СПОСОБ РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ДЕТОНАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО СРАБАТЫВАЮЩИМИ КАССЕТАМИ Российский патент 2005 года по МПК F02K9/08 

Изобретение относится к области реактивного двигателестроения и позволяет повысить эффективность энергосиловых установок, которые могут использоваться на летательных аппаратах различного целевого назначения.

Известен способ работы и устройство пульсирующего детонационного двигателя [1] с периодическим инициированием зарядов взрывчатого вещества, создающих силу тяги серией единичных импульсов, воздействующих на отражатель.

По сравнению с предложенным изобретением данные разработки обладают следующими основными недостатками, это ограничения по:

1) мощностным режимам работы двигательных установок, что обусловлено:

- нерегулируемыми частотными режимами инициирования топлива (24...25) кГц, связанными с химическим (термическим) фактором возбуждения процесса детонационного горения;

- низкими давлениями ударной волны, не превышающими для газовых смесей (3...10) МПа;

2) экономичности работы двигателя, что обусловлено:

- невысокими показателями политропы - адиабаты при детонационном горении топлива (выше, чем при горении, но ниже, чем при детонации);

- высоким разбросом непрореагировавшего топлива из-за вероятностного многолокального его воспламенения, в т.ч. и в зоне открытого торца отражателя (резонатора);

- неоптимальной геометрии и конструкции инициируемых зарядов (зон) топлива и отражателя (резонатора).

Для предлагаемого изобретения ближайшим техническим решением является способ работы и конструкция детонационного двигателя с последовательно срабатывающими кассетами [2].

Способ работы и устройство детонационного двигателя с последовательно срабатывающими кассетами [2] имеет с предлагаемым изобретением ряд общих признаков, изложенных ниже.

Каждый рабочий цикл способа работы двигателя включает в себя:

- инициирование заряда взрывчатого вещества;

- расширение продуктов детонации;

- взаимодействие продуктов детонации с отражателем последующей кассеты, обеспечивающее создание единичного тягового импульса.

Двигатель состоит из набора последовательно соединенных кассет, каждая из которых включает в себя:

- средство инициирования;

- заряд твердого взрывчатого вещества (ВВ);

- отражатель, выполненный из металла.

Однако конструкция данного двигателя и способ его эксплуатации [2] не позволяют реализовать высокие потенциальные возможности данного класса энергосиловых установок, что обусловлено:

- неоптимальной геометрией используемых отражателей и зарядов ВВ;

- неоптимальными режимами расширения продуктов детонации при инициировании зарядов ВВ.

Технической задачей данного изобретения является обеспечение более высоких удельных мощностей и импульсов (КПД) по сравнению с известными энергосиловыми установками данного класса.

Это достигается за счет того, что в способе работы двигателя после инициирования очередного заряда, продукты детонации, благодаря геометрии и конструкции заряда с отражателем, формируются в направленную струю и истекают в сторону отражателя последующей кассеты, затем, до момента взаимодействия продуктов детонации с отражателем последующей кассеты, происходит формирование падающей ударной волны и сброс отражателя инициированной кассеты, сопровождающийся увеличением площади поперечного сечения отражателя при сохранении его целостности, в процессе которого реализуется фаза двойственного отражения - ударная волна догоняет отброшенный отражатель, отражается от него и вторично воздействует на отражатель последующей кассеты.

Кроме того, ударная волна после завершения фазы первого двойного отражения вторично воздействует на отбрасываемый отражатель, отражается от него и воздействует на отражатель последующей кассеты, причем количество фаз двойных отражений изменяется от 2 до 7 раз и возрастает с увеличением плотности энергии продуктов детонации, между отражателями и плотности окружающей среды в кормовой зоне двигателя.

