ИМПУЛЬСНЫЙ ДЕТОНАЦИОННЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2018 года по МПК F02K7/02 

Изобретение относится к двигателестроению, точнее к импульсному детонационному ракетному двигателю, и также может быть применено при создании детонационных энергетических систем.

Известен пульсирующий детонационный двигатель (патент RU 2435059, МПК F02K 7/00, опубл. 27.11.2011), который содержит корпус, средства для подачи горючего и окислителя в реактор, кольцевое сопло и газодинамический резонатор, причем резонатор в виде трубы меньшего диаметра размещен в трубе реактора так, чтобы выход кольцевого сопла Гартмана был направлен во внутреннюю полость резонатора, вогнутое дно резонатора изготовлено из двух частей, разделенных буфером, внутренняя часть выполнена из материала, выдерживающего высокие импульсные механические нагрузки, а наружная - из блока пьезоэлектрических элементов, соединенных электрически параллельно, являющихся совместно с резонансным контуром пьезогенератором. Изобретение позволяет повысить эффективность преобразования химической энергии топлива в механическую и электрическую энергию двигателя, обеспечить упрощение конструкции, улучшение массогабаритных и эксплуатационных параметров, повышение удельных тяговых характеристик пульсирующего детонационного двигателя.

Недостатком данного устройства является то, что пьезогенератор производит относительно мало электроэнергии за 1 цикл импульсной механической нагрузки, поэтому дополнительно требуется система накопления и хранения электроэнергии, что приводит к потере компактности конструкции. Длительность разряда пьезоэлементов составляет всего 0,08 наносекунд, а КПД 0,12%, что не позволяет использовать пьезогенератор для электропитания высоковольтных энергетических систем.

Известен также импульсный детонационный ракетный двигатель (ИДРД), принятый за прототип (патент RU 2442008, МПК F02K 7/02, F02K 9/50, опубл. 10.02.2012), содержащий камеру сгорания, вход которой служит для порционного ввода детонационного топлива, систему импульсного зажигания, устройство запирания выхода камеры сгорания в момент заполнения ее порцией детонационного топлива, тяговое осесимметричное сопло. Тяговое осесимметричное сопло установлено на выходе из камеры сгорания и содержит канал в виде сопла Лаваля, сужающийся и быстро расширяющийся в направлении истечения продуктов детонации. Устройство запирания представляет собой роторный клапан, расположенный в критическом сечении сопла и выполненный в виде приводного цилиндрического тела с осью вращения, проходящей через критическое сечение тягового сопла и перпендикулярного его оси. В направлении оси сопла в цилиндрическом теле выполнен сквозной канал, внутренний профиль которого совпадает с контуром тягового сопла на длине поперечного размера цилиндрического тела. Ось вращения цилиндрического тела и ось тягового сопла лежат в одной плоскости. Двигатель также содержит лазерную систему импульсного зажигания лазерной искрой, возбуждаемой в камере сгорания, командный датчик синхронной подачи импульса зажигания и запирания роторным клапаном выхода камеры сгорания, один выход которого соединен с лазерной системой, а другой связан с приводом роторного клапана. Лазерная система импульсного зажигания содержит лазер, связанный с линзой, установленной в стенке камеры сгорания, и блок импульсного включения лазера, вход которого связан с командным датчиком, а выход соединен с лазером. Привод цилиндрического тела роторного клапана может быть выполнен в виде ременной или червячной передачи. Указанные устройства работают на электроэнергии. Лазерная система работает при высокой мощности излучения в лазерной искре по сравнению с действием традиционной свечи зажигания, что вызывает необходимость применения мощного энергетического источника для ее питания.

Прототип имеет невысокие эксплуатационные характеристики и низкую энергетическую эффективность ввиду того, что КПД лазера не превышает 15%, а потребность в электроэнергии для питания лазерной системы и привода роторного клапана высокая и энергии от аккумуляторов или энергии, получаемой от солнечных батарей, недостаточно для работы лазера и ИДРД.

Технической проблемой аналога и прототипа является отсутствие единой энергетической системы, получающей энергию за счет внутренней энергии (энергии детонационной волны) и обеспечивающей потребность в электроэнергии всех узлов импульсного детонационного ракетного двигателя, что снижает его энергетическую эффективность и эксплуатационные характеристики.

В основу изобретения положена задача повышения энергетических и тяговых характеристик импульсного детонационного ракетного двигателя при работе как в импульсном, так и в многочастотном режимах, улучшения массогабаритных и эксплуатационных параметров.

