СПОСОБ ОТСЕЧКИ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЯГИ ПРЯМОТОЧНЫХ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК F02K7/18 

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, а именно к способам и устройствам отсечки и регулирования тяги прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе (твердом горючем).

В настоящее время на летательных аппаратах (ЛА) различного назначения находят применение прямоточные воздушно-реактивные двигатели на твердом несамогорящем топливе (ПВРДТ). Серьезными недостатками, ограничивающими применение ПВРДТ, являются трудности отсечки и регулирования тяги таких двигателей при сохранении расхода воздуха через двигатель, высокой полноты сгорания, равномерной скорости газификации по длине заряда твердого горючего и приемлемых габаритно-массовых характеристиках.

Известен способ регулирования и отсечки тяги ПВРДТ (см. патент США №3844118, 1973 г., МКИ F02K 7/10 - аналог), основанный на регулировании поступающего в канал заряда горючего первичного воздушного потока с помощью подвижного клапана на входе в канал. Клапан может приводится в движение гидравлическим или пневматическим приводом по сигналу от системы управления полетом ЛА. Однако в общем случае на входе в канал заряда горючего размещается стабилизатор пламени, за которым создается зона циркуляционного течения, необходимая для поддержания горения. При этом для каждого вида твердого горючего существует некоторое критическое значение параметра стабилизации f_ст=Ар/Ai, где Ар - начальная площадь канала заряда горючего, Ai - площадь отверстия стабилизатора пламени, ниже которого происходит срыв горения. Для существенного снижения критического параметра стабилизации f_ст и, следовательно, повышения коэффициента заполнения камеры сгорания твердым горючим (например, полистиролом), а также уменьшения потерь полного давления на стабилизаторе пламени в отверстии стабилизатора пламени коаксиально размещают специальную трубку (инжектор) (см., например, патент США №4031698, 1976 г). Через кольцевой проход между инжектором и отверстием стабилизатора пламени в зону циркуляционного течения поступает первичный воздушный поток для стабилизации горения, а остальной воздух поступает в канал через инжектор. Понятно, что при наличии инжектора в стабилизаторе пламени работа подвижного клапана в рассматриваемом способе сопряжена с значительными трудностями и практически невозможно осуществить полную отсечку тяги.

Известен также способ отсечки тяги двигателя, основанный на подаче в камеру сгорания жидкого хладоагента (см. В.Е.Алемасов, А.Ф.Дрегалин, А.П.Тишин "Теория ракетных двигателей". - М.: Машиностроение, 1980, стр.462 - аналог). При подаче в камеру сгорания жидкого хладоагента, например воды, происходит ее распыливание и образующиеся капли, испаряясь, отбирают тепло от продуктов сгорания, в результате чего осуществляется резкое снижения давления в камере двигателя и полная отсечка тяги. Однако в этом способе практически невозможно повторное (после гашения) воспламенение поверхности горения топлива из-за наличия остатков жидкого хладоагента, т.е. потребовалась бы чрезмерно большая масса воспламенительного устройства. Кроме того, возникают значительные трудности при применении жидкого хладоагента в случае эксплуатации ЛА в рабочем диапазоне температур окружающей среды ±50°С.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ отсечки и регулирования тяги прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе, заключающийся в том, что в зону циркуляционного течения со стабилизированным пламенем, образующуюся за стабилизатором пламени, осуществляют подачу инертного газа (см. патент США №4137712, 1977 г, МКИ F02K 7/10). Устройство, в котором реализуется этот способ отсечки и регулирования тяги, содержит стабилизатор пламени, кольцевой коллектор с кольцевым каналом и трубопроводом для подачи инертного газа, воспламенительное устройство. При достижении требуемых баллистических характеристик ЛА (например, дальности полета) в зону циркуляционного течения со стабилизированным пламенем осуществляют подачу инертного газа. В результате смешения холодного инертного газа с высокотемпературными продуктами сгорания в зоне циркуляционного течения происходит быстрое охлаждение газовой смеси и при достижении температуры, ниже температуры самовоспламенения, реализуется срыв горения и отсечка тяги двигателя (тяга R=0). Однако соответствующая оценка с помощью уравнения теплового баланса показала, что при использовании в качестве инертного газа, например, холодного азота (Т*≈288К) для отсечки тяги требуется относительно большой его расход: примерно 5% от суммарного расхода воздуха через прямоточный двигатель, что требует большого запаса азота на борту ЛА и громоздкой, тяжелой емкости для его хранения.