Причем фаза двойных отражений ударных волн одновременно реализуется не только между отбрасываемым отражателем и отражателем последующей кассеты, но и между несколькими отбрасываемыми отражателями, обеспечивая увеличение единичного тягового импульса за счет снижения скорости отлета срабатываемого отбрасываемого отражателя.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что в пульсирующем детонационном двигателе с последовательно срабатывающими кассетами отражатели выполнены в виде камер, обращенных днищем в сторону, противоположную направлению движения двигателя, причем боковые поверхности отражателей имеют продольные ослабленные насечки, обеспечивающие после инициирования разделение боковой поверхности на сегменты, скрепленные с днищем. При этом заряды взрывчатого вещества могут быть снабжены кумулятивными выемками, обращенными в сторону движения двигателя, а на днище отражателя, со стороны кормы, выполнен кольцевой выступ. Кроме того, двигатель может быть снабжен стартовым блоком, состоящим из нескольких аналогичных кассет, но развернутых по отношению к последним на 180°.

Технические задачи данного изобретения удалось решить в результате:

1) отработки режимов регулируемого инициирования мощных зарядов, в том числе имеющих относительно небольшие размеры:

- получена зависимость для расчета минимальной толщины стальных стенок отражателей, исключающей самопроизвольную детонацию у прилегающих к стенкам зарядов ВВ [3];

- получена зависимость для расчета толщины стенок стальных отражателей и ослабляющих насечек, обеспечивающих сегментное раскрытие отражателей после подрыва очередного заряда ВВ [3];

- созданы и испытаны специальные электрические детонаторы и капсюли-детонаторы, обеспечивающие надежную работу двигателей [4-6];

2) отработки режимов направленного, высокоплотного истечения продуктов детонации:

- начальная геометрия зарядов ВВ и отражателей обеспечивают направленное истечение продуктов детонации [7];

- отбрасываемые и раскрываемые посегментно отражатели обеспечивают торможение расширяющихся продуктов детонации, отражение от них ударной волны и повторное воздействие ударной волны на рабочий отражатель [3].

На фиг.1 представлен продольный разрез детонационного двигателя, на фиг.2 - вариант выполнения двигателя со стартовым блоком.

На фиг.3 представлены виды со стороны переднего торца отражателей, имеющих внешние (на фиг.3а) или внутренние (на фиг.3б) насечки.

На фиг.4 представлен вид со стороны переднего торца отражателя после разделения его боковой поверхности на сегменты.

На фиг.5 (а, б, в, г) показана фаза двойного отражения ударной волны от отражателя последующей кассеты, жестко соединенной с двигателем и отбрасываемым отражателем с разделяющимися сегментами, при работе двигателя в однородной среде.

На фиг.6 (а, б, в, г) показана фаза двойного отражения ударной волны от отражателя с разделяющимися сегментами, соединенного с двигателем и твердой поверхностью, при работе стартового блока.

На фиг.7 (а, б, в, г) показаны фрагменты взаимодействия ударных волн между отражателем последующей кассеты, жестко соединенной с двигателем и несколькими отброшенными отражателями с разделяющимися сегментами, при работе двигателя в однородной среде.

Пульсирующий детонационный двигатель с последовательно срабатывающими кассетами состоит из набора кассет, скрепленных между собой. При этом каждая из кассет оснащена: зарядом 1 взрывчатого вещества; электрическим детонатором 2 или капсюлем-детонатором 3; отражателем 4. Крепление кассет может осуществляться при помощи винтов 5. Отражатели 4 выполнены в виде камер, обращенных днищем 6 в сторону, противоположную направлению движения двигателя. Боковые поверхности отражателей 4 имеют продольные насечки 7, ослабляющие конструкцию и обеспечивающие после инициирования заряда 1 разделение боковой поверхности на сегменты 8, скрепленные с днищем 6, а с противоположной стороны днище 6 может быть оснащено кольцевым выступом 9. Заряды взрывчатого вещества 1 могут быть оснащены кумулятивными выемками 10, обращенными в сторону движения двигателя. Кроме того, для старта с твердой поверхности пульсирующий детонационный двигатель может быть снабжен стартовым блоком, состоящим из нескольких аналогичных кассет, но развернутых по отношению к последним на 180°, при этом последняя кормовая кассета дополнительно оснащена технологической заглушкой 11.