Поставленная задача решается за счет того, что известный импульсный детонационный ракетный двигатель, содержащий детонационную камеру сгорания, вход которой через торцевую стенку служит для порционного ввода детонационного топлива, устройство запирания выхода камеры сгорания в виде роторного клапана с приводом, тяговое сопло Лаваля, лазерную систему импульсного зажигания топлива, токораспределительную систему, устройство синхронного управления импульсным зажиганием лазера и перемещением роторного клапана, согласно изобретению дополнительно содержит газодинамический резонатор, магнитокумулятивный генератор импульсов тока многоразового действия с баллистическим устройством, а также витковый магнитокумулятивный генератор импульсов тока, причем газодинамический резонатор в виде конического кольцевого углубления образован между внутренней поверхностью камеры сгорания и внешней частью конусной оболочки, выполненной из углеродного наномодифицированного материала, установленной соосно на выходе камеры сгорания со стороны критического сечения тягового сопла, а в полости газодинамического резонатора установлен витковый магнитокумулятивный генератор импульсов тока, внешний виток которого и входные клеммы электрически изолированы от детонационной камеры сгорания и газодинамического резонатора, при этом вход камеры сгорания герметично соединен с баллистическим устройством и магнитокумулятивным генератором импульсов, состоящим из корпуса, выполненного в виде дульной части ствола баллистического устройства, изготовленного из непроводящего материала, и токоведущей системы, включающей первый и второй токоведущие элементы, токопроводящие шины которых выполнены в виде металлических желобообразных направляющих, протяженных вдоль оси ствола, источник начального возбуждения, контактный элемент, выполненный в виде диэлектрического поршня с возможностью осевого перемещения в рабочем объеме магнитокумулятивного генератора, и нагрузку, подключенную к токоведущим элементам, причем поршень выполнен из набора электрически изолированных металлических замыкающих шин с установленными в них подпружиненными контактами, выполненными из металлокерамического материала, обеспечивающими скользящие неразмыкаемые контакты с желобообразными токопроводящими шинами, при этом поршень магнитокумулятивного генератора жестко связан при помощи штока с изолированным от него газодинамическим поршнем, размещенным в полости баллистического устройства, а токовые нагрузки магнитокумулятивного генератора импульсов и виткового магнитокумулятивного генератора электрически соединены с токораспределительной системой двигателя при помощи соответственно первого и второго трансформирующих индуктивно-импульсных устройств.

Торцевая стенка детонационной камеры сгорания выполнена вогнутой и имеет осевое отверстие с кольцевым буртом.

Газодинамический поршень баллистического устройства выполнен с кольцевой канавкой на его торце, а на его боковой цилиндрической поверхности выполнены поперечные канавки для установки разрезных колец.

Рабочие объемы магнитокумулятивного генератора и баллистического устройства снабжены перепускными клапанами для сброса и выравнивания избыточного давления.

В полости баллистического устройства между газодинамическим поршнем и упорной стенкой установлена возвратная пружина.

Внешний виток виткового магнитокумулятивного генератора тока выполнен в виде полого кольца из тугоплавкого металла, заполненного наномодифицированным углеродным материалом, и закреплен на внешней стенке детонационной камеры при помощи изолятора кольцевого типа.

Входные клеммы виткового магнитокумулятивного генератора тока выполнены из наномодифицированного углеродного материала.

Источники начального возбуждения магнитного потока баллистического магнитокумулятивного генератора импульсов и виткового магнитокумулятивного генератора выполнены в виде конденсаторной батареи и коммутирующего устройства.

Токовая нагрузка виткового магнитокумулятивного генератора расположена вне детонационной камеры сгорания.

Витковый магнитокумулятивный генератор снабжен якорем, выполненным в виде конического цилиндра из токопроводящего композиционного углеродного или жаростойкого материала и имеющим возможность осциллирующего возвратно-поступательного перемещения по направляющим, которые соединены с возвратными пружинами, установленными в цилиндрических полостях, расположенных в стенках тягового сопла.

Достигаемый технический результат заключается в повышении энергетических и тяговых характеристик импульсного детонационного ракетного двигателя при работе как в импульсном, так и в многочастотном режимах, улучшении массогабаритных в (1,2-1,5 раза) и эксплуатационных параметров.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена конструктивная схема импульсного детонационного ракетного двигателя.

На фиг. 2 показаны: а) схема электрического соединения элементов баллистического магнитокумулятивного генератора, б) конструктивная схема баллистического магнитокумулятивного генератора импульсов.

На фиг. 3 показаны элементы баллистического магнитокумулятивного генератора импульсов: а) желобообразная токопроводящая шина, б) замыкающая шина, в) корпус и элементы магнитокумулятивного генератора импульсов в сечении.

На фиг. 4 показан витковый магнитокумулятивный генератор импульсов (разрез А-А на фиг 1).

На фиг. 5 представлены: а) витковый магнитокумулятивный генератор импульсов, снабженный подвижным якорем, б) разрез Б-Б на фиг. 5а.

