Детонаційний ракетний двигун твердого палива

Реферат: Запропоновано детонаційний ракетний двигун твердого палива, що містить камеру згоряння і розміщений в ній заряд детонаційного твердого палива, до складу якого входить вибухова речовина у вигляді прошарків детонаційного шнура, розділених між собою демпферуючими прокладками, які газифікуються при проходженні по шнуру детонаційної хвилі, надзвукове сопло, що з'єднано з камерою згоряння, та детонатор, розташований на одному з кінців шнура і з'єднаний з системою керування запуском двигуна. Камеру згоряння виготовлено кільцевою, тороїдальної форми, з циліндричними боковими стінками і з'єднано з профільованим конусоподібним центральним тілом, при цьому, на зовнішній циліндричній боковій стінці тороїдальної камери згоряння в нижній її частині виготовлено профільовану обичайку, яка в сукупності з конусоподібним центральним тілом створює трансзвукову з критичним перетином частину кільцевого надзвукового сопла з зовнішнім розширенням газового потоку; заряд детонаційного твердого палива виготовлено кільцевим послідовною багаторазовою укладкою кільцевих прошарків детонаційного шнура на демпферуючі прокладки і з'єднано з внутрішньою циліндричною боковою стінкою кільцевої тороїдальної камери згоряння; вільний кінець детонаційного шнура, який розташовано на останньому прошарку шнура, з'єднано з детонатором. Детонаційний шнур на початковій його ділянці, що з'єднується з детонатором, виготовлено з діаметром поперечного перетину, що плавно збільшується від допустимого малого до номінального розрахункового для основного режиму роботи двигуна. UA 103537 C2 (12) UA 103537 C2 UA 103537 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до ракетно-космічної техніки і може бути використаний як маршовий двигун ступенів ракет, розгінних блоків та космічних апаратів. Відомі детонаційні ракетні двигуни твердого палива (далі ДРДТП), зокрема [1, 2, 3], які в залежності від призначення відрізняються між собою складом, конструктивно-компонувальними схемами основних складових частин, характеристиками палива, робочим процесом його спалювання та використання газового потоку. Для визначеного призначення найбільші переваги мають двигуни з тривалим процесом газифікації палива, який забезпечується, наприклад, в ДРДТП, що містить в собі камеру згоряння і розміщений в ній заряд вибухової речовини у вигляді прошарків детонаційного шнура, розділених між собою демпферуючою речовиною у вигляді демпферуючих прокладок, які газифікуються при проходженні по шпуру детонаційної хвилі. В залежності від типу шнурового заряду (торцевий, конусоподібний, циліндричний, складної форми) відомі ДРДТП з розгінним надзвуковим соплом і без розгінного сопла. Найбільш близьким аналогом (прототипом винаходу) вибрано ДРДТП, описаний в [1, рис. 4]. До загальних істотних ознак прототипу та двигуна, що заявляється, ставиться те, що він містить камеру згоряння і розміщений в ній заряд детонаційного твердого палива, до складу якого входить вибухова речовина у вигляді прошарків детонаційного шнура, розділених між собою демпферуючими прокладками, які газифікуються при проходженні по шнуру детонаційної хвилі, надзвукове сопло, що з'єднано з камерою згоряння, та детонатор, розташований на одному з кінців шнура і з'єднаний з системою керування запуском двигуна. Недоліком двигуна-прототипу є те, що він має недосконалу конструктивну схему камери згоряння і заряду твердого палива, а також має великі габарити і масу соплового блоку. В основу винаходу, що заявляється, поставлено задачу удосконалення двигуна за рахунок використання нових конструктивних схем і науково-технічних рішень щодо камери згоряння, заряду твердого палива та сопла двигуна, а саме: - камеру згоряння виготовлено кільцевою, тороїдальної форми, з циліндричними боковими стінками і з'єднано з профільованим конусоподібним центральним тілом, при цьому, на зовнішній циліндричній боковій стінці тороїдальної камери згоряння в нижній її частині виготовлено профільовану обичайку, яка в сукупності з конусоподібним центральним тілом створює трансзвукову з критичним перетином частину кільцевого надзвукового сопла з зовнішнім розширенням газового потоку; - заряд детонаційною твердого палива, до складу якого входить вибухова речовина у вигляді прошарків детонаційного шнура, розділених між собою демпферуючими прокладками, наприклад, з полістиролу, які газифікуються при проходженні по шнуру детонаційної хвилі, виготовлено кільцевим послідовною багаторазовою укладкою кільцевих прошарків детонаційного шнура на демпферуючі прокладки і з'єднано з внутрішньою циліндричною боковою стінкою кільцевої тороїдальної камери згоряння; вільний кінець детонаційного шнура, який розташовано на останньому прошарку шнура, з'єднано з детонатором; - з метою підвищення технологічності виготовлення шпурового заряду детонаційного твердого палива демпферуючі прокладки детонаційного шнура виготовлено у вигляді зовнішньої демпферуючої оболонки, при