РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК F02K9/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к области создания реактивных двигателей для ракетной техники, а конкретно - к принципу действия и конструкции взрывного реактивного двигателя.

Уровень техники

В настоящее время известно много разновидностей реактивных двигателей, применяемых в ракетной технике. Однако наибольшее распространение получили реактивные двигатели на твердом топливе и жидкостные реактивные двигатели (В.Е.Алемасов, А.Ф.Дрегалин, А.П.Тишин «Теория ракетных двигателей» с.156, 325, Москва, Машиностроение, 1989 г. и Т.М.Меркулов, Н.И.Мелик-Пашаев, П.Г.Чистяков, А.Г.Шнуков «Ракетные двигатели» с.5-13, Москва, Машиностроение, 1976 г.).

В реактивном двигателе на твердом топливе используется топливо с содержанием окислителя или в качестве окислителя используется кислород, содержащийся в воздухе (только при движении ракеты в воздушном пространстве). Двигатель обычно работает в течение нескольких минут, а время его работы и величину тяги трудно регулировать в процессе полета. В качестве преимущества можно отметить простоту его конструкции и возможность использования в качестве разгонного блока двигателей другого типа.

В жидкостном реактивном двигателе, как правило, используется горючее и окислитель в раздельных емкостях. Для подачи их в камеру горения может использоваться газ высокого давления. Подача топлива и окислителя регулируется для изменения величины тяги и скорости горения. Данный тип двигателя используется преимущественно для движения ракет в безвоздушном пространстве. Двигатель имеет сложную конструкцию и большую трудоемкость изготовления.

В обоих указанных выше случаях топливо поступает в камеру горения и далее - в сопло. Сопло преобразует энтальпию газа (продуктов сгорания или разложения, продуктов нагрева) в кинетическую энергию реактивной струи, но потери энергии в сопле достигает 6…10%. В камере горения происходит реакция окисления топлива в окислителе с выделением большого количества газообразных веществ и созданием высоких температур.

Известно также техническое решение (В.А.Володин «Конструкция и проектирование ракетных двигателей», с.7, 8, 21, 22, 44, Машиностроение, Москва, 1971 г.), предложенное В.П.Глушко для создания первого в мире электротермического ракетного двигателя, который был им теоретически разработан и испытан в 1929-1933 гг. Двигатель состоял из камеры с соплом, в которую специальным механизмом подавались металлические проволоки, одновременно служившие проводником электрического тока и рабочим телом. Проводники взрывались электрическим током (импульсным разрядом конденсатора). Образовавшиеся пары металла истекали из сопла, создавая тягу. Вместо проволок в камеру могли подаваться через форсунки-электроды струи электропроводных жидкостей (ртути, электролитов), которые также взрывались в камере электрическим током. Однако данный двигатель имел малую реактивную силу ввиду небольшого количества паров металла или электролитов. Кроме того, вместе с испаряемым материалом возникали капли, которые оседали на внутреннюю поверхность камеры и сопла, что весьма нежелательно. Процесс, происходящий в данном двигателе, можно назвать не взрывом (детонацией), а электротермическим испарением. Но данное техническое решение может служить аналогом заявляемого изобретения. В этом же источнике информации приведена общая классификация ракетных двигателей, по которой заявляемая конструкция соответствует химическим реактивным двигателям на твердом топливе.

Известно решение по пат. США №6378292, F02K 9/42, опубл. 30.04.2002 г., в котором описан микроэлектромеханический ракетный двигатель в виде микроударной матрицы. Микроударная матрица может быть использована для поддержания между спутниками расстояния в малых спутниковых системах. Одна микроударная матрица включает множество впереди расположенных ударных ячеек, каждая из которых имеет вакуумно-закрытый зарядный воспламенитель, расположенный на одной поверхности неразрушающейся диафрагмы, и имеет заполненный зарядом резервуар на противоположной стороне диафрагмы. При срабатывании зарядного воспламенителя первая диафрагма разрушается и вместе с воспламененным зарядом вызывает быстрое движение, вызываемое истечением газа, который удаляется с противоположной поверхности микроударной, двигающейся вперед матрицы, продвигая «малой» ударной силой.

