СТУПЕНЧАТЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F02K9/28 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для создания двигательных установок в конструкциях с высокими динамическими нагрузками (снаряды, ракеты).

Известны реактивные двигательные установки на основе ракетных двигателей (патенты RU 2072952, RU 2094330, RU 2149276, RU 2156721), позволяющие разгонять твердые тела в космосе до скоростей 7,9-16,67 км/с (1-я, 2-я, 3-я космические скорости), а в нижних слоях атмосферы до 3000 м/с (10М). Наиболее близкой к заявленному изобретению является реактивная двигательная установка, описанная в патенте RU 2094330.

К недостаткам подобных двигательных установок следует отнести достаточно большой расход топлива и, следовательно, большую массу конструкции в целом. Так, для достижения космических скоростей соотношение веса заряда и веса метаемого тела составляет 500/1. В результате повышается сложность конструкции (повышаются вес, объем, общие габариты), многократно увеличивается время изготовления и обслуживания и, соответственно, увеличивается общая стоимость продукта со всей инфраструктурой. Кроме того, используемые виды топлива и окислителей оказывают сильное воздействие на человека, в том числе на обслуживающий персонал, и на окружающую среду, что усложняет их производство, применение и утилизацию.

Задачей изобретения является создание нового ступенчатого двигателя, который позволит повысить вес и объем полезной нагрузки и снизить вес движительного заряда по отношению к весу метаемого тела, упростить конструкцию в целом, применить щадящий для человека и экологии окружающей среды вид топлива, увеличить дальность и скорость полета изделий, соответствующих по полезной нагрузке аналогам, и уменьшить стоимость изделий на всех этапах изготовления и эксплуатации при выполнении аналогичных задач.

Технический результат, который может быть получен при использовании предложенного двигателя, заключается в повышении кпд энергии топлива на единицу полезной нагрузки, что позволит уменьшить вес и объем конструкции в целом и производить изделия с предложенным двигателем компактно.

Указанный технический результат достигается в результате использования ступенчатого двигателя, несущего полезную нагрузку, включающего корпус, в котором размещается движительный заряд. Корпус представляет собой полую металлическую трубу с дном и разделен на ступени, в которых размещены камеры сгорания с движительным зарядом и электровоспламенителями. В корпусе движительного заряда ступени разделены межкамерными перегородками, электровоспламенители соединены электрической цепью, а для динамического запирания ступеней использована ближайшая к выходу из ступеней камера сгорания. Количество ступеней и камер сгорания с движительным зарядом составляет от двух и более. Ступени с движительным зарядом включаются последовательно.

В предлагаемом двигателе разгон метаемого тела осуществляется благодаря заполнению движительным зарядом корпуса, разделенного на ступени, в которых размещаются камеры сгорания с несколькими электровоспламенителями, что позволит повысить скорость метания при уменьшении отношения веса заряда горючего вещества к весу метаемого тела, уменьшить длину канала разгона, уменьшить общий вес конструкции, увеличить размеры и вес метаемого тела и увеличить длину траектории полета после выхода из канала разгона.

Характеристики двигателя варьируются в зависимости от решаемых задач путем изменения всех элементов конструкции, завязанных как единое целое.

Изобретение поясняется следующим графическим материалом: на фиг.1 показан общий вид двигателя; на фиг.2 - ступень двигателя.

Двигатель содержит движительный заряд, размещенный в корпусе (5). Корпус (5) представляет собой полую металлическую трубу с дном и разделен на отделенные друг от друга перегородками (2) ступени (4а, 4б, 4в), которые состоят из корпуса (11) и размещенных в нем камер сгорания (6а, 6б, 6в). Движительный заряд (8) заключен в оболочку (9) с электровоспламенителями (7), соединенными в электрическую цепь. Камеры сгорания (6а, 6б, 6в) разделены межкамерными перегородками (10). Полезная нагрузка (3) размещена в корпусе (1).

Двигатель с полезной нагрузкой (3) разгоняется с помощью движительного заряда (8) в корпусе (5), конструкция которого обеспечивает последовательное срабатывание ступеней (4а, 4б, 4в) и соответственно постепенный разгон двигателя и полное сгорание горючего вещества движительного заряда (8), размещенного в камерах сгорания (6а, 6б, 6в), от воспламенителей (7), при котором устройство еще не разрушается из-за взрыва от перегрузки давления.

