применяться растворы на основе кислот, солей и оснований (а в некоторых случаях струи 43, 57 могут быть из жидких металлов - Na, К и их сплавов и др.). Например, растворы электролитов, обладающие достаточно высокой электропроводностью, в частности такие сильные электролиты, как кислоты, основания и соли: НNО3, HCl, H2SO4, HBr, NaOH, КОН, NaCl, КСl, NaNO3, NaCl+10%KNO3, со средней концентрацией от 2,5-5% и выше до 20-30% обеспечивают разряд через струи с образованием изотермической плазмы, разложением раствора струй на воду и кислород, а также продуктов электролита и работу плазмы в качестве водородного топлива в МГД-генераторе по фиг.7 и дизель-генераторе 77, а также используются, как описано выше, и для нагрева и испарения до высокой температуры впрыснутых форсунками по фиг.5 тяжелых сортов топлив - нефти, мазута и др. независимо от их температуры испарения. В результате существенно снижается стоимость топлива, сокращается время сгорания с одновременным повышением температуры газов, обеспечивается минимальный коэффициент избытка воздуха α и высокий КПД всех типов реактивных двигателей по фиг, 4 и 7 и поршневого двигателя типа дизель 77 (фиг.3).
Технико-экономическая часть.
1. Аппарат с динамическим поддержанием представляет собой устройство, способное парить над водной или другой поверхностью при минимальных затратах энергии на динамическое поддержание и в отличие от существующих СВП превосходит их по экономичности в несколько раз за счет действия на днище 3-х сил.
2. Легкими воздушно-реактивными прямоточными пульсирующими двигателями с детонационным процессом сгорания топлива, которые одновременно служат и в качестве маршевых двигателей, способных создавать движение аппарата в заданных направлениях, достигается высокая скорость горизонтального движения аппарата, и снижается уровень шума из-за отсутствия специальных винтовых движительных установок, размещаемых на палубе существующих СВП.
3. Достигаются вертикальный взлет - посадка и полет в воздухе подобно вертолетам, однако с большей скоростью подъема и горизонтального полета за счет использования реактивных двигателей.
4. Одновременно аппарат после движения над поверхностью воды с заданной скоростью имеет возможность взлета и продолжительного полета подобно реактивному самолету.
5. Воздушно-реактивные прямоточные пульсирующие двигатели имеют возможность одновременной работы и в качестве двигателей, и в качестве акустических генераторов низкой частоты (до 16-30 Гц), что дает возможность аппарату служить различным целям.
6. Важным преимуществом перед существующими СВП обладает и второй вариант аппарата, особенно с гибким днищем, способным пройти по любой пересеченной местности, причем с более низкими энергозатратами на динамическое поддержание и более простой конструкцией, чем у современных СВП.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ ДВИЖЕНИЯ АППАРАТА НА ВОЗДУШНОЙ СМАЗКЕ И АППАРАТ НА ВОЗДУШНОЙ СМАЗКЕ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2009 |
|
RU2411138C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ | 1997 |
|
RU2161717C2 |
| РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ | 1997 |
|
RU2157907C2 |
| КОМПЛЕКС ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ПОЛЕТА | 2008 |
|
RU2387582C2 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ | 2000 |
|
RU2188084C2 |
| САМОЛЕТ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВЗЛЕТОМ И ПОСАДКОЙ | 2012 |
|
RU2490173C1 |
| СПОСОБ РАБОТЫ МНОГОТОПЛИВНОГО ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ И КОМПРЕССОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 2008 |
|
RU2386825C2 |
| КОМПЛЕКС ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ | 2008 |
|
RU2377397C1 |
| ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВЗЛЕТОМ И ПОСАДКОЙ | 2014 |
|
RU2546385C1 |
| АКУСТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ | 2002 |
|
RU2221283C2 |
Изобретение относится к летательным аппаратам с вертикальным взлетом и посадкой и к амфибийным транспортным средствам. Аппарат с динамическим поддержанием имеет корпус с пустотелыми бортами, воздухозаборниками и днищем, систему транспортирования и разбрызгивания воды, гибкое ограждение и воздушно-реактивные прямоточные пульсирующие двигатели. Воздушно-реактивные прямоточные пульсирующие двигатели установлены в днище корпуса на шарнирах, размещены в нем равномерно. Двигатели выполнены с диффузором и газораспределительным механизмом в нем в виде многолопастного шнека и центрального тела с вогнутой передней поверхностью и снабжены камерами сгорания и рубашками охлаждения с последовательно установленными в ней комбинированными форсунками и электродетонаторами. Камеры сгорания выполнены сообщающимися с конической переходной частью и выхлопной трубой с соплом Лаваля. Аппарат содержит также систему нагнетания и транспортирования углеводородного топлива, концентрированного раствора сильного электролита и систему возбуждения электрических разрядов. В камере сгорания могут быть установлены дополнительные форсунки, а в расширяющейся части выхлопной трубы - сопле Лаваля целесообразно устанавливать электроды и внешний магнит. Аппарат может снабжаться комбинированными форсунками с патрубками и цилиндрическими шнеками в них, смежно расположенными каналами в диэлектрическом корпусе с центральными электродами, соплами и взрывной камерой, с одной стороны сообщающейся с соплами комбинированной форсунки, а с другой - с камерой сгорания двигателя. Технический результат реализации изобретения заключается в снижении энергозатрат для динамического поддержания над поверхностью. 5 з.п.ф-лы, 9 ил.
| Домовый номерной фонарь, служащий одновременно для указания названия улицы и номера дома и для освещения прилежащего участка улицы | 1917 |
|
SU93A1 |
| СУДНО НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ | 0 |
|
SU255071A1 |
| US 3955780 А, 11.05.1976. | |||
