Пульсирующий кумулятивный ракетный двигатель Российский патент 2019 года по МПК F02K7/02 F02K9/42 

Заявляемое изобретение относится к ракетной технике, и основано на применении в ракетном двигателе пульсирующей кумулятивной струи, далее такой двигатель будет обозначаться - ПКРД, и может применятся как в маршевых, так и в управляющих ракетных двигателях.

Известен патент №2183283 «Маршевый пульсирующий ракетный двигатель», содержащий блок камер сгорания, каждая из которых имеет форсунки для подачи топлива, и сопло Лаваля, отличающийся тем, что двигатель выполнен работающим на самовоспламеняющемся топливе, а блок камер сгорания, имеющий возможность выдерживать давление до 1000 атм., выполнен в виде единой конструкции, состоящей из двух плит, формирующих камеры сгорания с соплами и скрепленных между собой через жаропрочную прокладку болтовыми соединениями, и имеющий возможность накапливать избыточное тепло, камеры сгорания выполнены шарообразными, в них установлены форсунки для подачи топлива, при этом форсунки связаны с установленными на верхней плите блока электронными инжекторными агрегатами, в нижней плите расположены сопла Лаваля каждой камеры, две противоположно расположенные камеры имеют тангенциальные сопла, позволяющие управлять положением двигателя по крену, причем площадь внутренней поверхности камеры сгорания в 500 раз превышает площадь критического сечения сопла.

Недостатком данной конструкции является сложность управления процессом впуска и полного заполнения камер сгорания самовоспламеняющимся топливом до начала воспламенения.

Известен патент №2442008 «Импульсный детонационный ракетный двигатель», содержит камеру сгорания, вход которой служит для порционного ввода детонационного топлива, систему импульсного зажигания и устройство запирания выходного отверстия камеры сгорания в момент заполнения ее порцией детонационного топлива, тяговое осесимметричное сопло и устройство запирания. Тяговое осесимметричное сопло установлено на выходе камеры сгорания и содержит канал в виде сопла Лаваля, сужающееся и быстро расширяющееся в направлении истечения продуктов детонации. Устройством запирания является роторный клапан, расположенный в критическом сечении сопла и выполненный в виде приводного цилиндрического тела с осью вращения, проходящей через критическое сечение тягового сопла и перпендикулярно 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 выхода камеры сгорания роторным клапаном, один выход которого соединен с лазерной системой, а другой связан с приводом роторного клапана. Изобретение позволяет увеличить стабильность работы двигателя, расширить диапазон его рабочих режимов, уменьшить вибрационные нагрузки.

Недостатком данной конструкции является сложность конструкции, и сложность управления процессом ввода детонационного топлива и запирания камеры воспламенения.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение удельного импульса ракетного двигателя.

Поставленная задача решается тем, что ПКРД, состоящий из корпуса, соплового блока, канала подачи кислорода, камеры распределения кислорода и камеры вихревой закрутки кислорода, соединенных между сбой тангенциальными каналами, обеспечивающими закрутку потока кислорода, конического канала, соединяющего камеру вихревой закрутки кислорода и камеру сгорания, по которой проходит закрученный поток кислорода, а также из канала подачи водорода, камеры распределения водорода и камеры вихревой закрутки водорода, соединенных между сбой тангенциальными каналами, обеспечивающими закрутку потока водорода, конического канала, соединяющего камеру вихревой закрутки водорода и камеру сгорания, по которому проходит закрученный поток водорода, а при вхождении потока кислорода и потока водорода в камеру сгорания происходит смешивание кислорода и водорода с образованием горючей смеси, далее горючая смесь, двигаясь по спирали, заполняет камеру сгорания, образуя при этом воронку, ось симметрии воронки совпадает с осью симметрии камеры сгорания, в днище камеры сгорания выполнена запальная камера, в которой создаются условия для возникновения детонационной волны, и устанавливается запальная свеча, создающая искру между электродами свечи, при достижении потоком горючей смеси зоны искрообразования в запальной камере происходит ее воспламенение с образованием детонационной волны сгорания горючей смеси, распространяющейся с очень большой скоростью, при этом происходит взрывной подъем температуры и давления продуктов сгорания, далее происходит расширение продуктов сгорания, а воронка, образовавшаяся при заполнении камеры сгорания, будет способствовать образованию кумулятивной струи, истекающей со скоростью большей, чем скорость истечения продуктов сгорания из камер ракетных двигателей на твердом или жидком топливе, что приведет к увеличению удельного импульса, дальнейшее распространение ударной волны по камере сгорания приведет к разделению потоков кислорода и водорода, это исключит возможность воспламенения водорода и кислорода в зоне смешения при следующем цикле заполнения камеры сгорания, а следующий цикл начнется сразу, как только произойдет истечение продуктов сгорания и падение давления в камере, далее цикл повторяется.

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.

На фиг. 1 поясняется общая конструкция ПКРД и распределение газовых потоков.

На фиг. 2 показаны тангенциальные каналы и завихрение потока кислорода в вихревой камере.

На фиг. 3 показаны тангенциальные каналы и завихрение потока водорода в вихревой камере.

