Жидкостный реактивный двигатель Российский патент 2021 года по МПК F02K9/62 F02K99/00 

Предлагаемое изобретение относится к ракетным двигателям, которые могут быть применены в ракетах или самолетах, использующих преобразование взрывного удельного импульса сгорающего топлива в реактивную силу для полета ракеты с заданной скоростью.

Известны ракетные двигатели, использующие жидкое ракетное топливо, состоящее из двух компонентов: окислителя и горючего - жидкий кислород и высококипящее горючее - этиловый спирт, которые находятся в ракете в жидком состоянии в разных баках. См. «Военное обозрение. Вооружение. Энергетика ракетных топлив. 4 октября 2019 г.». Смешивание кислорода и спирта происходит в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя, обычно с помощью форсунок. Давление компонентов топлива создается за счет работы турбонасосной или вытеснительной системы, в работе которых также могут участвовать компоненты топливной пары. Кроме того, компоненты топлива используются для охлаждения сопла жидкостного ракетного двигателя.

К недостаткам известных ракетных двигателей можно отнести недостаточную эффективность их использования.

Известно, что наивысший удельный импульс, получаемый от сгорания в двигателе ракеты ракетного топлива, у пары кислород + водород, который составляет - 4,4 км/с. См. «Военное обозрение. Вооружение. Энергетика ракетных топлив. 4 октября 2019 г.» Однако использование этого топлива ограничено большими габаритными размерами и низким удельным весом газообразных составляющих топлива - кислорода и водорода. На четверть ниже удельный импульс у пары кислород + керосин - 3,4 км/с. Удельный импульс пары нитроцеллюлоза + нитроглицерин - 2,5 км/с.

Из приведенных данных видно, что наиболее предпочтительными продуктами сгорания являются молекулы воды.

Известен ряд попыток использования воды в качестве топлива для получения импульсного вида энергии.

Известен так называемый «Эффект Юткина», (см. кн. Л.А. Юткин «Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности» Л.: «Машиностроение». Ленинградское отделение, 1986 г.) при использовании которого, при подаче высоковольтного электрического разряда в воду возникает электрогидравлический удар. Эффект Юткина используется во многих отраслях промышленности, при очистке литья см. стр. 109-113, рис. 41, 43, 44, 45, при очистке проката см. стр. 114, рис. 46, при штамповке в машиностроении см. стр. 122, рис. 49, электрогидравлические молоты см. стр. 134. рис. 417, 418, электрогидравлические движители для плавающих транспортных средств, см. стр. 157, рис. 440, при взрывных работах см. стр. 161, рис. 5 1. и др.

Известен опыт, проводимый любителями физических явлений, с использованием электрогидравлического удара «См. видео youtude.com от 19 июня 2009 года «Опыты с Электрогидроударом» часть 4. Эффект Юткина». В указанном опыте высоковольтные электроды опускали в воду налитую в жестяную банку и подавали высоковольтный разряд. В результате разряда в воде происходил электрогидравлический удар, при котором часть воды из банки выплескивалась. Продолжая, без какой либо системы, подавать на электроды высоковольтное питание, каждый раз происходил разряд в воде. Но в конце опыта подача высоковольтного разряда была подана после многократных разрядов в момент, когда электроды не были опущены в воду и находились еще в воздухе. Произошел микровзрыв в воздухе, напугавший исследователей.

Электрогидравлический удар произошел вследствие взрыва гремучего газа (смеси кислорода с водородом) образовавшегося при подаче разряда между электродами. Произошедший взрыв говорит о том, что при подаче высоковольтного электрического разряда в водную или в воздушную среду насыщенную парами (дисперсными частицами воды) происходит мгновенное разложение воды на смесь кислорода и водорода (гремучая смесь) которая моментально от этого же разряда взрывается.

Доказательством того, что в парах (мелкодисперсных частицах воды) могут произойти взрывы, говорит и факт происхождения грома во время разряда молнии в насыщенном влагой облаке во время грозы. Частицы воды в таких облаках находятся преимущественно в жидком состоянии. При снежной грозе (в зимних условиях), при возникновении электрического разряда - молнии, закристаллизовавшиеся частицы воды мгновенно растапливаются, разлагаются на водород и кислород, воспламеняются и тоже происходит взрыв. При этом в облаке (грозовой туче) создается обширный электрический разряд, который создает такое количество гремучей смеси, что от взрыва произошедшего на расстоянии в несколько километров сотрясаются в домах стекла.