В качестве заряда может использоваться ацетат нитроцеллюлозы. Данное решение позволяет реализовать многоступенчатую конструкцию ракетного двигателя на твердом топливе с использованием группового зарядного воспламенителя, изготовленного по микроэлектронной технологии, что является преимуществом данного изобретения.

При этом увеличивается неизбежно стоимость и сложность изготовления двигателя.

Основной задачей данного изобретения является создание высокоэффективного реактивного двигателя, например, для ракет, используемых как в воздушной или другой газовой среде, так и в безвоздушном пространстве.

Раскрытие изобретения

Представленная задача решается тем, что в реактивном двигателе, включающем камеру с твердом зарядом, твердый заряд состоит из бризантного взрывчатого вещества, имеющего кумулятивную выемку для создания области имитации сопла, камера выполнена в виде защитной оболочки, внутри которой размещены последовательно по оси детонирующее устройство, содержащее капсюль-детонатор, соединенный с управляющим блоком, линза из инертного пористого материала, а с противоположного торца камеры установлен демпфирующий узел для соединения с объектом передвижения.

При этом:

- твердый заряд вместе с защитной оболочкой преимущественно могут иметь форму, сужающуюся к поверхности соприкосновения защитной оболочки с корпусом объекта передвижения;

- кумулятивная выемка заряда может быть выполнена с металлической однослойной или многослойной облицовкой;

- длина твердого заряда равна длине, в два раза большей диаметра твердого заряда.

В качестве взрывчатого вещества может быть, например, применен тротил.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 изображает общую классификацию реактивных двигателей;

фиг.2 изображает схему реактивного двигателя на жидком топливе;

фиг.3 изображает схему реактивного двигателя на твердом топливе;

фиг.4 изображает схему процесса образования кумулятивной струи;

фиг.5 изображает форму детонационной струи кумулятивного заряда;

фиг.6 изображает влияние линзы на фронт детонационной волны;

фиг.7 изображает схему взрывного реактивного двигателя;

фиг.8 изображает распределение усилий при кумулятивном взрыве фигурного заряда.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показана общая классификация реактивных двигателей, в соответствии с которой заявляемый взрывной реактивный двигатель можно отнести к ракетным двигателям на твердом топливе. Но учитывая, что в данном двигателе происходит не горение топлива, а его детонация, то данный тип двигателя можно рассматривать, как самостоятельный, относящийся к химическим реактивным двигателям.

На фиг.2 показана простейшая схема реактивного двигателя на жидком топливе. Жидкое горючее 1 вместе с окислителем 2 подается сжатым газом 3, размещенным в баллоне, в камеру сгорания 4. В процессе сгорания образующиеся продукты сгорания сжимаются при прохождении через сопло 5 и выбрасываются в окружающую среду, создавая необходимую реактивную силу. Подача горючего и окислителя в камеру сгорания 4 регулируется клапанами 6.

На фиг.3 показана простейшая схема реактивного двигателя на твердом топливе. Заряд твердого топлива 7, содержащего также окислитель, расположен в камере сгорания 4 и поджигается воспламенителем 8. В процессе сгорания также, как и в двигателе на жидком топливе, продукты сгорания через сопло 5 выбрасываются в окружающую среду.

На фиг.4 показана схема процесса образования кумулятивной струи 9 при взрыве заряда 10 взрывчатого вещества, заключенного в защитную оболочку 11 и имеющего кумулятивную выемку 12 с облицовкой 13.

На фиг.5 показана форма детонационной волны при взрыве кумулятивного заряда. Зона волны А образует кумулятивную струю, двигающуюся в открытое пространство, но создающую необходимую реактивную силу. Зона В действует в обратном направлении и создает ударную волну для поступательного движения объекта передвижения.

На фиг.6 показано влияние линзы 14 на фронт детонационной волны 15 при взрыве заряда взрывчатого вещества 10. При отсутствии линзы 14 (левый фрагмент фиг.6) детонационная волна 15 имеет веерообразный характер расхождения, а при наличии линзы 14 (правый фрагмент фиг.6) она фокусируется в направлении кумулятивной выемки 12.