Импульсный детонационный ракетный двигатель (фиг. 1) содержит детонационную камеру сгорания 1 с торцевой вогнутой стенкой 2, соединенную трубопроводом 3 с емкостью 4 горючей смеси (метановоздушная смесь) через обратный клапан 5 одностороннего движения топливной смеси в камеру сгорания 1. На выходе камеры сгорания 1 установлено осесимметричное тяговое сопло 6, содержащее канал в виде сопла Лаваля с сужающейся 7 и быстрорасширяющейся 8 частями в направлении истечения продуктов детонации и устройство запирания в виде роторного клапана 9, расположенного в критическом сечении сопла 6 и выполненного с возможностью переключения выхода продуктов детонации через тяговое сопло. Для переключения роторный клапан 9 снабжен шкивом 10 ременной передачи. Кроме того, импульсный детонационный ракетный двигатель содержит лазерную систему зажигания топливной смеси с лазерной искрой 11, возбуждаемой в камере сгорания 1. Применение лазерной искры, обладающей более высокой мощностью излучения по сравнению с действием традиционной свечи зажигания, является эффективным энергетическим воздействием для обеспечения детонационного горения топлива. Лазерная система зажигания включает лазер 12, например твердотельный импульсный периодический лазер Nd:YAG компании Quantronics, связанный с фокусирующей линзой 13, размещенной в боковой стенке детонационной камеры сгорания 1, блок 14 импульсного включения лазера, соединенный с системой электропитания лазера 12, командный датчик 15 соединен с электродвигателем 16 и с блоком 14 и осуществляет синхронное включение лазера и изменение углового положения роторного клапана 9, осуществляемого при включении шагового электродвигателя 16. Роторный клапан выполнен в виде цилиндрического тела с осью вращения 17, проходящей через критическое сечение тягового сопла 6 перпендикулярно его оси 18, при этом в направлении оси сопла в цилиндрическом теле выполнен сквозной канал 19, внутренний профиль которого совпадает с контуром тягового сопла на длине поперечного размера цилиндрического тела, причем ось симметрии цилиндрического тела и ось тягового сопла лежат в одной плоскости. Детонационная камера сгорания 1 соединена при помощи торцевой стенки 2 с баллистическим устройством 21 многоразового магнитокумулятивного генератора импульсов 22 и связана через газовый канал 20 с газодинамическим поршнем 23, установленным в цилиндрической полости 24 баллистического устройства. На боковой (цилиндрической) поверхности газодинамического поршня выполнены поперечные канавки, в которые установлены разрезные кольца 25 для уплотнения полости детонационной камеры. Торец газодинамического поршня 23 имеет кольцевую канавку, а торцевая стенка 2 детонационной камеры сгорания 1 - соответствующий кольцевой выступ 26, обеспечивающие торцевое уплотнение и герметичность во время заполнения детонационной камеры сгорания горючей смесью и при детонационном взрыве. Газодинамический поршень 23 при помощи штока 27 жестко соединен с диэлектрическим поршнем 28 магнитокумулятивного генератора импульсов 22 многоразового действия. Диэлектрический поршень 28 имеет набор замыкающих металлических шин 29, изолированных друг от друга и от штока 27. Замыкающие металлические шины 29 выполнены из твердой меди, оснащены на концах контактами 60 с предварительным нажатием на них пружинами 61 (фиг. 3б). Контакты 60 выполнены из металлокерамики (например, молибден-серебро-вольфрам), что обеспечивает их высокую температурную стойкость и создание надежного скользящего неразмыкаемого контакта с токопроводящими шинами 32 и 33. В полости баллистического устройства между газодинамическим поршнем 23 и упорной стенкой 30 установлена пружина 31 для возвращения газового поршня 23 в исходное положение после прямого перемещения во время создания импульса тока при помощи замыкающих шин 29 диэлектрического поршня 28 с целью уплотнения детонационной камеры сгорания 1. Токопроводящие шины 32 и 33 магнитокуммулятивного генератора импульсов тока 22, образующие токонесущий контур, выполнены в виде желобообразных направляющих из твердой меди с входными изолированными контактами для взаимодействия в исходном положении с замыкающими шинами 29 поршня генератора. Выполнение токопроводящих шин 32 и 33 в виде желобообразных направляющих предотвращает разворот диэлектрического поршня 28 при взрывной детонационной нагрузке во время многократного перемещения, а также обеспечивает надежный электрический контакт между замыкающими металлическими шинами 29 поршня и токопроводящими шинами 32 и 33. Токопроводящие желобообразные шины 32 и 33 установлены в пазах дульной части ствола 35 баллистического устройства, которая выполнена из нетокопроводящего материала (например, стекловолокна или оксида периклаза). Дульная часть 35 установлена в металлическом корпусе 34 баллистического устройства генератора. Рабочая полость между диэлектрическим поршнем 28 и торцевой стенкой 36, а также полость между газовым поршнем 23 и упорной стенкой 30 соединены каналами с перепускными клапанами 37 для сброса избыточного давления или его выравнивания при возвратно-поступательном движении диэлектрического и газодинамического поршней. Корпус ствола баллистической установки выполнен из нетокопроводящего материала и установлен в металлическом корпусе, надежно соединенном с ИДРД, что позволит повысить прочность конструкции при вибрации ИДРД. Магнитокумулятивный генератор импульсов 22 имеет токопроводящие элементы 38 и 39, электрически соединенные с восемью токоведущими желобообразными шинами 32 и 33. Токопроводящие элементы 38 и 39 размещены вне рабочего объема генератора 22 (фиг. 1) и соединены с нагрузкой 40 и токораспределительной системой 42. Магнитокумулятивный генератор импульсов содержит источник начального возбуждения 41, соединенный через токопроводящие элементы 38 с входными концами токопроводящих шин 32 (1, 2, 3, 4) и 33 (1, 2, 3, 4), токопроводящие элементы 39, соединенные с выходными концами токопроводящих шин 32 (1, 2, 3, 4) и 33 (1, 2, 3, 4) и контактный элемент в виде диэлектрического поршня 28 с отверстием 49 по центру, армированного замыкающими шинами, расположенными в различных плоскостях относительно замыкающих пластин диэлектрического поршня, электрически изолированными от штока 27 при помощи изолятора 62 (см. фиг. 3б, в). В качестве источника начального возбуждения 41 может быть использована конденсаторная батарея, соединяемая посредством коммутатора к₁ с токоподводящими элементами 38 (фиг. 2а). Токовая нагрузка 40 с первым индуктивно-импульсным трансформирующим устройством 71 соединена с токораспределительной системой 42 импульсного детонационного ракетного двигателя и с системой электропитания лазера 12.