В 1880 году Динес (Dines), наблюдая водяные шарики, из которых состоят туманы в Англии, пришел к заключению, что наблюдаемые им частицы тумана суть настоящие капельки воды, размеры которых колеблются от 0,016 до 0,127 мм. Позднее подобные же наблюдения были сделаны Ассманом на вершине Брокена, которая - особенно в холодное время года - находится в области наиболее энергичного образования облаков различных форм, образующихся то несколько выше, то немного ниже, то как раз на ее высоте. Ассман убедился, что все наблюдаемые им формы облаков, содержащих жидкую воду, состоят из настоящих капелек, размеры которых меняются между 0,006 мм (в верхних частях облаков) и 0,035 мм (в нижних его частях). См. Википедия. «Размеры капелек воды в грозовой туче».

В целях снижения расхода топлива, улучшения качества выхлопных газов, улучшения характеристик высокофорсированных двигателей снижения детонации и др. разработчики двигателей внутреннего сгорания, исследователи и разработчики двигателей в топливо добавляли воду, например, водные растворы спирта, которые отличаются устойчивостью к низким температурам, лучшим рассеиванием. Идея впрыска воды внутрь работающего двигателя появилась более ста лет назад. В начале 20 века английский профессор Хопкинсон успешно использовал экспериментальную систему впрыска воды для улучшения характеристик промышленных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Работы впрыска смеси воды и метанола в систему питания двигателей для повышения детонационной стойкости мотора с турбиной Oldsmobile F-85 Jetfire использовала компания General Motors. Немного раньше автомобильный производитель из Швеции выпустил автомобиль Saab 99 Turbo S, который оснащался впрыском воды. С 1983 года команды Формулы-1 Renault, Ferrari стали использовать данную технологию для повышения мощности своих машин. Однако надежных двигателей, использующих воду в качестве топлива, так и не было создано.

Исходя из перечисленных двигателей, использующих либо впрыскивание мелкодисперсно распыленной воды и смешивание ее с топливом, либо известные ракетные двигатели, использующие жидкое ракетное топливо, состоящее из двух компонентов - окислителя - кислорода и высококипящее горючее - этиловый спирт, которые находятся в ракете в жидком состоянии в разных баках (См. «Военное обозрение. Вооружение. Энергетика ракетных топлив. 4 октября 2019 г») можно выбрать в качестве прототипа наиболее близкий аналог - ракетный двигатель.

К недостаткам известного ракетного двигателя-прототипа можно отнести сложность конструкции, наличие емкостей для окислителя и горючего, большой расход топлива и окислителей, ограниченные возможности в увеличении мощности и создании требуемой тяги двигателя.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности, упрощение конструкции двигателя, повышение эффективности тяги двигателя и использование воды и ее растворов в качестве топлива.

Поставленный технический результат достигается сочетанием использования общих с прототипом известных признаков, таких как жидкостной реактивный двигатель, включающий камеру сгорания с соплом, систему питания двигателя электроэнергией и систему подачи топлива и новых признаков, заключающихся в том, что передняя часть внутренней полости камеры сгорания выполнена конусообразной, а часть камеры, связанная с соплом, выполнена в виде полуовала, система питания двигателя электроэнергией выполнена в виде смонтированных в полости камеры сгорания, по меньшей мере, одной пары высоковольтных электродов-разрядников, установленных на одном поперечном сечении камеры и связанных с преобразователем электрической энергии в высоковольтную и со средством подачи разряда между электродами-разрядниками, система подачи топлива выполнена в виде смонтированных на боковых сторонах камеры сгорания, по меньшей мере, одного средства дисперсного распыления в камеру сгорания топлива - очищенной от твердых примесей воды и/или водных растворов.

Преобразователь электрической энергии выполнен в виде электрически связанных трансформатора, умножителя, конденсаторов, транзисторов с созданием разрядного напряжения в 5000-1500000 вольт.

Средство подачи разряда между электродами-разрядниками выполнено в виде бесконтактного электронного зажигания, включающего аккумулятор, генератор, катушку зажигания, коммутатор и трамблер.

Соотношение площадей в каждой паре положительного и отрицательного электродов выполнено в диапазоне от 1,0 к 1,0 до 1,0 к 1000,0.