На фиг.7 показана схема заявляемого взрывного реактивного двигателя. Заряд взрывчатого вещества 10 заключен в защитную оболочку 11 и имеет кумулятивную выемку 12 с облицовкой 13. В теле заряда 10 размещена линза 14, а в его торцевой части размещено инициирующее детонирующее устройство 16. Заряд 10 совместно с защитной оболочкой 11 имеет механический контакт с объектом передвижения 17 через демпфирующий узел 18.

На фиг.8 показано распределение усилий, возникающих при взрыве заряда 10 с линзой 14, заключенного в защитную оболочку 11 при их конструкции, выполненной фигурно сужающейся в сторону объекта передвижения 17. При взрыве заряда 10 возникает сила F2, образующаяся в результате возникновения кумулятивной струи, и сила F1, действующая непосредственно на объект передвижения 17 через демпфирующий узел 18. Силы F3, действующие радиально по отношению к оболочке 11, создают дополнительное воздействие на объект передвижения 17 (силы F3b).

Как известно, при детонации взрывчатых веществ происходит реакция разложения взрывчатого вещества за очень короткое время (около 10 мкс) с выделением огромного количества тепла и мощности. При взрыве 1 килограмма тротила выделяется мощность 40,2 млн. кВт и развивается давление до 200…300 тыс. атм. Реакция разложения тротила при его детонации имеет вид

С₆Н₃СН₃(NO₂)₃=2СО+1,2СO₂+3,8С+0,6Н₂+1,6Н₂О+1,4N₂+0,2NH₃

При определенной конструкции взрывчатого вещества можно получить кумулятивный эффект (И.А. Балаганский, Л.А. Мержиевский «Действие средств поражения боеприпасов», гл.2 «Средства поражения и боеприпасы кумулятивного действия» с.103-165, НГТУ, Новосибирск, 2004 г.), при котором продукты взрыва образуют высокоплотную, высокотемпературную (до 3040°C) и высокоскоростную (скорость газа до 20 км в секунду) струю, которую можно рассматривать как аналог сопла в обычных реактивных двигателях.

Создаваемая при взрыве кумулятивного заряда реактивная сила, действующая в обратном направлении, никогда не использовалась. Недостатками использования взрывчатых веществ в качестве топлива для реактивных двигателей является трудность регулирования времени процесса детонации, а также принятие мер по увеличению времени действия ударной волны на объект передвижения (например, на ракеты, сваи в горных породах, безоткатные артиллерийские орудия и т.д.).

Заряд взрывчатого вещества имеет выемку, которая может быть, например, конусообразной, элипсоидальной, параболической и для большей эффективности поражения и массы вещества, выделяемого при взрыве, облицована металлической оболочкой. Применяемый в кумулятивном заряде линзовый узел выполняет функцию детонационного волнового генератора и преобразует первоначально расходящуюся детонационную волну в сходящуюся с тороидальной формой фронта, направленную в сторону кумулятивной выемки. Как правило, линза изготавливается из невзрывопроводящего инертного пористого материала типа пеностекла или спеченных материалов на основе железа, меди или других металлов, высокопористых керамических материалов.

Данный эффект использовался для пробивания (прожигания) отверстий в толстой броне танков и поражения в нем людей и техники.

В качестве движущей силы в двигателе используется реактивная энергия частиц, образованная в результате детонации заряда, при этом одна из его поверхностей имеет через защитную оболочку механический контакт с объектом передвижения для начала его движения или увеличения его скорости, а противоположная поверхность является открытой в окружающую среду. Эта поверхность заряда имеет кумулятивную выемку, создающую при взрыве заряда имитацию сопла обычного реактивного двигателя и обеспечивающую создание сжатой высокоскоростной и высокотемпературной струи из продуктов взрыва. В традиционных реактивных двигателях используется сопло, сжимающее поток газов, выделяемый при сгорании топлива и создающее высокоскоростной поток газов, обеспечивая необходимую реактивную силу. Сопло занимает значительный объем и массу в реактивном двигателе. В описываемом варианте при кумулятивном взрыве функцию сопла выполняет кумулятивная струя.