Провода 12 электрических детонаторов 2 соединены через электрические разъемы 13 с магистральным электрическим кабелем 14, который соединен с программным блоком электрического инициирования 15.

После инициирования заряда 1 взрывчатого вещества продукты 16 детонации воздействуют на отражатель 4 последующей кассеты и отбрасывают отражатель 4’ с разделяющимися сегментами 8. При этом возникает падающая ударная волна 17, направленная в сторону движения изделия и отраженная ударная волна 18, направленная от двигателя, а также зона разрежения 19 продуктов детонации.

Стартовый блок целесообразно использовать, если отбрасываемая масса среды стремится к бесконечности, что характерно при старте с твердой поверхности 20. При работе стартового блока падающая ударная волна 17 направлена в противоположную сторону движения изделия, а отраженная волна 18 направлена в сторону движения двигателя.

Пульсирующий детонационный двигатель работает следующим образом. Первоначально от программного блока 15 электрического инициирования по магистральному электрическому кабелю 14 подается электрический импульс на электрический детонатор 2 для инициирования заряда 1 взрывчатого вещества в крайней кормовой кассете. Заряд 1 взрывчатого вещества в крайней кормовой кассете может инициироваться и при помощи капсюля-детонатора 3, если на торец детонатора 3 воздействует фронт открытого огня или продуктов детонации. Последующие кассеты инициируются аналогично, частота инициирования закладывается в программный блок 15 электрического инициирования для электрических детонаторов 2 или в замедляющие пиротехнические составы для капсюлей-детонаторов 3.

После инициирования очередного заряда 1 продукты детонации 16, благодаря геометрии и конструкции заряда 1, и отражателя 4, формируются в направленную струю и истекают в сторону отражателя 4 последующей кассеты, причем до момента взаимодействия продуктов 16 детонации с отражателем 4 последующей кассеты происходит формирование подающей ударной волны 17, затем отстыковка отражателя 4’ инициированной кассеты от двигателя, сопровождающаяся увеличением площади поперечного сечения отражателя 4’ за счет разделения боковой поверхности на сегменты 8 при сохранении общей целостности с днищем 6.

После взаимодействия падающей ударной волны 17 с отражателем 4 волна отражается 18 и догоняет отброшенный отражатель 4’, затем отражается от него и вторично падающая ударная волна 17 воздействует на отражатель 4 последующей кассеты; при этом реализуется фаза двойного отражения.

Кроме того, ударная волна 18 после завершения фазы первого двойного отражения вторично воздействует на отбрасываемый отражатель 4’, отражается от него и падающая ударная волна 17 воздействует на отражатель 4 последующей кассеты, причем количество фаз двойных отражений может составлять от 2 до 7 и возрастает с увеличением плотности энергии продуктов детонации 16 между отброшенным отражателем 4’ и отражателем 4 последующей кассеты, а также плотности окружающей среды в кормовой зоне двигателя.

Помимо этого, фазы двойных отражений ударных волн 17, 18 одновременно реализуются не только между отбрасываемым отражателем 4’ и отражателем 4 последующей кассеты, но и между несколькими отбрасываемыми отражателями 4 и отражателем 4 последующей кассеты (фиг.7).

За зоной падающей 17 и отраженной 18 ударной волны следует волна разрежения, формирующая зону разрежения 19 или пониженного давления. Параметры зоны разрежения 19 зависят от плотности энергии продуктов детонации 16 и плотности или вязкости окружающей среды. Если зоны разрежения 19 имеют небольшие размеры, в них засасывается окружающая среда. Если зоны смыкаются, то пониженное давление за отражателем 4 создает отрицательное давление и отрицательную силу тяги. При возникновении пониженного давления между двумя отброшенными отражателями 4 отрицательная сила тяги на двигатель не действует.