Средство дисперсного распыления водного раствора выполнено в виде форсунки.

В качестве воды и водных растворов для распыления в камере сгорания для получения топлива используют антифриз или спиртовые, сахарные, гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные растворы, а также растворы содержащие калий, магний, натрий в которых вода является растворителем.

Новизной предложенного двигателя является выполнение передней части внутренней полости камеры сгорания конусообразной, а части камеры, связанной с соплом, - в виде полуовала, система питания двигателя электроэнергией выполнена в виде смонтированных в полости камеры сгорания, по меньшей мере, одной пары высоковольтных электродов-разрядников, установленных на одном поперечном сечении камеры и связанных с преобразователем электрической энергии в высоковольтную и со средством подачи разряда между электродами-разрядниками, система подачи топлива выполнена в виде смонтированных на боковых сторонах камеры сгорания, по меньшей мере, одного средства дисперсного распыления в камеру сгорания топлива - очищенной от твердых примесей воды и/или водных растворов.

Так, выполнение передней части внутренней полости камеры сгорания конусообразной, а части камеры, связанной с соплом, - в виде полуовала позволяет при помощи конусообразной части сконцентрировать импульс от возгорания топлива в конкретном требуемом направлении и сосредоточить его для получения большей эффективности на заданной площади выходного из камеры сгорания отверстия, а выполнение второй части в виде полуовала позволяет более эффективно распределить импульс по длине и ширине камеры сгорания и сопла.

Выполнение системы питания двигателя электроэнергией в виде смонтированных в полости камеры сгорания, по меньшей мере, одной пары высоковольтных электродов-разрядников, установленных на одном поперечном сечении камеры и связанных с преобразователем электрической энергии в высоковольтную и со средством подачи разряда между электродами-разрядниками, позволяет наиболее эффективно заполнить искровым разрядом всю полость камеры сгорания и осуществить более полное разложение на кислород и водород поступивших и находящихся в объеме камеры сгорания мелкодисперсных капелек воды и произвести их возгорание.

Выполнение системы подачи топлива в виде смонтированных на боковых сторонах камеры сгорания, по меньшей мере, одного средства дисперсного распыления в камеру сгорания топлива - очищенной от твердых примесей воды и/или водных растворов обеспечивает подачу необходимого количества дисперсно распыленной воды и требуемую плотность заполнения камеры сгорания мелкодисперсно распыленной водой или ее растворами, обеспечивает при разложении воды создание плотного облака газовой смеси кислорода и водорода вокруг электродов-разрядников и полноценное воспламенение смеси для получения требуемой тяги двигателя.

Использование в качестве топлива очищенные от твердых примесей воду и/или водные растворы позволяет использовать практически самое распространенное и недорогое топливо и одновременно получить мощный, рассчитываемый по величине, взрыв гремучего газа (смесь кислорода с водородом) для его преобразования в полезную работу двигателя. К тому же использование воды в качестве топлива предоставляет хорошие перспективы для ее использования в этом качестве.

Признаки выполнения преобразователя электрической энергии в виде электрически связанных трансформатора, умножителя, конденсаторов, транзисторов с созданием разрядного напряжения в 5000-1500000 вольт, выполнение средства подачи разряда между электродами-разрядниками в виде бесконтактного электронного зажигания, включающего аккумулятор, генератор, катушку зажигания, коммутатор и трамблер, выполнение соотношения площадей в каждой паре положительного и отрицательного электродов в диапазоне от 1,0 к 1,0 до 1,0 к 1000,0, выполнение средства дисперсного распыления водного раствора в виде форсунки, а также использование в качестве воды и водных растворов для распыления в камере сгорания для получения топлива антифриза или спиртовых, сахарных, гидрокарбонатных, сульфатных, хлоридных растворов, а также растворов содержащих калий, магний, натрий в которых вода является растворителем - являются признаками дополнительными, раскрывающими более подробное выполнение основных признаков и способствуют достижению поставленного предполагаемым изобретением технического результата.

Так, выполнение преобразователя электрической энергии в виде электрически связанных трансформатора, умножителя, конденсаторов, транзисторов с созданием разрядного напряжения в 5000-1500000 вольт способствует управляемости мощностью двигателя путем изменения величины напряжения.