Первое индуктивно-импульсное трансформирующее устройство 71 (фиг. 2а) соединено с нагрузкой 40 генератора импульсов и содержит конденсатор 56, служащий для уменьшения перенапряжения на коммутаторе к₂ при его размыкании, дополнительный трансформатор 57, вторичная обмотка которого последовательно соединена с первичной обмоткой повышающего трансформатора 58, вторичная обмотка которого соединена с токораспределительной системой 42.

ИДРД также содержит выполненный в детонационной камере сгорания 1 газодинамический резонатор в виде конического кольцевого углубления, образованного внутренней поверхностью камеры сгорания и внешней частью конической оболочки 63 (фиг. 4), установленной соосно на выходе камеры сгорания со стороны критического сечения тягового сопла 6. Коническая оболочка 63 выполнена из углеродного наномодифицированного материала.

В газодинамическом резонаторе установлен витковый магнитокумулятивный генератор импульсов (ВМКГ) многоразового действия, включающий в себя (фиг. 4) коническую оболочку 63, внешний виток магнитокумулятивного виткового генератора 50, входные клеммы магнитокумулятивного виткового генератора 48, выходные контакты 49, конденсатор 46 источника начального возбуждения тока, коммутаторное устройство 47, внешнюю нагрузку 51, изоляторы 55, канал тягового сопла с критическим сечением 64, второе трансформирующее индуктивно-импульсное устройство 52, выполненное аналогично первому трансформирующему индуктивно-импульсному устройству, коническую полость газодинамического резонатора 53, изолятор кольцевой 54, плазменный поршень 65, образуемый в полости между внутренней цилиндрической стенкой детонационной камеры сгорания 1 и конической оболочкой 63 газодинамического резонатора согласно эффекту Гартмана и обеспечивающий сжатие магнитного потока (фиг. 4). Все элементы ВМКГ, кроме изоляторов, выполнены из наномодифицированного углеродного материала, позволяющего работать при температуре 3500°С.

Сжатие магнитного потока может быть осуществлено при помощи подвижного якоря. В таком исполнении ВМКГ (фиг. 5а, б) включает в себя детонационную камеру сгорания 1, элементы виткового магнитного генератора: конденсаторную батарею 46, коммутатор 47, входные клеммы 48, выходные контакты 49, внешнюю нагрузку 51, внешний виток магнитокумулятивного виткового генератора 50, второе трансформирующее индуктивно-импульсное устройство 52, коническую полость газодинамического резонатора 53, изолятор кольцевой 54, подвижный якорь 66, направляющие 67, выполненные из жаростойкого материала и покрытые диэлектрической изоляцией, цилиндрическую полость 68, пружины 69, упор 70.

Импульсный детонационный ракетный двигатель работает следующим образом. В режиме одиночных импульсов после прохождения детонационной волны и выброса продуктов сгорания через тяговое сопло 6 создается единичный импульс тяги. После выброса продуктов сгорания роторный переключатель 9 приводится в закрытое состояние, тяговое сопло запирается. В связи с тем, что после прохождения детонационной волны сжатия следует волна разряжения, в детонационной камере сгорания 1 создается разряжение и свежая порция топливной смеси из емкости 4 по трубопроводу 3 через обратный клапан 5 поступает в детонационную камеру сгорания 1, заполняя ее. Далее следует импульс включения лазера 12, луч лазера проходит через фокусирующую линзу 13, возникает лазерная искра 11, которая инициирует детонационное сжигание очередной порции топливной смеси в детонационной камере сгорания 1. При этом происходит резкое возгорание топлива, возникает ударная волна, которая взаимодействует с вогнутой поверхностью торцевой стенки 2, а затем отражается от нее, фокусируясь в точке А (фиг. 1). Вогнутая торцевая стенка детонационной камеры сгорания фокусирует отраженную от нее ударную волну, что повышает температуру и давление, обеспечивает интенсивное горение при одновременном воздействии на процесс сосредоточенных автоколебаний со стороны волн газодинамического резонатора. Это обеспечивает многоступенчатую детонацию, способствующую повышению КПД и тяговых характеристик ИДРД. Одновременно ударная волна поступает в коническую полость 53 газодинамического резонатора, где происходит сжатие газового потока и повышение его температуры (эффект Гартмана) и развивается автоколебательный процесс, при этом обратная отраженная волна многократно взаимодействует с отраженной волной от вогнутой торцевой стенки 2 в точке А. За счет этого происходит повышение как температуры, так и степени ионизации продуктов сгорания и резкое увеличение давления и скорости потока, что существенно повышает импульс тяги. Известно, что скорость сходящейся ударной волны возрастает быстрее, чем цилиндрической, а давление многоступенчатой детонации может в несколько раз превышать давление стационарной детонации. Конический канал газодинамического резонатора создает сосредоточенные автоколебания (эффект Гартмана), существенно повышает температуру ионизации продуктов сгорания топлива при движении и отражении детонационных волн с высокой частотой. Известно, что наиболее высокие давление и амплитуда колебаний были получены в конических резонаторах (см.: Расчетное исследование газодинамического течения в дисковом генераторе Гартмана. Автореферат диссертации. Соколов И.А., 2006).

