Прямоточный воздушно-реактивный двигатель на твёрдом топливе и способ регулирования тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твёрдом топливе Российский патент 2023 года по МПК F02K7/10 

Изобретение относится к авиационно-ракетной технике и может быть использовано при проектировании прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе.

Прямоточные воздушно-реактивные двигатели являются перспективным направлением развития движителей летательных аппаратов в связи с увеличением их энерго-баллистической эффективности за счет возможности уменьшения количества окислителя в топливе и замены его забортным воздухом.

Известны прямоточные воздушно-реактивные двигатели на твердом топливе (например, патенты РФ №2342552 и №2660057), реализующие в основном сложные способы подачи топлива. Типичный ПВРД на твердом горючем по патенту РФ №2565131 содержит воздухозаборное устройство, газогенератор, выполненный в отдельном корпусе с зарядом твердого горючего, камеру дожигания, снабженную на ее входе пилонами и форсунками для подачи в нее посредством газоходов продуктов разложения горючего из газогенератора, и сопло. Функционирование двигателя включает неполное торможение воздушного потока в воздухозаборном устройстве, газификацию твердого горючего в газогенераторе, разложение продуктов газификации в охлаждающем тракте, смешение воздуха и продуктов разложения, воспламенение и сжигание смеси в камере дожигания, расширение продуктов сгорания в сопле. Недостатком данного изобретения является низкое весовое совершенство двигателя за счет применения газогенераторной схемы, входного и выходного газоходов, а также топливных пилонов с форсунками в системе подачи горючего в камеру сгорания. Кроме того, регулирование расхода горючего и тяги осуществляется только за счет программного изменения поверхности горения заряда.

В патенте РФ №2627310 используется газогенератор открытого типа, выполненный в виде барабана со сквозными продольными каналами, в которых размещены с возможностью перемещения в камеру сгорания заряды твердого топлива. Такая конструкция позволяет регулировать расход и воздействовать воздухом непосредственно на заряд. Недостатком данной конструкции является невысокая надежность из-за сложности подачи топлива в камеру сгорания.

ПВРД на твердом топливе работающие по «открытой» схеме, когда горение топлива происходит за счет обдува его набегающим потоком воздуха, позволяют исключить автономный газогенератор и уменьшить пассивную массу двигателя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению являются двигатель и способ функционирования двигателя по патенту РФ №2744667. Данные устройство и способ приняты авторами за прототип.

В данном изобретении ПВРД на твердом топливе содержит воздухозаборное устройство, корпус с зарядом твердого топлива, камеру сгорания, камеру дожигания и сверхзвуковое сопло. Воздухозаборное устройство непосредственно сопряжено с зарядом, установленным с гарантированным зазором в корпусе, и свободным объемом у заднего дна. Заряд выполнен секционным и опирается на верхнюю границу камер сгорания и дожигания, а каждая секция выполнена бронированной по торцевым и наружным поверхностям. Ближайшая к воздухозаборному устройству секция сопряжена с камерой сгорания посредством эрозионностойких ребер жесткости. Длина каждой секции равна длине камеры сгорания. Камера сгорания сопряжена с камерой дожигания и соплом. Обращенные к воздухозаборному устройству торцевые бронировки секций заряда выполнены в виде г-образных манжет. Между верхней границей камеры дожигания и секциями заряда установлены компенсационные клинья.

При такой конструкции ПВРДТТ воздух из воздухозаборного устройства поступает в свободный объем у заднего дна через гарантированный зазор между корпусом и зарядом, а ближайшая к воздухозаборному устройству секция заряда прижимается к эрозионностойким опорным ребрам жесткости за счет перепада давления воздуха с наружной части заряда и продуктов сгорания заряда со стороны камеры сгорания. Это обеспечивает непосредственное сопряжение воздуха из воздухозаборного устройства с поверхностью обдува заряда.

Способ функционирования прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твердом топливе заключается в том, что на вход камеры сгорания подают воздух из воздухозаборного устройства и продукты разложения твердого топлива, в камере сгорания формируют смесь воздуха и продуктов разложения топлива, смесь подают в камеру дожигания, а затем направляют в сопло и создают реактивную тягу. При этом обеспечивается стабильность (постоянство) тяги за счет постоянства скорости обтекания воздухом поверхности горения заряда. Недостатком данного изобретения является отсутствие возможности регулирования величины тяги.

Задача изобретения заключается в том, чтобы обеспечить стабильность выполнения зависимости потребной тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твердом топливе за счет управления процессом горения.

Поставленная задача решается тем, что в ПВРДТТ, содержащем воздухозаборник, корпус с зарядом твердого топлива, камеру сгорания, камеру дожигания и сверхзвуковое сопло, камера сгорания сформирована конгруэнтными между собой поверхностью горения заряда и поверхностью дополнительно установленной телескопической иглы с нормированным между поверхностью подвижной части иглы и поверхностью горения заряда зазором, а для выполнения необходимого нормированного зазора игла снабжена механизмом регулирования и обратной связью по тяге с внешней системой управления процессом. Стабилизация выполнения зависимости потребной тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твердом топливе обеспечивается выполнением системой управления и механизмом регулирования необходимого зазора соответствующего потребной тяге.