Подача разряда между электродами-разрядниками способствует формированию плотного искрового разряда и способствует плавному изменению мощности и оборотов двигателя при изменении частоты разряда как и в обычных двигателях внутреннего сгорания.

Патентно-информационный поиск, проведенный в процессе подготовки материалов, сочетания предложенных известных и новых признаков предполагаемого изобретения в патентной и научно-технической литературе - не выявил, что позволяет отнести признаки к обладающим новизной.

Поскольку предложенное сочетание признаков не известно из существующего уровня техники и позволяет получить более высокий технический результат, то предлагаемые существенные признаки можно признать соответствующими критерию - изобретательский уровень.

Описание осуществления предлагаемого устройства и проведенные опытные работы позволяют отнести предложенное устройство к промышленно выполнимым.

На фиг. 1 схематично представлен продольный разрез предлагаемого жидкостного реактивного двигателя.

На фиг. 2 схематично представлен вид на камеру по стрелке «N» со стороны сопла с вариантами расположения электродов-разрядников на разных поперечных сечениях камеры сгорания.

На фиг. 3 на продольном сечении камеры сгорания схематично изображена одна сторона камеры с вариантами расположения электродов-разрядников на разных поперечных сечениях камеры сгорания.

Жидкостный реактивный двигатель состоит из корпуса 1, камеры сгорания, полость которой образована, по меньшей мере, двумя частями - одна часть конусообразная 2, другая овальная 3 и сопла 4. В полости камеры сгорания смонтированы входящие в систему питания двигателя электроэнергией, по меньшей мере, одна пара отрицательный 5 и положительный 6 электродов-разрядников, смонтированных попарно на каждом поперечном сечении камеры (сечения А-А, В-В, С-С и D-D на фиг.3). На фиг. 2 и 3 пары электродов-разрядников на разных сечениях камеры показаны позициями как 5а и 6а, 5в и 6в, 5с и 6с, 5d и 6d. Электроды-разрядники связаны с аккумулятором 7, преобразователем 8 электрической энергии в высоковольтную и со средством 9 подачи разряда на электроды-разрядники. На боковых сторонах камеры сгорания установлены форсунки 10 подачи распыленной мелкодисперсной воды или ее растворов. Для получения обширного разряда с заданной длиной и мощностью искры отрицательный электрод 5 по размерам (по площади и длине) выполнен больше положительного электрода 6 с соотношением площадей от 1,0 к 1,0 до 1,0 к 1000,0.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом:

При помощи форсунок 10 в камеру сгорания впрыскивается очищенная от твердых примесей вода или ее растворы в виде мелкодисперсной составляющей, а на электроды 5 и 6 с частотой до 400 герц (как у автомашин), обеспечивающей, например, вращение двигателя в 1000-24000 оборотов в минуту, подается высоковольтное напряжение. Подача искры у шокеров также осуществляется с частотой до 400 герц. Между электродами-разрядниками 5 и 6 происходит разряд и находящаяся между электродами мелкодисперсная вода мгновенно разлагается на водород и кислород, образуя так называемую «гремучую смесь», которая от этого же разряда взрывоподобно возгорается, образуя ударную волну и создавая импульс и реактивную тягу. При этом более полное воспламенение образовавшейся газовой смеси в камере сгорания может осуществляться при нескольких разрядах на электродах-разрядниках. Изменением частоты впрыскивания воды в камеру 2 сгорания (от периодического до постоянного) и частоты разряда до 400 герц при помощи выполненного в виде бесконтактного электронного зажигания средства, а также изменением величины высоковольтного разряда и длины искрового разряда можно повышать или понижать мощность двигателя.

Выполнение преобразователя электрической энергии в виде электрически связанных трансформатора, умножителя, конденсаторов, транзисторов с созданием разрядного тока в 5000-1500000 вольт способствует подбору необходимого разрядного тока для создания между электродами разряда требуемой мощности удельного импульса (ударной волны), получаемого от сгорания полученного предложенным способом полученного газообразного топлива.

Наличие средства подачи разряда между парами электродов-разрядников с частотой до 400 герц в виде бесконтактного электронного зажигания позволяет регулировать при необходимости частоту разряда, распределять образование разрядов по сечениям камеры сгорания и способствовать повышению мощности двигателя.