С помощью командного датчика 15 открывается роторный переключатель 9. Возникающая детонационная волна 43 выбрасывает продукты сгорания через тяговое сопло, создавая второй единичный импульс. Под действием детонационного давления Р оказывается импульсное воздействие на газодинамический поршень 23, установленный в цилиндрической камере баллистической установки 24. Газодинамический поршень 23 двигается с высокой скоростью и передает движение на диэлектрический поршень 28 баллистического магнитокумулятивного генератора многоразового действия при помощи штока 27. До вылета диэлектрического поршня 28 в рабочий объем генератора 22 производится разряд от источника 41 начального возбуждения путем включения коммутатора к₁. Ток разрядки через токоподводящие элементы 38, 39 и токоведущие шины 32 и 33 поступает в нагрузку 40, электрически соединенную с первым индуктивно-импульсным трансформирующим устройством 71 (фиг. 2а). Момент разряда источника 41 выбирают таким образом, что диэлектрический поршень 28 через шины 29 замыкает токоведущие элементы 32 (1, 2, 3, 4) и 33 (1, 2, 3, 4) (фиг. 3в) во входном сечении генератора, при достижении током разряда максимального значения. При дальнейшем движении поршня 28 цепь тока замыкается через его четыре замыкающие токопроводящие шины 29, которыми армирован поршень 28 генератора. Замыкающие шины 29 оснащены специальными контактами 60 из металлокерамики с предварительным нажатием на них пружинами 61, обеспечивающими скользящие неразмыкаемые контакты (см. фиг. 36), при этом происходит сжатие магнитного потока в рабочем объеме генератора 22. В результате этого происходит усиление тока и магнитной энергии в нагрузке 40, электрически соединенной с первым индуктивно-импульсным трансформирующим устройством 71 (фиг. 2а), через которое импульс тока передается в токораспределительную систему 42 импульсного детонационного ракетного двигателя с усилением импульса тока до 1,8-2 раза, а через нее в систему электропитания лазера 12, управляемого при помощи командного датчика 14 синхронной подачи импульсов для зажигания топлива в детонационной камере сгорания 1, а также для электропитания электродвигателя 16, командного датчика 15 и других систем ИДРД.

Важнейшим условием эффективной работы импульсного магнитокумулятивного генератора энергии является соблюдение неравенства , где L - индуктивность деформируемого контура. Известно, что коэффициент усиления kE определяется выражением , где L₀ - начальная индуктивность деформируемого контура, L_k - конечная индуктивность, ζ - коэффициент потерь магнитного потока , где Ф_к и Ф₀ - конечный и начальный магнитные истоки соответственно (см.: Чернышов В.К., Давыдов В.А., Ванесов В.Е. Исследование процесса магнитной кумуляции в системе с перехватом магнитного потока // Сверхсильные магнитные поля: Физика. Техника. Применение. М.: Наука, 1984, с. 278). В связи с представленными зависимостями необходимо находить пути снижения магнитного потока при деформации токопроводящего контура. Одним из путей решения этой задачи является оптимизация параметров деформируемых контуров с трансформаторами связи.

Первое индуктивно-импульсное трансформирующее устройство 71 работает следующим образом. Постоянный ток, получаемый из нагрузки 40 магнитокумулятивного генератора тока (фиг. 2а), при замыкании коммутатора кг в нулевой момент времени создает в первичной обмотке дополнительного трансформатора 57 ток J₁, при этом в последовательно включенной первичной обмотке повышающего трансформатора 58 тоже создается ток J₂. В момент времени t₃ коммутатор к₂ размыкается, обмотки дополнительного трансформатора 57 и первичная обмотка повышающего трансформатора 58 будут включены последовательно и по ним будет протекать общий ток J₃. В соответствии с обобщенным законом коммутации суммарное потокосмещение обмоток в момент времени t₂ не может измениться скачком (см.: Чернихов Ю.В. / Индукционная катушка Румкорфа // Электропанорама, №6, 2008, Киев, с. 95-98). В связи с тем, что добротность первичной обмотки дополнительного трансформатора 57 в 2,5-15 раз выше, чем добротность последовательно включенных первичной обмотки повышающего трансформатора 58 и вторичной обмотки дополнительного трансформатора 57, в первичной обмотке дополнительного трансформатора формируется импульс тока J₄ (см.: Чернихов Ю.В. / Индукционная катушка Румкорфа // Электропанорама, №6, 2008, Киев, с. 95-98), причем ток не изменяет своего направления. При этом значение тока J₄>J₁ вследствие накопления энергии в магнитном поле при согласном включении первичной и вторичной обмоток дополнительного трансформатора 57. В последовательно включенной первичной обмотке повышающего трансформатора 58 и вторичной обмотке дополнительного трансформатора 57 ток меняет свое направление на противоположное, при этом формируется импульс тока J₅, который примерно равен сумме токов J₂+J₃. Под действием импульса тока J₅ во вторичной обмотке повышающего трансформатора 58 возникает импульс тока J₆, поступающий в токораспределительную систему 42. Таким индуктивно-импульсным трансформирующим устройством можно обеспечить увеличение передачи импульса тока в нагрузку примерно в 2 и более раз.