Решаемой задачей изобретения является снижение расхода инертного газа и уменьшение габаритно-массовых характеристик устройства для его подачи, необходимых для отсечки и регулирования тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твердом несамогорящем топливе (ПВРДТ).

Технический результат в заявляемом способе отсечки и регулирования тяги прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе и устройстве для его осуществления (варианты) достигается за счет того, что в способе, заключающемся в том, что в зону циркуляционного течения со стабилизированным пламенем, образующуюся за стабилизатором пламени, осуществляют подачу инертного газа, при этом инертный газ подают в виде кольцевой струи между поступающим через отверстие стабилизатора пламени воздушным потоком и стабилизированным пламенем. Причем подачу струи инертного газа осуществляют со скоростью, близкой к скорости воздушного потока, вытекающего из отверстия стабилизатора пламени.

В способе отсечки и регулирования тяги прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе (вариант), заключающемся в том, что в зону циркуляционного течения со стабилизированным пламенем, образующуюся за стабилизатором пламени, осуществляют подачу инертного газа, при этом инертный газ подают в виде совокупности струй между поступающим через отверстие стабилизатора пламени воздушным потоком и стабилизированным пламенем. Причем подачу струи инертного газа осуществляют со скоростью, близкой к скорости воздушного потока, вытекающего из отверстия стабилизатора пламени.

Устройство для отсечки и регулирования тяги прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе содержит стабилизатор пламени, кольцевой коллектор с кольцевым каналом и трубопроводом для подачи инертного газа, воспламенительное устройство, причем стабилизатор пламени выполнен полым и в его полости размещен коллектор, при этом устройство содержит, по меньшей мере, два воспламенительных устройства, стенки кольцевого канала примыкают к нижней стенке полости стабилизатора пламени, а воспламенительные устройства размещены в полости стабилизатора пламени, причем нижняя стенка стабилизатора пламени образует стенку кольцевого канала.

Устройство для отсечки и регулирования тяги прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе (вариант), содержит стабилизатор пламени, кольцевой коллектор с кольцевым каналом и трубопроводом для подачи инертного газа, воспламенительное устройство, причем стабилизатор пламени выполнен полым и в его полости размещен коллектор, при этом устройство содержит, по меньшей мере, два воспламенительных устройства, стенки кольцевого канала примыкают к нижней стенке полости стабилизатора пламени, а воспламенительные устройства размещены в полости стабилизатора пламени, при этом выход кольцевого канала снабжен кольцевым элементом, имеющим отверстия, образующие совокупность струй.

На фиг.1 изображена схема течения за стабилизатором пламени во время работы ПВРДТ без подачи инертного газа.

На фиг.2 - схема течения за стабилизатором пламени с подачей инертного газа по предлагаемому способу.

На фиг.3 - схема предлагаемого устройства для отсечки и регулирования тяги, стабилизатор пламени которого выполнен полым, и в его полости размещен коллектор, стенки кольцевого канала которого примыкают к нижней стенке полости стабилизатора пламени, а воспламенительные устройства размещены, например, в полости стабилизатора пламени.

На фиг.4 - схема предлагаемого устройства, в котором нижняя стенка стабилизатора пламени образует стенку кольцевого канала.

На фиг.5 - схема предлагаемого устройства, в котором выход кольцевого канала снабжен кольцевым элементом, имеющим отверстия, образующие совокупность струй.

На фиг.6 изображено сечение А-А кольцевого элемента на фиг.5.

На фиг.7 - схема изменения скорости полета ЛА по времени в процессе регулирования тяги прямоточного двигателя.