цьому прошарки детонаційного шнура укладено на внутрішню циліндричну бокову стінку камери згоряння і скріплено зв'язуючою речовиноюнаповнювачем, яка разом з демпферуючою оболонкою газифікується одночасно з проходженням по шнуру детонаційної хвилі; - кільцевий заряд детонаційного твердого палива виготовлено послідовною багаторазовою укладкою плоских спіральних кільцевих прошарків детонаційного шнура на плоскі кільцеві демпферуючі прокладки, які не допускають розповсюдження детонації за межі детонуючої ділянки шнура на сусідні ділянки шнура і з'єднано з обома циліндричними боковими та верхньою стінкою камери згоряння; - з метою підвищення технологічності виготовлення шнурового заряду детонаційного твердого палива плоскі кільцеві демпферуючі прокладки виготовлено із спіральними канавками для укладання в них детонаційного шнура; - кільцевий заряд детонаційного твердого палива виготовлено послідовною багаторазовою укладкою циліндричних гвинтових прошарків детонаційного шнура на циліндричні демпферуючі прокладки, які не допускають розповсюдження детонації за межі детонуючої ділянки шнура на сусідні ділянки шнура і з'єднано з внутрішньою циліндричною боковою, верхньою та нижньою стінками камери згоряння; - з метою підвищення надійності роботи двигуна та технологічності виготовлення шнурового заряду детонаційного твердого палива циліндричні демпферуючі прокладки виготовлено з гвинтовими канавками для укладання в них детонаційного шнура; 1 UA 103537 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 - з метою підвищення економічності двигуна демпферуючі прокладки між прошарками детонаційного шнура виготовлено з еластичного висококалорійного палива типу Т9БК8 (тверде сумішеве ракетне паливо на основі бутилкаучуку); - з метою підвищення надійності роботи двигуна у початковий період роботи детонаційний шнур на початковій його ділянці, що з'єднується з детонатором, виготовлено з діаметром поперечного перетину, що плавно збільшується від допустимого малого до номінального розрахункового для основного режиму роботи двигуна; довжина початкової ділянки і діаметри поперечного перетину шнура визначаються за результатами розрахунку запуску і основного режиму роботи двигуна; - з метою розширення функціональних можливостей двигуна, зокрема, регулювання тяги двигуна, детонаційний шнур виготовлено ділянками з річними площами поперечного перегину відповідно до потреб ступінчастої або плавної зміни осьової тяги двигуна; - з метою подальшого розширення функціональних можливостей двигуна, зокрема, забезпечення декількох його виключень і запусків, детонаційний шнур виготовлено із декількох ізольованих один від іншого відрізків, кожен з яких оснащено детонатором, з'єднаним з системою керування запуском двигуна. Суть винаходу пояснюється кресленнями на фіг. 1, 2, 3, де зображено схему запропонованого детонаційного ракетного двигуна твердого палива. Детонаційний ракетний двигун (фіг. 1) містить кільцеву тороїдальну камеру згоряння 1 з кільцевим соплом 2 зовнішнього розширення газового потоку, що створює: профільована обичайка 3 і вогнева поверхня 4 центрального тіла, кільцевий заряд 5 детонаційного твердого палива, що містить в собі плоскі спіральні кільцеві прошарки детонаційного шнура 6 та плоскі кільцеві демпферуючі прокладки 7, детонатор 8, з'єднаний з вільним кінцем детонаційного шнура 6, розташованим на останньому плоскому спіральному кільцевому прошарку шнура, перший плоский спіральний кільцевий прошарок шнура закріплено на внутрішній циліндричній боковій стінці 9 кільцевої тороїдальної камери згоряння 1; на плоских кільцевих демпферуючих прокладках 7 виготовлено спіральні канавки 10 (розріз А - А). На фіг. 2 зображено схему кільцевого заряду 5 детонаційного твердого палива з укладкою шнура 6 в циліндричні гвинтові прошарки на циліндричні демпферуючі прокладки 11 з виготовленими в них гвинтовими канавками 12. На фіг. 3 зображено схему кільцевого заряду 5 детонаційного твердого палива з укладкою шнура 6 з демпферуючими прокладками у вигляді зовнішньої демпферуючої оболонки 13 плоскими спіральними кільцевими (а) та циліндричними гвинтовими (б) прошарками. Пристрій працює таким чином. Детонатор ініціює детонаційну хвилю по шнуру, при 5 проходженні якої вибухова речовина газифікується при високому тиску (10 Па) і температурі 5 (5·10 К) в зоні детонації шнура, характерним для режиму детонації. Одночасно при проходженні детонаційної хвилі вздовж прошарків шнура газифікуються демпферуючі прокладки між прошарками шнура. Продукти газифікації заряду заповнюють камеру згоряння і витікають через критичний перетин сопла в надзвукову його частину. Газовий потік прискорюється до розрахункового режиму течії незалежно від тиску навколишньої атмосфери, тим самим забезпечуючи високий питомий імпульс тяги двигуна. Нова схема камери згоряння, сопла та заряду твердого палива забезпечує високі габаритномасові характеристики, високу щільність компонування двигуна та високий питомий імпульс тяги. Детонаційне спалювання палива в камері двигуна забезпечує більш високі термодинамічні параметри продуктів спалювання (газифікації) палива, а використання кільцевого сопла із зовнішнім розширенням потоку більш високий рівень імпульсу тяги. Таким чином, перевагою винаходу є підвищення конструктивних характеристик та економічності двигуна. Список використаних джерел: 1. Коваленко Н. Д. О состоянии разработок и перспективах применения реактивных двигателей с детонационной газификацией топлива / Н. Д. Коваленко, А, Е. Золотько. А. О. Кириченко // Техническая механика. Днепропетровск, 2011. - №2. - С. 30-48. 