СПОСОБ КУМУЛЯТИВНОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ Российский патент 2003 года по МПК F02K9/62 

Изобретение относится к ракетостроению и самолетостроению, в частности к способу подачи топлива и окислителя в камеру сгорания реактивных двигателей.

Известен способ подачи воздуха и топлива в камеру сгорания, при котором после заполнения камеры сгорания через впускные клапаны воздухом периодически впрыскивается топливо, и после смешения с воздухом топливо воспламеняется электрической искрой (см. книгу Д.В. Моравский, М.А. Фаин. "Огонь в упряжке", М., Знание, 1990, с.167-168).

Ввиду низкой экономичности и относительно небольшой скорости истечения газов пульсирующие двигатели находят весьма ограниченное применение.

Известен способ подачи окислителя и топлива в камеру сгорания, где они перемешиваются и сгорают, а затем истекают через сопло (см. книгу К.Д. Гильзин. "Двигатели невиданных скоростей", М., Машиностроение, 1965, с.129-134).

Недостатком данного способа является ограничение максимальной скорости истечения газовых струй из сопла двигателя, примерно, в 5-6 км/сек пределом возможностей химии ракетных топлив, химической энергии, высвобождающейся при сгорании топлив в ракетном двигателе.

Была поставлена задача на повышение предела максимальной скорости истечения газов и создание возможности простого способа регулирования направления истечения газов из реактивного двигателя.

Задача решается тем, что в известном способе формирования и сжигания горючей смеси в камере сгорания реактивного двигателя, включающем подачу окислителя и топлива, внутри камеры сгорания, перед воспламенением горючей смеси, образуют свободное от горючей смеси пространство, циклически либо непрерывно впрыскивая топливо и окислитель под углом к оси камеры сгорания и распыляя при этом по краю свободного от горючей смеси пространства тяжелые вещества или подавая и поджигая поочередно горючую смесь в виде твердых топливных зарядов, при этом твердые топливные заряды выполнены с выемками, образующими свободное от горючей смеси пространство, и на стенках выемок каждого заряда выполнена оболочка из твердых тяжелых веществ.

Или окислителем является воздух, подаваемый из атмосферы.

Или перед воспламенением горючей смеси в камере сгорания повышают давление, создавая воздушную завесу.

Образование и воспламенение внутри камеры сгорания реактивного двигателя горючей смеси, образуя перед воспламенением свободное от горючей смеси пространство, циклически либо непрерывно впрыскивая топливо и окислитель под углом к оси камеры сгорания и распыляя при этом по краю свободного от горючей смеси пространства тяжелые вещества или подача и поджигание поочередно горючей смеси в виде твердых топливных зарядов, при этом твердые топливные заряды выполнены с выемками, образующими свободное от горючей смеси пространство, и на стенках выемок каждого заряда выполнены оболочки из твердых тяжелых веществ, дает возможность осуществления физического эффекта Монро - кумулятивного сжигания смеси топлива с окислителем или окислителем воздухом, или сжигания твердых топливных зарядов с выемками, увеличивая тягу реактивного двигателя.

Удерживание в камере сгорания воздушной завесой подаваемого воздуха в случае, когда окислителем является воздух, позволяет, до воспламенения горючей смеси, создать в камере сгорания повышенное давление.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что внутри камеры сгорания, перед воспламенением горючей смеси, образуют свободное от горючей смеси пространство, циклически либо непрерывно впрыскивая топливо и окислитель под углом к оси камеры сгорания и распыляя при этом по краю свободного от горючей смеси пространства тяжелые вещества или подавая и поджигая поочередно горючую смесь в виде твердых топливных зарядов, при этом твердые топливные заряды выполнены с выемками, образующими свободное от горючей смеси пространство, и на стенках выемок каждого заряда выполнена оболочка из твердых тяжелых веществ.

Или окислителем является воздух, подаваемый из атмосферы.

Или перед воспламенением горючей смеси в камере сгорания повышают давление, создавая воздушную завесу.

Это позволяет сделать заключение, что данные признаки являются новыми, а предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Проверка соответствия изобретения требованию изобретательского уровня, которая проводилась в отношении совокупности его существенных признаков, показала, что из известного уровня техники не выявлено влияния, предписываемого предлагаемым техническим решением преобразования, характеризуемого отличительными от прототипа существенными признаками, на достижение технического результата: повышение предела максимальной скорости истечения газов и создание возможности простого способа регулирования направления истечения газов из реактивного двигателя. Это свидетельствует о том, что изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, т.е. оно соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 схематично изображена в разрезе камера сгорания реактивного двигателя, где сжигаются топливо с окислителем, причем подача окислителя предусмотрена через форсунки; на фиг.2 схематично изображена в разрезе камера сгорания реактивного двигателя, где сжигаются топливо с окислителем воздухом, причем подача воздуха предусмотрена, через впускные клапаны; на фиг.3 схематично изображена в разрезе камера сгорания реактивного двигателя, где сжигаются отдельные твердые топливные заряды.

Реактивный двигатель 1 содержит камеру сгорания 2, топливные форсунки 3, форсунки для окислителя 4 или впускные клапаны 5, свечу 6, выхлопную трубу 7, возможно использование форсунок для создания воздушной завесы 8, форсунки для распыления тяжелых веществ с плотностью, большей плотности горючей смеси 9. При использовании как окислитель воздуха имеется воздухозаборник 10. В случае использования твердых топливных зарядов 11 применяются оболочки из твердых тяжелых веществ с плотностью, большей плотности горючей смеси 12.

Способ кумулятивного сжигания топлива в реактивных двигателях осуществляется следующим образом.