При прямом движении газодинамического поршня 23 в цилиндрической камере баллистической установки 24 его уплотнение осуществляется за счет разрезных колец 25, установленных в поперечных канавках газового поршня, при этом полость, где установлена возвратная пружина 31, и полость генератора соединены каналами с перепускными клапанами 37 для выравнивания избыточного давления и предотвращения образования отсоединенной ударной волны при возвратно-поступательном перемещении поршня. Возврат газодинамического поршня 23 и диэлектрического поршня импульсного генератора 28 в исходное положение осуществляется за счет усилия возвратной пружины 31, которая сначала сжимается, упираясь в упорную стенку 30, при прямом движении газового поршня, а затем распрямляется за счет силы упругости при разряжении в детонационной камере сгорания 1. Уплотнение детонационной камеры сгорания 1 газовым поршнем 23 производится за счет торцевой кольцевой канавки 26, выполненной на торцевой поверхности, и кольцевого выступа, выполненного на внешней стороне задней стенки 2 детонационной камеры сгорания 1, которые при смыкании образуют лабиринтное уплотнение. В связи с тем, что возгорание топлива в детонационной камере сгорания производится лазером 12 при давлении от 10 атм, усилия пружины вполне достаточно для создания надежного уплотнения детонационной камеры 1. Детонационное давление при горении топлива может достигать 70-150 атм, что позволяет обеспечить большую скорость перемещения диэлектрического поршня баллистического манитокумулятивного генератора импульсов (БМКГ) многоразового действия (V≥5 км/с). После подачи импульса тока от источника начального возбуждения 41 на токопроводящие элементы 38 и токоведущие шины 32 и 33 коммутатор к₁ размыкается и источник начального возбуждения снова заряжается для следующего цикла работы импульсного генератора тока.

Импульсный детонационный ракетный двигатель может работать в нескольких режимах: на низких импульсных частотах (f=l-10 Гц), на импульсно-периодических частотах, а также импульсно-пульсирующих частотах (f>10 Гц). На низких частотах используются оба генератора БМКГ и ВМКГ, работающие параллельно. На импульсно-пульсирующих частотах целесообразно использовать только ВМКГ. Оба генератора включены в единую энергетическую систему ИДРД, и их работа способствует повышению энергетической эффективности работы многорежимного детонационного ракетного двигателя.

При работе ИДРД в импульсном режиме на низких частотах (1-10 Гц) или в импульсно-периодическом режиме целесообразно применять баллистический магнитокумулятивный генератор импульсов многоразового действия (БМКГ). Витковый магнитокумулятивный генератор импульсов может работать с подвижным якорем либо с плазменным поршнем. Однако плазменный поршень может быть образован при высокой степени ионизации продуктов сгорания топлива или при добавлении в топливо ионизированных компонентов. При низкой ионизации продуктов сгорания топлива для работы ВМКГ целесообразно использовать подвижный якорь, работающий в осциллирующем режиме. Следует отметить, что ВМКГ может работать как на низких, так и высоких частотах детонационных волн. Процесс работы ИДРД осуществляют при помощи программируемого логического контроллера ПЛК-150 (на чертеже не показан).

Процесс работы ИДРД может периодически возобновляться в автоматическом режиме с периодом, равным времени между положениями роторного переключателя 9 «открыто» - «закрыто», приводимого в действие при помощи электродвигателя 16 и ременной передачи 10. Импульсный детонационный ракетный двигатель может работать в многочастотном режиме, когда частота следования одиночных импульсов может быть довольно большой и определяться в основном скоростью заполнения камеры сгорания, частотой работы импульсного источника тока, а также импульсного лазера f>100 Гц. В этом случае роторное устройство 9 устанавливается в положение «открыто», работа лазера приводится в режим непрерывной импульсной модуляции. При этом многочастотный детонационный процесс осуществляется за счет работы виткового магнитокумулятивного генератора, а работа баллистического магнитокумулятивного генератора многоразового действия 22 блокируется.

Работает ВМКГ следующим образом (см. фиг. 4): начальный магнитный поток создается при помощи конденсаторной батареи 46 при замыкании коммутатора 47. За счет детонационного взрыва и движения плазмы в конической полости 53 (фиг. 1), образованной внутренней цилиндрической стенкой детонационной камеры сгорания 1 и конической оболочкой 63 газодинамического резонатора, где дополнительно разогревается горючая смесь (см. эффект Гартмана), создается плазменный поршень 65. Образованный плазменный конический поршень 65 замыкает входные клеммы 48 в момент, когда начальный ток в контуре виткового генератора достигает максимума. При последовательном движении и сжатии плазменного конического поршня захваченный магнитный поток сжимается всей поверхностью внешнего витка 50 по отношению к электромагнитному полю ВМКГ и вытесняется в нагрузку 51, а из нагрузки передается в токораспределительную систему 42 ИДРД через первое трансформирующее индуктивно-импульсное устройство 71 (фиг. 2а). Витковые магнитокумулятивные генераторы позволяют получить электрические импульсы с параметрами: по току от 15 до 46 МА, напряжению до 140 кВ, мощности до 4⋅10¹² Вт, энергии от 2 до 30 МДж. Время генерации энергии 30 мкс. Параметры ВМКГ надежно прогнозируются и могут варьироваться в широких пределах в диапазоне нагрузок с индуктивностью от единицы до 100 нГн как путем изменения геометрии единичного генератора, так и при образовании многоэлементных систем (см.: А.И. Павловский, Р.З. Людаев, В.А. Васюков и др. Магнитокумулятивные витковые генераторы быстронарастающих импульсов тока // Сверхсильные магнитные поля: Физика. Техника. Применение / М.: Наука, 1984, С. 292-297). Коэффициент усиления тока ВМКГ составляет 7-10 раз, поверхностная плотность тока составляет 0,8-1 МА/см по ширине витка. Могут создаваться многоэлементные ВМКГ с последовательным соединением до 10 витков, что позволит увеличить мощность и напряжение электрического импульса для питания энергетических систем ИДРД.