Между защитной оболочкой и корпусом объекта передвижения имеется демпфирующий узел, передающий реактивную силу двигателя на объект передвижения, но и предохраняющий его от разрушительного воздействия ударной волны путем увеличения времени воздействия ударной волны на объект передвижения. Демпфирующий узел может быть выполнен с применением пластичных материалов или пружинящих механических устройств, принимающих на себя действие ударной волны и впоследствии передающих полученное усилие на объект передвижения.

В теле заряда со стороны механического контакта защитной оболочки с объектом передвижения располагают инициирующее детонирующее устройство, приводящееся в действие по внешним командам. Детонирующее устройство содержит капсюль-детонатор электрического или механического действия для возбуждения детонации в бризантном взрывчатом веществе. Команды на инициирующее устройство могут подаваться как из бортовой, так и из наземной системы управления полетом.

Для увеличения реактивной силы и одновременного сокращения давления на защитную оболочку двигателя форму заряда вместе с защитной оболочкой целесообразно иметь сужающуюся к поверхности соприкосновения защитной оболочки с корпусом объекта передвижения.

Двигатель может иметь в своем составе множество зарядов, соединенных механически с объектом передвижения, но расположенными с учетом исключения их взаимной детонации и приводящихся в действие параллельно или последовательно. Это позволит произвольно менять скорость и направление движения объекта передвижения.

Целесообразно, чтобы кумулятивная выемка заряда имела металлическую однослойную или многослойную облицовку. Это увеличит массу выбрасываемого в открытое пространство вещества и, следовательно, увеличит реактивную силу двигателя. Энергия Е, развиваемая двигателем, определяется по формуле

Е=m·V², где m - масса выбрасываемого вещества; V - скорость вещества, достигающая в кумулятивной струе до 20 км/с. Облицовку выполняют, как правило, из меди или других металлов.

Теоретически и экспериментально установлено, что наибольший эффект от кумулятивного взрыва достигается, когда заряд имеет длину, равную удвоенному диаметру заряда.

Целесообразно, чтобы рабочее тело имело в своем составе линзу для направления детонационной волны в сторону кумулятивной выемки заряда, при этом линзу изготавливают преимущественно из инертного пористого материала.

Данное изобретение может быть, в частности, с успехом использовано при создании высокоэнергетических импульсных двигателей для автоматических космических кораблей, а также для изменения орбит крупных астероидов, грозящих падением на Землю.

Изобретение относится к области создания реактивных двигателей для ракетной техники. Реактивный двигатель включает камеру с твердым зарядом, состоящим из, не менее одного, бризантного взрывчатого вещества и имеет кумулятивную выемку для создания области имитации сопла. Камера двигателя выполнена в виде защитной оболочки, внутри которой последовательно по оси размещены капсюль-детонатор, соединенный с управляющим блоком, и линза из инертного пористого материала. На камере двигателя, с противоположного торца относительно кумулятивной выемки, установлен демпфирующий узел для соединения с объектом передвижения. Изобретение позволяет повысить эффективность реактивного двигателя. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Реактивный двигатель, включающий камеру с твердым зарядом, отличающийся тем, что твердый заряд состоит из, не менее одного, бризантного взрывчатого вещества и имеет кумулятивную выемку для создания области имитации сопла, камера выполнена в виде защитной оболочки, внутри которой размещены последовательно по оси капсюль-детонатор, соединенный с управляющим блоком, линза из инертного пористого материала, а с противоположного торца относительно кумулятивной выемки установлен демпфирующий узел для соединения с объектом передвижения.

2. Реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что твердый заряд вместе с защитной оболочкой преимущественно имеет форму, сужающуюся к поверхности соприкосновения защитной оболочки с корпусом объекта передвижения.

3. Реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что кумулятивная выемка заряда выполнена с металлической однослойной или многослойной облицовкой.