Схема течения за стабилизатором пламени и работа ПВРДТ, приведенная на фиг.1, 2, имеет следующие особенности: в камере сгорания 1 размещают заряд 2 твердого горючего (например, полистирола, полиэтилена и др.), имеющего канал 3, на входе в который размещают стабилизатор пламени 4 с отверстием 5. Зона 6 циркуляционного течения, возникающая за стабилизатором пламени 4, заполнена высокотемпературными продуктами сгорания, обогащенными горючим. При срыве с кромок стабилизатора пламени 4 воздушного потока образуется струйный турбулентный пограничный слой, в который с одной стороны поступает воздух, а с другой - обогащенные горючим высокотемпературные продукты сгорания из зоны циркуляционного течения. Благодаря процессам тепло-массопереноса, на некотором расстоянии от кромок стабилизатора пламени вниз по течению возникает диффузионный кольцевой факел - стабилизированное пламя 7 с разделительной линией тока 8. После присоединения струйного турбулентного пограничного слоя со стабилизированным пламенем к поверхности канала 3 заряда 2 в локальной области 9, часть высокотемпературных продуктов сгорания из стабилизированного пламени 7, которая находится между разделительной линией тока 8 и поверхностью канала 3, поступает в зону 6 циркуляционного течения и, обтекая поверхность канала 3 заряда 2 твердого горючего в пределах длины зоны 6 циркуляционного течения Lц.з., осуществляет газификацию горючего. Образующаяся смесь паров горючего и продуктов сгорания притекает к струйному турбулентному пограничному слою. Другая часть струйного турбулентного пограничного слоя и стабилизированного пламени 7 между разделительной линией тока 8 и осью канала 3 способствует возникновению вниз по потоку повторного образующегося турбулентного пограничного слоя 10 с диффузионным пламенем 11. Пары горючего с поверхности канала заряда 2 твердого горючего и воздух из основной области течения с противоположных сторон поступают в турбулентный пограничный слой 10 в зону диффузионного пламени 11.

Заявляемый способ отсечки и регулирования тяги прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе заключается в том, что в зону 6 циркуляционного течения со стабилизированным пламенем 7, образующуюся за стабилизатором пламени 4, осуществляют подачу инертного газа в виде кольцевой струи 12 между поступающим через отверстие 5 стабилизатора пламени воздушным потоком 13 и стабилизированным пламенем 7. Также в зону 6 циркуляционного течения инертный газ подают в виде совокупности струй 12 (вариант) между поступающим через отверстие 5 стабилизатора пламени 4 воздушным потоком 13 и стабилизированным пламенем 7. Подачу струи 12 или совокупности струй 12 инертного газа осуществляют со скоростью, близкой к скорости воздушного потока 13, вытекающего из отверстия 5 стабилизатора пламени 4.

Заявляемое устройство для отсечки и регулирования тяги прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе (варианты) содержит стабилизатор пламени 4 (фиг.3, 4), кольцевой коллектор 14 с кольцевым каналом 15 и трубопроводом 16 для подачи инертного газа и, по меньшей мере, два воспламенительных устройства 17. Стабилизатор пламени 4 выполнен полым и в его полости размещен коллектор 14, причем стенки кольцевого канала 15 примыкают к нижней стенке 18 полости стабилизатора пламени 4, а воспламенительные устройства 17 размещены, например, в полости стабилизатора пламени 4.

Нижняя стенка 18 полости стабилизатора пламени 4 образует стенку кольцевого канала 15 (фиг.5).

Выход кольцевого канала 15 снабжен кольцевым элементом 19, имеющим отверстия 20 (фиг.6), образующие совокупность струй 12, обеспечивающих барьерный, заградительный эффект между воздушным потоком и стабилизированным пламенем.

Устройство для отсечки и регулирования тяги ПВРДТ (варианты) работает следующим образом.