2. Кукушкин В. И. Состояние и перспективы разработки РДТТ / В. И. Кукушкин // АІАА Рар. 1992. - № 3872. - С. 9. 3. Импульсные детонационные двигатели / Под ред. С. М. Фролова. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2006.-592 с. 2 UA 103537 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1. Детонаційний ракетний двигун твердого палива, що містить камеру згоряння і розміщений в ній заряд детонаційного твердого палива, до складу якого входить вибухова речовина у вигляді прошарків детонаційного шнура, розділених між собою демпферуючими прокладками, які газифікуються при проходженні по шнуру детонаційної хвилі, надзвукове сопло, що з'єднано з камерою згоряння, та детонатор, розташований на одному з кінців шнура і з'єднаний з системою керування запуском двигуна, який відрізняється тим, що камеру згоряння виготовлено кільцевою, тороїдальної форми, з циліндричними боковими стінками і з'єднано з профільованим конусоподібним центральним тілом, при цьому, на зовнішній циліндричній боковій стінці тороїдальної камери згоряння в нижній її частині виготовлено профільовану обичайку, яка в сукупності з конусоподібним центральним тілом створює трансзвукову з критичним перетином частину кільцевого надзвукового сопла з зовнішнім розширенням газового потоку; заряд детонаційного твердого палива виготовлено кільцевим послідовною багаторазовою укладкою кільцевих прошарків детонаційного шнура на демпферуючі прокладки і з'єднано з внутрішньою циліндричною боковою стінкою кільцевої тороїдальної камери згоряння; вільний кінець детонаційного шнура, який розташовано на останньому прошарку шнура, з'єднано з детонатором, причому детонаційний шнур на початковій його ділянці, що з’єднується з детонатором, виготовлено з діаметром поперечного перетину, що плавно збільшується від допустимого малого до номінального розрахункового для основного режиму роботи двигуна. 2. Детонаційний ракетний двигун за п. 1, який відрізняється тим, що кільцевий заряд детонаційного твердого палива виготовлено послідовною багаторазовою укладкою плоских спіральних кільцевих прошарків детонаційного шнура на плоскі кільцеві демпферуючі прокладки, які не допускають розповсюдження детонації за межі детонуючої ділянки шнура на сусідні ділянки шнура і з'єднано з обома циліндричними боковими та верхньою стінкою камери згоряння. 3. Детонаційний ракетний двигун за п. 2, який відрізняється тим, що плоскі кільцеві демпферуючі прокладки виготовлено із спіральними канавками для укладання в них детонаційного шнура. 4. Детонаційний ракетний двигун за п. 1, який відрізняється тим, що кільцевий заряд детонаційного твердого палива виготовлено послідовною багаторазовою укладкою циліндричних гвинтових прошарків детонаційного шнура на циліндричні демпферуючі прокладки, які не допускають розповсюдження детонації за межі детонуючої ділянки шнура на сусідні ділянки шнура і з'єднано з внутрішньою циліндричною боковою, верхньою та нижньою стінками камери згоряння. 5. Детонаційний ракетний двигун за п. 4, який відрізняється тим, що циліндричні демпферуючі прокладки виготовлено з гвинтовими канавками для укладання в них детонаційного шнура. 6. Детонаційний ракетний двигун за пп. 1, 2, 4, який відрізняється тим, що демпферуючі прокладки детонаційного шнура виготовлено у вигляді зовнішньої демпферуючої оболонки, при цьому прошарки детонаційного шнура укладено на внутрішню циліндричну бокову стінку камери згоряння і скріплено зв'язуючою речовиною-наповнювачем, яка разом з демпферуючою оболонкою газифікується одночасно з проходженням по шнуру детонаційної хвилі. 7. Детонаційний ракетний двигун за пп. 1-6, який відрізняється тим, що демпферуючі прокладки між прошарками детонаційного шнура виготовлено з еластичного висококалорійного палива типу Т9БК8 (тверде сумішеве ракетне паливо на основі бутилкаучуку). 8. Детонаційний ракетний двигун за пп. 1-7, який відрізняється тим, що детонаційний шнур виготовлено ділянками з різними площами поперечного перетину відповідно до потреб ступінчастої або плавної зміни осьової тяги двигуна. 9. Детонаційний ракетний двигун за пп. 1-8, який відрізняється тим, що детонаційний шнур виготовлено із декількох ізольованих один від іншого відрізків, кожен з яких оснащено детонатором, з’єднаним з системою керування запуском двигуна. 3 UA 103537 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4