Прямоточный воздушно-реактивный двигатель с газогенератором открытого типа и регулируемым расходом твердого топлива

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в гиперзвуковых крылатых ракетах с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД), предназначенных для полетов на больших высотах. В частности, изобретение относится к прямоточному воздушно-реактивному двигателю с газогенератором открытого типа и регулируемым расходом твердого топлива (ТТ).

В настоящее время интенсивно ведутся исследования и разработка ПВРД на высококалорийных твердых топливах. Совершенствованием существующих ПВРД является применение систем регулирования расхода продуктов сгорания твердого топлива, что позволяет оптимизировать расход твердого топлива в соответствии с траекторией полета летательного аппарата.

Известен прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий воздухозаборник, систему подачи твердого топлива в камеру сгорания, содержащую привод для выдавливания топлива в камеру сгорания, газогенератор с порошкообразным твердым топливом в виде полого цилиндра, камеру сгорания и установленный на выходе из камеры сгорания профилированный сопловой насадок (Интегральные прямоточные воздушно-реактивные двигатели на твердых топливах (Основы теории и расчета) / Александров В.Н., Быцкевич В.М., Верхоломов В.К. и др. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. - 343 с. - прототип). К недостаткам схемы прототипа можно отнести следующее: в условиях длительного хранения во внутренней полости газогенератора происходит когезия (сцепление) частиц порошка твердого топлива, что влечет за собой образование неоднородной по размерам частиц структуры. Такая структура не позволяет осуществить равномерную подачу топлива. Крупные сцепившиеся частицы не успевают полностью сгореть, что приводит к снижению полноты сгорания и, как следствие, снижению удельного импульса двигателя. Рассмотренная схема не позволяет организовать эффективное регулирование расхода продуктов сгорания твердого топлива в воздушном потоке из-за несовершенства конструкции газогенератора и системы подачи твердого топлива в камеру сгорания.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение удельного импульса ПВРД на твердом топливе.

Технический результат изобретения состоит в увеличении полноты сгорания твердого топлива в воздушном потоке.

Для решения этой задачи и достижения технического результата предлагается прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий воздухозаборник, систему подачи твердого топлива в камеру сгорания, газогенератор, камеру сгорания и установленный на выходе из камеры сгорания профилированный сопловой насадок. При этом газогенератор выполнен в виде барабана со сквозными продольными каналами, в которых размещены с возможностью перемещения в камеру сгорания заряды твердого топлива. Барабан соединен с кольцевой перфорированной решеткой, отверстия которой направляют воздушный поток на поверхность зарядов твердого топлива.

Система подачи твердого топлива в камеру сгорания содержит автономные блоки, каждый из которых предназначен для перемещения одного заряда в камеру сгорания. Каждый автономный блок включает поршень, кинематически связанный с задним торцом заряда твердого топлива, и устройство, создающее продольно-вращательное перемещение поршня с зарядом.

Устройство, создающее продольно-вращательное перемещение поршня с зарядом, может представлять собой пневматический или гидравлический привод.

Сквозные продольные каналы имеют цилиндрическую форму.

Оси отверстий перфорированной решетки могут быть наклонены под углом 30÷90 градусов к продольной оси двигателя.

Воздухозаборник выполняется осесимметричным или боковым.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой конструкции ПВРД.

На фиг. 2 представлено сечение газогенератора.

На фиг. 3 показано рабочее положение заряда, когда один заряд находится в процессе движения.

На фиг. 4 показано рабочее положение заряда, когда один заряд полностью выдвинут.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель содержит воздухозаборник 1, систему подачи 2 твердого топлива 3 в камеру сгорания 4, газогенератор 5, камеру сгорания 4 и установленный на выходе из камеры сгорания профилированный сопловой насадок 6. При этом газогенератор 5 выполнен в виде неподвижного барабана со сквозными продольными каналами, в которых размещены с возможностью перемещения в камеру сгорания 4 заряды твердого топлива 3. Барабан изготавливают путем выполнения сквозных продольных каналов в цельной цилиндрической заготовке из металла или композиционного материала. На внутреннюю поверхность каналов нанесено теплозащитное покрытие 7. Барабан соединен с кольцевой перфорированной решеткой 8, отверстия которой направляют воздушный поток из воздухозаборника на поверхность зарядов твердого топлива 3.

Заряды твердого топлива 3 располагаются в продольных цилиндрических каналах барабана. Размеры и количество каналов газогенератора непосредственно связаны с режимом регулирования и коэффициентом заполнения поперечного сечения газогенератора ε_ƒ. Для каналов одинакового диаметра коэффициент заполнения поперечного сечения газогенератора определяется по формуле:

, где

n - количество каналов, d_k - диаметр канала, d_г - диаметр газогенератора.

При этом стараются достигнуть максимального значения ε_ƒ.

Система подачи 2 твердого топлива в камеру сгорания 4 содержит автономные блоки 10, каждый из которых предназначен для перемещения каждого заряда в камеру сгорания. Каждый автономный блок 10 включает поршень 11, который кинематически связан с задним торцом заряда твердого топлива 3, и устройство 12, создающее продольно-вращательное перемещение поршня с зарядом, в виде пневматического или гидравлического привода. Система подачи 2 твердого топлива в камеру сгорания 4 параллельно перемещает по продольным каналам барабана заряды ТТ в камеру сгорания 4, обеспечивая при этом регулирование расхода продуктов сгорания твердого топлива. Для более глубокого регулирования расхода и необходимого закона изменения расхода заряды могут иметь различную длину и площадь поперечного сечения. Воздушный поток, движущийся в кольцевом канале воздухозаборника, попадает в камеру сгорания через отверстия кольцевой перфорированной решетки. Решетка выполняет функции стабилизации (выравнивания) скоростного поля воздушного потока, идущего из воздухозаборника. Она разделяет поток на воздушные струи и направляет его под заданным углом (30÷90 градусов к продольной оси двигателя) на поверхность зарядов твердого топлива, выступающую из барабана в камеру сгорания. Струи, ударяясь друг о друга и соприкасаясь с торцевой и боковой поверхностями зарядов твердого топлива, образуют зоны обратных токов, в которых происходят интенсивные тепломассообмен и процесс горения, обеспечивая повышение полноты сгорания твердого топлива в воздухе.

В двигателе используется твердотопливный газогенератор открытого типа, то есть отсутствует устройство, создающее критический перепад давлений между зоной воспламенения и горения ТТ и камерой сгорания.

Предлагаемый ПВРД работает следующим образом.

Атмосферный воздух затекает в воздухозаборник 1, сжимается в нем и через отверстия в кольцевой перфорированной решетке 8 подается в зону воспламенения и горения твердого топлива 3.

В результате взаимодействия открытых поверхностей зарядов твердого топлива и воздушных струй происходит горение и образуются продукты сгорания. Соотношение компонентов в образовавшейся смеси продуктов сгорания регулируется с помощью системы подачи 2 твердого топлива 3 в камеру сгорания 4. Продукты сгорания догорают в камере сгорания 4 и истекают из профилированного сопла 6, создавая тягу.

Изобретение позволяет повысить удельный импульс за счет повышения полноты сгорания твердого топлива в воздушном потоке путем регулирования расхода твердого топлива и интенсификации процесса смешения и горения.