Для замыкания входных клемм 48 и сжатия магнитного потока может быть использован также подвижный якорь (фиг. 5а, б), выполненный в виде конического цилиндра из токопроводящего композиционного углеродного или жаростойкого материала, приводимый в действие детонационными волнами. При воздействии детонационной волны силой Р на подвижный якорь 66 (фиг. 5а) он по направляющим 67 входит в зону внешнего витка ВМКГ 50, сжимает создаваемое им магнитное поле и замыкает входные клеммы 48 в момент, когда начальный ток в контуре витка 50 ВМКГ достигает максимума. При последующем движении конической оболочки подвижного якоря магнитный поток сжимается всей его конической поверхностью и вытесняется в нагрузку 51, из которой импульс тока через второе трансформирующее индуктивно-импульсное устройство 52 передается в токораспределительную систему ИДРД. При этом ход подвижного якоря 66 ограничивается упорами 70, выполненными из диэлектрического материала. Возврат подвижного якоря в исходное положение осуществляется за счет усилия возвратных пружин 69, изготовленных из жаропрочного материала и установленных в цилиндрах 68.

Параметры ВМКГ могут прогнозироваться и варьироваться в широких диапазонах путем изменения геометрии единичного генератора, например путем образования многоэлементных систем с последовательным соединением до 10 витков, что позволит увеличить длительность и мощность быстронарастающих электрических импульсов тока и напряжения. Может также использоваться несколько детонационных камер ИДРД в связке со своими импульсными генераторами тока, работа которых согласована для снижения вибрации.

При работе ИДРД и лазера на низких частотах (1-10 Гц) для его электропитания применятся баллистический магнитокумулятивный генератор, обладающий большей индуктивностью и большим коэффициентом усиления тока 10-50, длительностью импульса 5-10 мкс. Токовые нагрузки баллистического магнитокумулятивного генератора импульсов и виткового магнитокумулятивного генератора быстронарастающих импульсов тока соответственно 40 и 51 соединены электрически при помощи первого и второго трансформирующих индуктивно-импульсных устройств соответственно 71 и 52 с токораспределительной системой импульсно-пульсирующего детонационного ракетного двигателя и с системой электропитания лазера 12, управляемого при помощи командного датчика синхронной подачи импульсов для поджига топлива или по программе контроллера.

В качестве мощного источника тока для электропитания лазера, входящего непосредственно в конструкцию ИДРД, может быть использован модернизированный баллистический магнитокумулятивный генератор импульсов (БМГИ) (см. патент РФ №2087067, опубл. 10.08.1997), позволяющий создать единую энергетическую систему совместно с ВМКГ в составе ИДРД. Работа обоих генераторов БМГИ и ВМКГ основана на сжатии магнитного потока, что позволяет их использовать в качестве мощных источников тока и магнитного поля, в виде импульсов многоразового действия, осуществляемых за счет части энергии детонации в камере ИДРД.

В генераторе БМГИ реализовано выполнение дульной части ствола баллистической установки из непроводящего материала и выполнение токоведущих элементов токоведущей системы в виде металлических шин, протяженных вдоль оси ствола баллистической установки. Металлические шины расположены в пазах на внутренней поверхности дульной части ствола баллистической установки. Это позволяет разместить токоподводящие элементы генератора предотвращая их разрушение во время работы. Выполнение первого и второго элементов токоведущей системы, содержащей N металлических шин, где N≥2, соединенных между собой с помощью 2N-2 токоведущих перемычек, обеспечивает последовательное электрическое соединение указанных шин. При выполнении поршня из непроводящего материала, армированного отрезками металлических замыкающих шин, расположенных в разных плоскостях, существенно увеличивается индуктивность токоведущей системы, что, в свою очередь, обеспечивает высокий коэффициент усиления. Корпус ствола баллистической установки должен быть выполнен из нетокопроводящего материала и установлен в металлическом корпусе, соединенном надежно с ИДРД, что позволит повысить прочность конструкции при вибрации ИДРД.

Для обеспечения надежности работы при ударных многократных нагрузках и вибрации путем недопущения разворачивания поршня генератора требуется создать надежный электрический контакт замыкающих металлических шин поршня генератора и токоведущих шин. Для этого токоведущие шины выполняют желобообразными, а контакты замыкающих шин диэлектрического поршня генератора выполняют из металлокерамики с предварительным нажатием на них специальными пружинами, обеспечивающими скользящие неразмыкаемые контакты с токопроводящими шинами.

Генераторы ВМКГ и БМГИ обеспечены надежной электрической системой, позволяющей передавать импульсы тока, амплитудой более 1 МА и магнитной энергией, например с длительностью 5÷10 мс, коэффициентом усиления 10-50 при индуктивности системы 50-1000 мкГн от нагрузки в систему электропитания лазера с минимальными потерями. Увеличение величины и мощности импульса тока, передаваемых в систему электропитания лазера может быть обеспечено при помощи трансформирующего устройства, выполненного, например, по электрической схеме перспективного индуктивно-импульсного генератора (см. патент на полезную модель RU 156007, опубл. 27.10.2015).

Также может быть использован взрывной способ трансформации магнитного потока (см. патент RU 2483420, опубл. 27.05.2013) для значительного увеличения коэффициента передачи энергии из первичного контура в нагрузку вторичного контура при одновременном уменьшении габаритов устройства и повышения его экономичности.