Использованием в качестве водного раствора для распыления в камере сгорания антифриза, а также спиртовых, сахарных, гидрокарбонатных, сульфатных, хлоридных растворов, а также растворов, содержащих калий, магний, натрий и др., в которых вода является растворителем, можно влиять на качество искрообразования, получая жесткую и более мягкую реактивную тягу.

Использование двигателя предлагаемой конструкции позволит устранить недостатки известных турбореактивных и ракетных двигателей, связанных со сложностью конструкции, исключить емкости для окислителя и ряда оборудования для нагнетания и сжатия воздуха, снизить расход топлива и перейти на другой широкодоступный вид топлива - воду, получить хорошие возможности в увеличении мощности и создании требуемой тяги двигателя.

Использование предлагаемого двигателя позволит изготавливать экологически чистые двигатели, существенно поднять технический уровень двигателестроения, создать многочисленные варианты двигателей для использования в быту и в оборонной промышленности с использованием доступного для каждого человека вида топлива - воды.

Изобретение относится к ракетным двигателям. Жидкостный реактивный двигатель, включающий камеру сгорания с соплом, систему питания двигателя электроэнергией и систему подачи топлива, согласно изобретению, по меньшей мере, одна часть внутренней полости камеры сгорания выполнена конусообразной, а другая часть - в виде цилиндра и/или полуовала, система питания двигателя электроэнергией выполнена в виде смонтированной в полости камеры сгорания, по меньшей мере, одной пары высоковольтных электродов-разрядников, каждая из которых установлена, по меньшей мере, на одном поперечном сечении камеры на расстоянии искрового разряда, связанные с преобразователем электрической энергии в высоковольтную и со средством подачи разряда между электродами-разрядниками, система подачи топлива выполнена в виде смонтированных на боковых сторонах камеры сгорания, по меньшей мере, одного средства дисперсного распыления в камеру сгорания топлива - очищенной от твердых примесей воды и/или водных растворов. Преобразователь электрической энергии выполнен в виде электрически связанных трансформатора, умножителя, конденсаторов, транзисторов с созданием разрядного напряжения в 5000-1500000 вольт. Средство подачи разряда между электродами-разрядниками выполнено в виде бесконтактного электронного зажигания, включающего аккумулятор, генератор, катушку зажигания, коммутатор и трамблер. Соотношение площадей в каждой паре положительного и отрицательного электродов выполнено равным как 1,0 к 0,1-1000,0. Средство дисперсного распыления водного раствора выполнено в виде форсунки. В качестве воды и водных растворов для распыления в камере сгорания для получения топлива используют антифриз и другие растворы, например, спиртовые, сахарные, гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные, содержащие калий, магний, натрий, в которых вода является растворителем. Изобретение обеспечивает повышение тяги двигателя, использование воды и ее растворов в качестве топлива. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Жидкостный реактивный двигатель, включающий камеру сгорания с соплом, систему питания двигателя электроэнергией и систему подачи топлива, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна часть внутренней полости камеры сгорания выполнена конусообразной, а другая часть - в виде цилиндра и/или полуовала, система питания двигателя электроэнергией выполнена в виде смонтированной в полости камеры сгорания, по меньшей мере, одной пары высоковольтных электродов-разрядников, каждая из которых установлена, по меньшей мере, на одном поперечном сечении камеры на расстоянии искрового разряда, связанные с преобразователем электрической энергии в высоковольтную и со средством подачи разряда между электродами-разрядниками, система подачи топлива выполнена в виде смонтированных на боковых сторонах камеры сгорания, по меньшей мере, одного средства дисперсного распыления в камеру сгорания топлива - очищенной от твердых примесей воды и/или водных растворов.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что преобразователь электрической энергии выполнен в виде электрически связанных трансформатора, умножителя, конденсаторов, транзисторов с созданием разрядного напряжения в 5000-1500000 вольт.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что средство подачи разряда между электродами-разрядниками выполнено в виде бесконтактного электронного зажигания, включающего аккумулятор, генератор, катушку зажигания, коммутатор и трамблер.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что соотношение площадей в каждой паре положительного и отрицательного электродов выполнено равным как 1,0 к 0,1-1000,0.

5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что средство дисперсного распыления водного раствора выполнено в виде форсунки.

6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве воды и водных растворов для распыления в камере сгорания для получения топлива используют антифриз и другие растворы, например, спиртовые, сахарные, гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные, содержащие калий, магний, натрий, в которых вода является растворителем.