ПКРД состоит из: корпуса 1, соплового блока 2, канала подачи кислорода 5, камеры распределения кислорода 3 и камеры вихревой закрутки кислорода 4, соединенных между собой тангенциальными каналами 14, обеспечивающими закрутку потока кислорода, конического канала 9, соединяющего камеру вихревой закрутки кислорода 4 и камеру сгорания 11, по которому проходит закрученный поток кислорода, а также из канала подачи водорода 6, камеры распределения водорода 7 и камеры вихревой закрутки водорода 8, соединенных между сбой тангенциальными каналами 15, обеспечивающими закрутку потока водорода, конического канала 10, соединяющего камеру вихревой закрутки водорода 8 и камеру сгорания 11, по которому проходит закрученный поток водорода, а при вхождении потока кислорода и потока водорода в камеру сгорания происходит смешивание кислорода и водорода с образованием горючей смеси, далее горючая смесь, двигаясь по спирали, заполняет камеру сгорания, образуя при этом воронку, ось симметрии воронки совпадает с осью симметрии камеры сгорания, в днище камеры сгорания устанавливается запальная свеча 12, создающая искру между электродами свечи, перед свечой выполнена запальная камера 13, в которой создаются условия для возникновения детонационной волны.

Работа ПКРД происходит следующим образом: по каналу 5 кислород поступает в камеру распределения кислорода 3, из которой он по тангенциальным каналам 14 поступает в вихревую камеру 4, где происходит закрутка потока кислорода, далее по коническому каналу 9 закрученный поток кислорода поступает в камеру сгорания 11. Одновременно с кислородом по каналу 6 в распределительную камеру 7 поступает водород, из которой по тангенциальным каналам 15 он поступает в вихревую камеру 8, где происходит закрутка водорода, далее закрученный поток водорода по коническому каналу 15 поступает в камеру сгорания 11. При вхождении потока кислорода и потока водорода в камеру сгорания 11 происходит смешивание кислорода и водорода с образованием горючей смеси, далее горючая смесь, двигаясь по спирали, заполняет камеру сгорания, образуя при этом воронку, ось симметрии воронки совпадает с осью симметрии камеры сгорания 11, в днище камеры сгорания выполнена запальная камера 13, в которой устанавливается запальная свеча 12, создающая искру между электродами свечи. При достижении потоком горючей смеси зоны искрообразования в запальной камере, происходит ее воспламенение с образованием детонационной волны сгорания горючей смеси, распространяющейся с очень большой скоростью при этом происходит взрывной подъем температуры и давления продуктов сгорания, далее происходит расширение продуктов сгорания, а воронка, образовавшаяся при заполнении камеры сгорания, будет способствовать образованию кумулятивной струи, истекающей со скоростью большей, чем скорость истечения продуктов сгорания из камеры ракетных двигателей на твердом или жидком топливе, что приведет к увеличению удельного импульса, дальнейшее распространение ударной волны по камере сгорания приведет к разделению потоков кислорода и водорода, это исключит возможность воспламенения водорода и кислорода в зоне смешения при следующем цикле заполнения камеры сгорания, а следующий цикл начнется сразу, как только произойдет истечение продуктов сгорания и падение давления в камере, далее цикл повторяется. Таким образом достигается пульсирующая работа ПКРД с повышенным удельным импульсом.

Пульсирующий кумулятивный ракетный двигатель содержит камеру сгорания, сопловой блок, канал подачи кислорода и канал подачи водорода, камеру распределения кислорода, камеру распределения водорода, камеру вихревой закрутки кислорода, камеру вихревой закрутки водорода. Кислород из камеры вихревой закрутки кислорода поступает в камеру сгорания по коническому каналу, который соединяет камеру вихревой закрутки кислорода и камеру сгорания. Водород из камеры вихревой закрутки водорода поступает в камеру сгорания по своему коническому каналу, который соединяет камеру вихревой закрутки водорода и камеру сгорания. При вхождении потока кислорода и потока водорода в камеру сгорания происходит смешивание кислорода и водорода с образованием горючей смеси, которая, двигаясь по спирали, заполняет камеру сгорания, образуя при этом воронку, ось симметрии воронки совпадает с осью симметрии камеры сгорания. В днище камеры сгорания выполнена запальная камера, в которой создаются условия для возникновения детонационной волны при воспламенении горючей смеси от запальной свечи. Изобретение направлено на упрощение конструкции и повышение удельного импульса. 3 ил.

Пульсирующий кумулятивный ракетный двигатель (далее - ПКРД), содержащий камеру сгорания, сопловой блок, канал подачи кислорода и канал подачи водорода, камеру распределения кислорода, камеру распределения водорода, камеру вихревой закрутки кислорода, камеру вихревой закрутки водорода, отличающийся тем, что кислород из камеры вихревой закрутки кислорода поступает в камеру сгорания по коническому каналу, который соединяет камеру вихревой закрутки кислорода и камеру сгорания, а водород из камеры вихревой закрутки водорода поступает в камеру сгорания по своему коническому каналу, который соединяет камеру вихревой закрутки водорода и камеру сгорания, а при вхождении потока кислорода и потока водорода в камеру сгорания происходит смешивание кислорода и водорода с образованием горючей смеси, которая, двигаясь по спирали, заполняет камеру сгорания, образуя при этом воронку, ось симметрии воронки совпадает с осью симметрии камеры сгорания, а в днище камеры сгорания выполнена запальная камера, в которой создаются условия для возникновения детонационной волны при воспламенении горючей смеси от запальной свечи, при этом происходит подъем температуры и давления продуктов сгорания, далее происходит расширение продуктов сгорания, а воронка, образовавшаяся при заполнении камеры сгорания, обеспечивает образование кумулятивной струи.