Изобретение позволяет создать ИДРД с мощными импульсными энергетическими источниками для электропитания лазера и других систем ИДРД, повышает энергетическую эффективность и тяговые параметры за счет многоступенчатой детонации в камере сгорания, а также эксплуатационные характеристики импульсного детонационного ракетного двигателя, например, за счет снижения весовых характеристик и стабильности работы лазерной системы. Изобретение импульсных детонационных ракетных двигателей, оснащенных генераторами импульсного тока и газодинамической системой, обеспечивающей многоступенчатую детонацию, может применяться для разработки многорежимных перспективных реактивных двигателей летательных и космических аппаратов с импульсным источником электроэнергии для питания лазеров путем использования частично энергии детонационной волны.

Импульсный детонационный ракетный двигатель содержит детонационную камеру сгорания, вход которой через торцевую стенку служит для порционного ввода детонационного топлива и герметично соединен через баллистическое устройство с магнитокумулятивным генератором импульсов, источник начального возбуждения. Камера сгорания содержит устройство запирания выхода в виде роторного клапана с приводом, тяговое сопло Лаваля, лазерную систему импульсного зажигания топлива, устройство управления синхронной подачей импульсного зажигания, один выход которого электрически соединен с лазерной системой, а другой - с приводом роторного клапана, газодинамический резонатор в виде конического кольцевого углубления, образованного между внутренней поверхностью камеры сгорания и внешней частью конусной оболочки. В полости газодинамического резонатора установлен витковый магнитокумулятивный генератор импульсов тока. Изобретение направлено на повышение энергетических и тяговых характеристик двигателя при работе как в импульсном, так и в многочастотном режимах, улучшение массогабаритных и эксплуатационных параметров. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Импульсный детонационный ракетный двигатель, содержащий детонационную камеру сгорания, вход которой через торцевую стенку служит для порционного ввода детонационного топлива, устройство запирания выхода камеры сгорания в виде роторного клапана с приводом, тяговое сопло Лаваля, лазерную систему импульсного зажигания топлива, токораспределительную систему, устройство управления синхронной подачей импульсного зажигания, один выход которого электрически соединен с лазерной системой, а другой - с приводом роторного клапана, отличающийся тем, что дополнительно содержит газодинамический резонатор, магнитокумулятивный генератор импульсов тока многоразового действия с баллистическим устройством, а также витковый магнитокумулятивный генератор импульсов тока, причем газодинамический резонатор в виде конического кольцевого углубления образован между внутренней поверхностью камеры сгорания и внешней частью конусной оболочки, выполненной из углеродного наномодифицированного материала, установленной соосно на выходе камеры сгорания со стороны критического сечения тягового сопла, а в полости газодинамического резонатора установлен витковый магнитокумулятивный генератор импульсов тока, внешний виток которого и входные клеммы электрически изолированы от детонационной камеры и газодинамического резонатора, при этом вход камеры сгорания герметично соединен с баллистическим устройством и магнитокумулятивным генератором импульсов, состоящим из корпуса, выполненного в виде дульной части ствола баллистического устройства, выполненного из непроводящего материала, и токоведущей системы, включающей первый и второй токоведущие элементы, токопроводящие шины которых выполнены в виде металлических желобообразных направляющих, протяженных вдоль оси ствола, источник начального возбуждения, контактный элемент, выполненный в виде поршня с возможностью осевого перемещения в рабочем объеме магнитокумулятивного генератора, и нагрузку, подключенную к токоведущим элементам, причем поршень выполнен из набора электрически изолированных металлических замыкающих шин с установленными в них подпружиненными контактами из металлокерамического материала, обеспечивающими скользящие неразмыкаемые контакты с желобообразными токопроводящими шинами, при этом поршень магнитокумулятивного генератора жестко связан при помощи штока с изолированным от него газодинамическим поршнем, размещенным в полости баллистического устройства, а токовые нагрузки магнитокумулятивного генератора импульсов и магнитокумулятивного виткового генератора соединены электрически при помощи соответственно первого и второго трансформирующих индуктивно-импульсных устройств с токораспределительной системой.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что торцевая стенка детонационной камеры сгорания выполнена вогнутой и имеет осевое отверстие с кольцевым буртом.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что поршень баллистического устройства выполнен с кольцевой канавкой на его торце, а на его боковой цилиндрической поверхности выполнены поперечные канавки для установки разрезных колец.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что рабочие объемы магнитокумулятивного генератора и баллистического устройства снабжены перепускными клапанами для сброса и выравнивания избыточного давления.

5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, в полости баллистического устройства между газодинамическим поршнем и упорной стенкой установлена возвратная пружина.

6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внешний виток виткового магнитокумулятивного генератора тока выполнен в виде полого кольца из тугоплавкого металла, заполненного наномодифицированным углеродным материалом, и закреплен на внешней стенке детонационной камеры при помощи изолятора кольцевого типа.

7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что входные клеммы виткового магнитокумулятивного генератора тока выполнены из наномодифицированного углеродного материала.

8. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что источники начального возбуждения магнитного потока баллистического магнитокумулятивного генератора импульсов и виткового магнитокумулятивного генератора выполнены в виде конденсаторной батареи и коммутирующего устройства.

9. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что токовая нагрузка виткового магнитокумулятивного генератора расположена вне детонационной камеры сгорания.

10. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что витковый магнитокумулятивный генератор снабжен якорем, выполненным в виде конического цилиндра из токопроводящего композиционного углеродного или жаростойкого материала и имеющим возможность осциллирующего возвратно-поступательного перемещения по направляющим, которые соединены с возвратными пружинами, установленными в цилиндрических полостях, расположенных в стенках тягового сопла.