Настоящее изобретение поясняется фиг 1 и 2:

Фиг. 1 - продольный разрез изделия,

Фиг. 2 - продольный разрез изделия в конце работы.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель на твердом топливе содержит воздухозаборное устройство 1, корпус 2 с зарядом 3, камеру сгорания 4, кольцевую камеру дожигания 5, телескопическую иглу 6 с механизмом регулирования 7 и сопло 8. Камера сгорания 4 сформирована конгруэнтными друг другу поверхностью горения 9 заряда 3 и поверхностью 10 подвижной части 12 иглы 6 с нормированным зазором 11. Механизм регулирования обратной связью соединен с внешней системой управления (условно не показана). Для сопряжения камеры дожигания с соплом сопло выполнено кольцевым с центральным телом.

Способ регулирования тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твердом топливе осуществляется следующим образом. Воздух из воздухозаборного устройства 1 поступает в камеру сгорания 4 и обдувает поверхность горения 9 заряда 3. При этом продукты разложения в смеси с воздухом поступают в кольцевую камеру дожигания 5 и догорают к моменту входа в сопло 8. С целью нормирования зазора 11 между поверхностями 9 и 10 производят с помощью механизма регулирования 7 перемещение подвижной части 12 иглы 6 в направлении поверхности горения 9 на основании полученных при отработке изделия зависимостей расхода (тяги) от величины зазора между поверхностями 9 и 10. Нормирование зазора 11 позволяет обеспечить необходимые для выполнения потребных расхода продуктов сгорания и тяги двигателя скорость потока на входе в камеру дожигания, скорость обтекания воздухом поверхности горения заряда и скорость разложения твердого топлива, для чего подвижную часть регулирующей иглы перемещают в направлении к поверхности горения заряда посредством механизма перемещения, связанного обратной связью с внешней системой управления процессом. Тем самым устанавливают необходимый нормированный зазор между иглой и зарядом, выбираемый системой управления процессом.

Такое исполнение двигателя обеспечивает стабилизацию выполнения зависимости потребной тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твердом топливе в соответствии с командами внешней системы управления летательного аппарата.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель на твердом топливе содержит воздухозаборник, корпус с зарядом твердого топлива, камеру сгорания, камеру дожигания и сверхзвуковое сопло. Воздухозаборное устройство непосредственно сопряжено с зарядом. Камера сгорания сопряжена с камерой дожигания и соплом. Камера сгорания сформирована конгруэнтными друг другу поверхностью горения заряда и поверхностью подвижной части телескопической иглы, камера дожигания выполнена кольцевой относительно поверхности иглы. Для выполнения необходимого нормированного зазора игла снабжена механизмом регулирования и обратной связью с внешней системой управления. Для обеспечения сопряжения камеры дожигания с соплом оно выполнено кольцевым с центральным телом. Способ регулирования тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твердом топливе заключается в том, что воздух из воздухозаборного устройства подают непосредственно на поверхность заряда в корпусе со стороны камеры сгорания и разлагают поверхностный слой топлива. Смесь продуктов разложения и воздуха подают в камеру дожигания, а затем направляют в сопло и создают реактивную тягу. С целью нормирования зазора между сопряженными между собой поверхностью горения заряда и поверхностью иглы производят с помощью механизма регулирования перемещение подвижной части иглы в направлении поверхности горения и варьируют в соответствии с потребными расходом продуктов разложения топлива и тягой двигателя скорость потока на входе в камеру дожигания, скорость обтекания воздухом поверхности горения заряда и скорость разложения твердого топлива. Такие исполнение двигателя и способ регулирования потребной тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твердом топливе позволяют стабильно выполнить потребную тягу прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твердом топливе в соответствии с командами внешней системы управления летательного аппарата. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель на твердом топливе, содержащий воздухозаборное устройство непосредственно сопряженное с камерой сгорания, корпус с зарядом твердого топлива, камеру дожигания и сверхзвуковое сопло, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена в виде конгруэнтной поверхности горения заряда стенки с возможностью ее продольного перемещения, что обеспечивается дополнительно установленной телескопической иглой с механизмом регулирования зазора между поверхностью подвижной части иглы и поверхностью горения заряда, при этом механизм регулирования снабжен обратной связью с внешней системой управления процессом, камера дожигания выполнена кольцевой относительно поверхности иглы и связана с кольцевым соплом с центральным телом.

2. Способ регулирования тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя на твердом топливе, заключающийся в том, что воздух из воздухозаборного устройства направляют непосредственно на поверхность заряда в корпусе со стороны камеры сгорания, воздействуют им на твердое топливо, разлагают его поверхностный слой, продукты разложения смешивают с воздухом и подают в камеру дожигания, а затем в сопло, и создают реактивную тягу, отличающийся тем, что скорость обтекания воздухом поверхности горения заряда, скорость разложения твердого топлива и скорость течения на входе в камеру дожигания варьируют в соответствии с потребными расходом продуктов разложения топлива и тягой двигателя, для чего конгруэнтную поверхности горения заряда поверхность камеры сгорания перемещают в направлении поверхности горения с установлением необходимого нормированного зазора между поверхностями, выбираемого системой управления процессом.