В камеру сгорания 2 реактивного двигателя 1 через топливные форсунки 3 и форсунки для окислителя 4, под углом к оси камеры сгорания 2, подаются топливо и окислитель, таким образом, чтобы образовалось пространство, свободное от горючей смеси, при этом открытая сторона пространства, свободного от горючей смеси, должна находиться по оси камеры сгорания 2 и направлена в сторону, противоположную от направления создаваемой тяги. Для увеличения импульса реактивного двигателя 1, при кумулятивном сжигании топлива форсунки, распыляют тяжелые вещества с плотностью, большей плотности горючей смеси 9, образуют распыленную оболочку по краю свободной от горючей смеси. Затем горючая смесь воспламеняется свечой 6. При этом происходит кумулятивное сжигание горючей смеси в камере сгорания 2, направленное в сторону выхлопной трубы 7. Кумулятивное сжигание позволяет получить скорости истечения продуктов сгорания до 90 км/с, что значительно превышает предел возможностей химии ракетных топлив. Изменяя направление подачи горючего и окислителя, через топливные форсунки 3 и форсунки для окислителя 4, в камере сгорания 2, можно регулировать направление истечения газов из реактивного двигателя 1.

Возможно использование в качестве окислителя воздуха, проходящего через воздухозаборник 10 и впускные клапаны 5 в камеру сгорания 2. Перед воспламенением горючей смеси впускные клапаны 5 закрываются.

Перед воспламенением горючей смеси можно предварительно поднять давление в камере сгорания 2, используя форсунки для создания воздушной завесы 8.

Подачу горючей смеси в камеру сгорания 2 можно осуществлять постоянно как в случае применения окислителя, так и в случае применения окислителя воздуха. При этом продукты сгорания будут от топливных форсунок 3 постоянно устремляться к центру камеры сгорания 2. При столкновении у центра продуктов сгорания возникнет зона повышенного давления, откуда продукты сгорания, приобретая большую скорость, устремятся в выхлопную трубу 7.

Для двигателей космического полета в камере сгорания 2 для сжигания можно использовать горючую смесь в виде твердых топливных зарядов 11 с пространствами, свободными от горючей смеси, в виде выемок с оболочками из твердых тяжелых веществ с плотностью, большей плотности горючей смеси 12. Способ и механизм подачи и поджигания твердых топливных зарядов 11 в камеру сгорания 2 можно сделать, например, аналогично автоматическим механизмам подачи патронов и снарядов в огнестрельных оружиях (способ и механизм подачи и поджигания твердых топливных зарядов в камеру сгорания 2 условно не изображены).

Возможность осуществления изобретения и обеспечения при этом технического результата, выражающегося в образовании внутри камеры сгорания реактивного двигателя свободного пространства от горючей смеси, перед воспламенением с возможностью осуществления физического эффекта Монро - кумулятивного сжигания смеси топлива с окислителем или окислителем воздухом, или сжигания твердых топливных зарядов с выемками, в результате чего повышается предел максимальной скорости истечения газов и создается возможность простого способа регулирования направления истечения газов из реактивного двигателя, подтверждена приведенными чертежами и описанием различных вариантов осуществления способа кумулятивного сжигания топлива в реактивных двигателях в статическом состоянии и в действии.

Это свидетельствует о том, что изобретение соответствует требованию промышленной применимости.

Источники информации
1. К.А. Гильзин. "Двигатели невиданных скоростей". - М.: Машиностроение, 1965, с.233.

2. В. Е. Алемасов и др. "Теория ракетных двигателей". - М.: Машиностроение, 1980, с.11.

3. А. В. Моравский и др. "Огонь в упряжке". - М.: Знание, 1990, с.167-168.

4. В. А. Лукьянец и др. "Физические эффекты в машиностроении". М.: Машиностроение, 1993, с.51-52.

Способ формирования и сжигания горючей смеси в камере сгорания реактивного двигателя включает подачу окислителя и топлива в камеру сгорания двигателя. Перед воспламенением горючей смеси внутри камеры сгорания образуют свободное от горючей смеси пространство, циклически либо непрерывно впрыскивая топливо и окислитель под углом к оси камеры сгорания и распыляя при этом по краю свободного от горючей смеси пространства тяжелые вещества. Или же свободное от горючей смеси пространство образуют, подавая и поджигая поочередно горючую смесь в виде твердых топливных зарядов, при этом твердые топливные заряды выполнены с выемками, образующими свободное от горючей смеси пространство, и на стенках выемок каждого заряда выполнена оболочка из твердых тяжелых веществ. Изобретение позволит создать простой способ регулирования направления истечения газов из реактивного двигателя. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ формирования и сжигания горючей смеси в камере сгорания реактивного двигателя, включающий подачу окислителя и топлива, отличающийся тем, что внутри камеры сгорания, перед воспламенением горючей смеси, образуют свободное от горючей смеси пространство, циклически либо непрерывно впрыскивая топливо и окислитель под углом к оси камеры сгорания и распыляя при этом по краю свободного от горючей смеси пространства тяжелые вещества или подавая и поджигая поочередно горючую смесь в виде твердых топливных зарядов, при этом твердые топливные заряды выполнены с выемками, образующими свободное от горючей смеси пространство, и на стенках выемок каждого заряда выполнена оболочка из твердых тяжелых веществ. 2. Способ формирования и сжигания горючей смеси по п. 1, отличающийся тем, что окислителем является воздух, подаваемый из атмосферы. 3. Способ формирования и сжигания горючей смеси по п. 2, отличающийся тем, что перед воспламенением горючей смеси в камере сгорания повышают давление, создавая воздушную завесу.