Количество электровоспламенителей и длина канала корпуса двигателя выбраны следующим образом: n<n(s), n(s)=V/V(m), n=n(s)-K•n(s), где n - количество электровоспламенителей; n(s) - количество электровоспламенителей, соответствующее взрыву; s - скорость горения, соответствующая взрыву; V - объем всей оболочки движительного заряда; V(m) - объем возгорания движительного заряда от одного воспламенителя в единицу времени; К - коэффициент, равный 0,4÷0,9, устанавливаемый в зависимости от решаемых задач.

L = L_(д.зар) + Р•L_(сгор),
где L - общая длина корпуса двигателя; L_(д.зар) -длина оболочки движительного заряда; L_(cгop) - длина канала, соответствующая полному сгоранию горючего вещества; Р - коэффициент, равный 2÷С, учитывающий стабилизацию полета метаемого тела, где С - отношение давления продуктов полного сгорания горючего вещества от воспламенителей в количестве n к давлению при полном сгорании данного горючего вещества от одного воспламенителя.

L_(д.зap) = (L_(к.cгop)•n + L_(мп)•n)•N,
где L_(к.cгop) - длина камеры сгорания; n - количество камер сгорания от 2 до n в зависимости от поставленных задач; L_(мп) - толщина межкамерной перегородки; N - количество ступеней от 2 до N в зависимости от поставленных задач.

Двигатель работает следующим образом.

После подачи электроэнергии на последовательно соединенные электровоспламенители (7) происходит одновременное воспламенение горючего вещества (8) первой крайней к выходу ступени (4а) в камерах сгорания (6а, 6б, 6в). Внутри камер сгорания (6а, 6б, 6в) создается давление, соответствующее условию скорости горения. Продукты горения горючего вещества (газ, сжатый до высокой плотности), расширяясь, давят на корпус (1) через межкамерные перегородки (10). Под давлением газов в камерах сгорания (6а, 6б, 6в) межкамерные перегородки (10) приходят в движение. В камере сгорания (6а) одна из межкамерных перегородок (10) толкает перед собой перегородку (2) перед следующей ступенью (4б), другая межкамерная перегородка (10) давит на камеру сгорания (6б). В камере сгорания (6б) одна из межкамерных перегородок (10) давит на камеру сгорания (6а), другая межкамерная перегородка (10) давит на камеру (6в). В камере сгорания (6в) одна из межкамерных перегородок (10) давит на камеру сгорания (6б), другая межкамерная перегородка (10) выталкивается из корпуса ступени (11) и выталкивает перегородку (2) из корпуса трубы наружу.

В каждой ступени (4а, 4б, 4в,... 4n) крайняя к выходу камера сгорания (6n) работает как запирающий механизм, тем самым обеспечивается срабатывание газов остальных камер сгорания (6а, 6б,....6(n-1)) на давление последующих ступеней (4б, 4в,...4n), приводя в движение всю конструкцию в корпусе (1).

Ступенчатый ракетный двигатель включает корпус, представляющий собой полую металлическую трубу с дном, и разделен на ступени, в которых размещены камеры сгорания с движительным зарядом и электровоспламенителями. Ступени разделены перегородками. Камеры сгорания размещены в корпусах ступеней и разделены межкамерными перегородками. Электровоспламенители соединены электрической цепью. Для динамического запирания ступеней использована ближайшая к выходу из ступеней камера сгорания. Изобретение позволит уменьшить вес и объем конструкции в целом и производить изделия с предложенным двигателем компактно. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Ступенчатый двигатель, несущий полезную нагрузку, включающий корпус, представляющий собой полую металлическую трубу с дном, разделенный на ступени, в которых размещаются камеры сгорания с движительным зарядом и электровоспламенителями, отличающийся тем, что ступени разделены перегородками, камеры сгорания размещены в корпусах ступеней и разделены межкамерными перегородками, электровоспламенители соединены электрической цепью, а для динамического запирания ступеней использована ближайшая к выходу из ступеней камера сгорания.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что количество ступеней составляет от двух и более.3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что количество камер сгорания с движительным зарядом составляет от двух и более.4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ступени с движительным зарядом включаются последовательно.