При использовании стартового блока (фиг.6), после инициирования заряда взрывчатого вещества первой кассеты, продукты детонации 16 формируются в отражателе 4 в направленный поток и падающая ударная волна 17 воздействует на твердую поверхность 20. Поскольку твердая поверхность 20 является стартовым столом или горной породой и не имеет практического отката, ограничивается расширение продуктов детонации 16 по осевой линии двигателя, при этом обеспечивается интенсивное отражение падающей ударной волны 17, которая превращается в отраженную ударную волну 18, действующую на отражатель 4’. Отражатель 4’ в данный момент скреплен с отражателем 4’ последующей кассеты. По достижении отраженной ударной волной 18 отражателя 4 волна отражается от него и превращается в падающую ударную волну 17, воздействующую на твердую поверхность 20, отражается, превращаясь в отраженную ударную волну 18, действующую на отражатель 4’. На этом фаза двойного отражения для первой кассеты стартового блока завершается. Если за первой кассетой стартового блока срабатывает аналогичная кассета, то реализуется описанный выше процесс фазы двойного отражения между двумя отражателями, но развернутых на 180°. Если за первой кассетой стартового блока срабатывает кассета основного детонационного двигателя, то отбрасываемый отражатель 4’ от основного детонационного двигателя будет отбрасываться совместно с аналогичным отражателем 4’ стартового блока, дальнейшее протекание процессов описано выше и различий не имеет.

Разработанная конструкция пульсирующего детонационного двигателя и способ его работы позволяют существенно увеличить удельные мощности и импульсы (КПД) за счет более высоких показателей политропы - адиабаты, направленного истечения продуктов детонации, многократного воздействия ударной волны на метаемое изделие, эффективного отброса отработавших отражателей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Антоненко В.Ф., Пушкин P.M., Тарасов А.И. и др. Способ получения тяги и устройство для его осуществления. Патент РФ №2034996 от 10.05.95 г., с приоритетом от 11.10.93 г.

2. Rudi Beichel, Charles J.O'Brien. Consumable Detonation Reaction Engine and System. United States Patent №3889462, June 17, 1975, Filed: Apr. 22, 1971.

3. Соловьев В.О., Папюк В.В. Экспериментальные исследования выбора оптимального режима разрушения отражателя микровзрывного устройства при направленном энерговыделении продуктов детонации. - В сб. Научных докладов II Международного совещания по использованию энергоаккумулирующих веществ в экологии, машиностроении, энергетике, транспорте и в космосе, - М., ИМАШ РАН, 2001, с.175-185.

4. Думенко В.И., Соловьев В.О. Электродетонатор и электровоспламенитель для него // МКИ 6 F 42 B 3/13, Патент РФ №2056034, приоритет от 30 марта 1992 г.

5. Соловьев В.О. Капсюль - детонатор // МКИ 6 F 42 B 3/10, Патент РФ №2070708, приоритет от 17 августа 1994 г.

6. Кутузов Б.Н., Соловьев В.О., Думенко В.И. Электродетонатор для взрывореактивой установки кассетного типа. - В сб.: Физические процессы горного производства, - М., МГУ, 1991, с.61-63.

7. Соловьев В.О. Повышение эффективности реактивных установок путем взрывного преобразования энергии химических топлив. - В сб. Научных докладов I Международного совещания по использованию энергоаккумулирующих веществ в экологии, машиностроении, энергетике, транспорте и в космосе, - М., ИМАШ РАН, 1999, с.115-138.