После разгона ЛА до требуемой скорости (требуемого числа М полета) освобождается от заглушек воздухозаборное устройство и в камеру сгорания 1 через отверстие 5 стабилизатора пламени 4 начинает поступать воздушный поток 13 и за стабилизатором пламени возникает зона 6 циркуляционного течения (фиг.1, 2, 3, 4, 5). Срабатывает одно из воспламенительных устройств (пиропатронов) 17, после чего в канале 3 заряда 2 твердого горючего начинается процесс горения. В стабилизированное пламя 7, возникшее в струйном турбулентном пограничном слое, с одной стороны поступает воздух (со стороны оси камеры), а с другой - обогащенные горючим высокотемпературные продукты сгорания из зоны циркуляционного течения. При достижении требуемых баллистических характеристик ЛА (например, дальности полета) в зону 6 циркуляционного течения со стабилизированным пламенем 7, образующуюся за стабилизатором пламени, осуществляют подачу инертного газа (например, азота) в виде кольцевой струи 12 или совокупности струй 12 между поступающим через отверстие 5 стабилизатора пламени 4 воздушным потоком 13 и стабилизированным пламенем 7. Подача инертного газа происходит по трубопроводу 16 в кольцевой коллектор 14, размещений в полости стабилизатора пламени 4, и далее через кольцевой канал 15, стенки которого примыкают к нижней стенке 18 полости стабилизатора пламени. Нижняя стенка 18 может быть стенкой кольцевого канала 15. Кольцевая струя 12 инертного газа отсекает поступление воздуха к стабилизированному пламени 7, происходит его срыв, прекращение горения в канале 3 заряда 2 и быстрая отсечка (обнуление) тяги.

При некоторых условиях полета (например, зимой) малоразмерных ЛА (диаметр миделя менее 200 мм) после окончания разгонного участка а (фиг.7), на маршевом участке полета b из-за значительного превышения коэффициента тяги над коэффициентом аэродинамического сопротивления CR>Cx происходит интенсивное увеличение скорости полета и достижение предельной для данного ЛА максимальной скорости Vmax (например, в т.А). В этом случае в соответствии с заявляемым способом и устройством в т.А осуществляют подачу инертного газа в виде кольцевой струи или совокупности струй 12 между поступающим через отверстие 5 стабилизатора пламени 4 воздушным потоком 13 и стабилизированным пламенем 7, в результате чего происходит отсечка (обнуление) тяги. Далее происходит полет ЛА на пассивном участке С (тяга R=0) из т.А в т.В. После достижения в т.В некоторой номинальной скорости полета Vном (Vном<Vmax) по команде срабатывает воспламенительное устройство 17, размещенное, например, в полости стабилизатора пламени 4, после чего в канале 3 заряда 2 твердого горючего вновь начинается процесс горения (тяга R>0) и далее происходит полет ЛА на активном участке b' из т.В в т.А' и т.д.

Достигнутым техническим результатом является то, что заявляемые способ и устройство (варианты) позволяют осуществить отсечку и регулирование тяги ПВРДТ с существенно меньшими (в несколько раз) расходами инертного газа, чем в прототипе. Это происходит из-за различных механизмов взаимодействия струй инертного газа с зоной циркуляционного течения в прототипе и заявляемом способе. Если в прототипе осуществляется механизм захолаживания высокотемпературных продуктов сгорания в зоне циркуляционного течения, то в заявляемых способе и устройстве реализуется механизм отсечки поступления воздуха к стабилизированному пламени, т.е. между стабилизированным пламенем и диффундирующим к нему воздухом создается кольцевая барьерная струя инертного газа, что в итоге вызывает срыв стабилизированного пламени, а следовательно, и прекращение горения (погасание диффузионного пламени 11) в канале 3 заряда 2 твердого горючего. При малых размерах ЛА и, соотвественно, ПВРДТ потребный расход инертного газа получается небольшим и ширина кольцевой струи получается малой (несколько десятых мм), что сопряжено с возрастанием гидравлического сопротивления и потерь полного давления. В этом случае инертный газ подают в виде совокупности струй между поступающим через отверстие 5 стабилизатора пламени воздушным потоком и стабилизированным пламенем. При этом минимальный расход инертного газа получается в случае, когда скорость истечения струи инертного газа близка к скорости спутного воздушного потока, вытекающего из отверстия стабилизатора пламени. В этом случае ухудшаются условия смешения между струей 12 инертного газа и спутным воздушным потоком 13, благодаря чему возрастает ее заградительный эффект. В результате расчетных оценок одного из вариантов ПВРДТ получено, что для отсечки тяги потребный расход инертного газа (азота) в соответствии с прототипом составил Gаз≈0,8 кг/с, а в заявляемом способе - Gаз≈0,15 кг/с, т.е. уменьшился более чем в 5 раз.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство отсечки и регулирования тяги ПВРДТ на твердом топливе (варианты) являются более экономичными, при этом устройство для отсечки и регулирования тяги получается более компактным, существенно снижаются также габаритно-массовые характеристики всей системы подачи инертного газа: баллона для хранения инертного газа, запорно-регулирующей арматуры и т.д.