Способ работы пульсирующего детонационного двигателя включает в каждом рабочем цикле: инициирование заряда взрывчатого вещества; расширение продуктов детонации и взаимодействие продуктов детонации с отражателем последующей кассеты, обеспечивающее создание единичного тягового импульса. После инициирования очередного заряда продукты детонации формируются в направленную струю и истекают в сторону отражателя последующей кассеты. До момента взаимодействия продуктов детонации с отражателем последующей кассеты происходит формирование падающей ударной волны и сброс отражателя инициированной кассеты, сопровождающийся увеличением площади поперечного сечения отражателя при сохранении его целостности. После момента взаимодействия реализуется фаза двойного отражения - ударная волна догоняет отброшенный отражатель, отражается от него и вторично воздействует на отражатель последующей кассеты. Пульсирующий детонационный двигатель включает скрепленные между собой соосно, последовательно срабатывающие кассеты. Каждая из кассет оснащена зарядом взрывчатого вещества, средством инициирования и отражателем. Отражатели выполнены в виде камер, обращенных днищем в сторону, противоположную направлению движения двигателя. Боковые поверхности отражателей имеют продольные ослабляющие конструкцию насечки, обеспечивающие после инициирования заряда разделение боковой поверхности на сегменты, скрепленные с днищем. Изобретения обеспечат более высокие значения удельной мощности и удельного импульса тяги реактивного двигателя. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ работы пульсирующего детонационного двигателя с последовательно срабатывающими кассетами, снаряженными зарядами взрывчатого вещества, средствами инициирования, отражателями, включающий в каждом рабочем цикле инициирование заряда взрывчатого вещества; расширение продуктов детонации; взаимодействие продуктов детонации с отражателем последующей кассеты, обеспечивающее создание единичного тягового импульса, отличающийся тем, что после инициирования очередного заряда продукты детонации, благодаря геометрии и конструкции заряда с отражателем, формируются в направленную струю и истекают в сторону отражателя последующей кассеты, причем до момента взаимодействия продуктов детонации с отражателем последующей кассеты происходит формирование падающей ударной волны и сброс отражателя инициированной кассеты, сопровождающийся увеличением площади поперечного сечения отражателя при сохранении его целостности, затем после момента взаимодействия реализуется фаза двойного отражения - ударная волна догоняет отброшенный отражатель, отражается от него и вторично воздействует на отражатель последующей кассеты.2. Способ работы пульсирующего детонационного двигателя с последовательно срабатывающими кассетами по п.1, отличающийся тем, что ударная волна после завершения фазы первого двойного отражения вторично воздействует на отбрасываемый отражатель, отражается от него и воздействует на отражатель последующей кассеты, причем количество фаз двойных отражений составляет 2÷7 и возрастает с увеличением плотности энергии продуктов детонации между отражателями и плотности окружающей среды в кормовой зоне двигателя.3. Способ работы пульсирующего детонационного двигателя с последовательно срабатывающими кассетами по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что фазы двойных отражений ударных волн одновременно реализуются не только между отбрасываемым отражателем и отражателем последующей кассеты, но и между несколькими отбрасываемыми отражателями, обеспечивая создание единого тягового импульса.4. Пульсирующий детонационный двигатель с последовательно срабатывающими кассетами, скрепленными между собой соосно, где каждая из кассет оснащена зарядом взрывчатого вещества, средством инициирования и отражателем, отличающийся тем, что отражатели выполнены в виде камер, обращенных днищем в сторону, противоположную направлению движения двигателя, причем боковые поверхности отражателей имеют продольные ослабляющие конструкцию насечки, обеспечивающие после инициирования заряда разделение боковой поверхности на сегменты, скрепленные с днищем.5. Пульсирующий детонационный двигатель с последовательно срабатывающими кассетами по п.4, отличающийся тем, что на днище отражателя со стороны кормы выполнен кольцевой выступ.6. Пульсирующий детонационный двигатель с последовательно срабатывающими кассетами по любому из пп.4 и 5, отличающийся тем, что заряды взрывчатого вещества снабжены кумулятивными выемками, обращенными в сторону движения двигателя.7. Пульсирующий детонационный двигатель с последовательно срабатывающими кассетами по любому из пп.4-6, отличающийся тем, что двигатель дополнительно снабжен стартовым блоком, состоящим из нескольких аналогичных кассет, но развернутых по отношению к последним на 180°.