Способ отсечки и регулирования тяги прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе заключается в том, что в зону циркуляционного течения со стабилизированным пламенем, образующуюся за стабилизатором пламени, осуществляют подачу инертного газа. Инертный газ подают в виде кольцевой струи между поступающим через отверстие стабилизатора пламени воздушным потоком и стабилизированным пламенем или в виде совокупности струй между поступающим через отверстие стабилизатора пламени воздушным потоком и стабилизированным пламенем. Устройство для отсечки и регулирования тяги прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе содержит стабилизатор пламени, кольцевой коллектор с кольцевым каналом и трубопроводом для подачи инертного газа, воспламенительное устройство. Стабилизатор пламени выполнен полым и в его полости размещен коллектор. Устройство содержит, по меньшей мере, два воспламенительных устройства. Стенки кольцевого канала примыкают к нижней стенке полости стабилизатора пламени, а воспламенительные устройства размещены в полости стабилизатора пламени. Нижняя стенка стабилизатора пламени образует стенку кольцевого канала. При втором варианте выход кольцевого канала снабжен кольцевым элементом, имеющим отверстия, образующие совокупность струй. Изобретение позволяет осуществлять отсечку и регулирование тяги с существенно меньшими расходами инертного газа. 4 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ отсечки и регулирования тяги прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе, заключающийся в том, что в зону циркуляционного течения со стабилизированным пламенем, образующуюся за стабилизатором пламени, осуществляют подачу инертного газа, отличающийся тем, что инертный газ подают в виде кольцевой струи между поступающим через отверстие стабилизатора пламени воздушным потоком и стабилизированным пламенем.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу струи инертного газа осуществляют со скоростью, близкой к скорости воздушного потока, вытекающего из отверстия стабилизатора пламени.3. Способ отсечки и регулирования тяги прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе, заключающийся в том, что в зону циркуляционного течения со стабилизированным пламенем, образующуюся за стабилизатором пламени, осуществляют подачу инертного газа, отличающийся тем, что инертный газ подают в виде совокупности струй между поступающим через отверстие стабилизатора пламени воздушным потоком и стабилизированным пламенем.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что подачу струи инертного газа осуществляют со скоростью, близкой к скорости воздушного потока, вытекающего из отверстия стабилизатора пламени.5. Устройство для отсечки и регулирования тяги прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе, содержащее стабилизатор пламени, кольцевой коллектор с кольцевым каналом и трубопроводом для подачи инертного газа, воспламенительное устройство, отличающееся тем, что стабилизатор пламени выполнен полым и в его полости размещен коллектор, при этом устройство содержит, по меньшей мере, два воспламенительных устройства, причем стенки кольцевого канала примыкают к нижней стенке полости стабилизатора пламени, а воспламенительные устройства размещены в полости стабилизатора пламени, причем нижняя стенка стабилизатора пламени образует стенку кольцевого канала.6. Устройство для отсечки и регулирования тяги прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе, содержащее стабилизатор пламени, кольцевой коллектор с кольцевым каналом и трубопроводом для подачи инертного газа, воспламенительное устройство, отличающееся тем, что стабилизатор пламени выполнен полым и в его полости размещен коллектор, при этом устройство содержит, по меньшей мере, два воспламенительных устройства, причем стенки кольцевого канала примыкают к нижней стенке полости стабилизатора пламени, а воспламенительные устройства размещены в полости стабилизатора пламени, причем выход кольцевого канала снабжен кольцевым элементом, имеющим отверстия, образующие совокупность струй.