RU2026502C1 - Method of creating thrust with gas pulse detonation engine - Google Patents
Method of creating thrust with gas pulse detonation engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2026502C1 RU2026502C1 SU4943592A RU2026502C1 RU 2026502 C1 RU2026502 C1 RU 2026502C1 SU 4943592 A SU4943592 A SU 4943592A RU 2026502 C1 RU2026502 C1 RU 2026502C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- engine
- detonation
- diaphragm
- chamber
- mixture
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано при конструировании реактивных систем управления космическими летательными аппаратами и импульсных двигательных установок космических станций. The invention relates to engine building and can be used in the design of reactive control systems for spacecraft and pulsed propulsion systems of space stations.
Известно несколько типов реактивных систем, у которых рабочее тело или компоненты топлив подаются в камеру двигателя (КД) порциями. Это газореактивные системы (рабочее тело - сжатый газ), системы, использующие газообразные продукты разложения (например, при каталитическом разложении Н2О2); системы с использованием продуктов сгорания двухкомпонентных жидких топлив. Кроме того, примером таких систем могут служить устройства и используемые ими способы создания реактивной тяги.Several types of reactive systems are known in which the working fluid or fuel components are supplied in portions to the engine chamber (CD). These are gas-reactive systems (working fluid — compressed gas), systems using gaseous decomposition products (for example, in the catalytic decomposition of H 2 O 2 ); systems using the products of combustion of two-component liquid fuels. In addition, devices and the methods used to create reactive thrust can serve as an example of such systems.
В указанных устройствах осуществляется создание тяги двигателя за счет потенциальной энергии сжатых газов или за счет химической энергии, преобразующейся в тепловую в результате окислительно-восстановительных реакций, а также за счет ускорения рабочего тела вдоль КД при истечении. При этом основным недостатком этих систем является сравнительно низкий удельный импульс тяги (900-3500 м/с в зависимости от типа системы). In these devices, engine thrust is created due to the potential energy of compressed gases or due to chemical energy that is converted into heat as a result of redox reactions, as well as due to the acceleration of the working fluid along the CD during expiration. Moreover, the main drawback of these systems is the relatively low specific impulse of thrust (900-3500 m / s, depending on the type of system).
Проблему повышения удельного импульса тяги позволяет решить использование детонационных процессов в камере импульсного двигателя. В настоящее время экспериментально доказано, что применения детонационных процессов в КД позволяет достигать удельного импульса тяги 1000-1400 м/с. The problem of increasing the specific impulse of thrust can be solved by using detonation processes in the chamber of a pulse engine. At present, it has been experimentally proved that the use of detonation processes in CD makes it possible to achieve a specific thrust impulse of 1000-1400 m / s.
Известно несколько способов создания тяги детонационным двигателем. Один из них заключается в следующем:
детонационную смесь (например, кислород + этилен) предварительно приготавливают в смесительной камере;
производят вакуумирование КД (т. е. из КД откачивают воздух) и выход камеры закрывают резиновой мембраной, которая удерживается благодаря воздействию давления окружающей среды на ее внешнюю поверхность;
вводят смесь в камеру двигателя до тех пор, пока значение величины давления в камере не достигнет величины немногим ниже атмосферного давления (по окончанию этой операции считают, что детонационный двигатель готов к срабатыванию;
инициируют детонационные процессы в камере двигателя.Several methods are known for creating thrust by a detonation engine. One of them is as follows:
the detonation mixture (for example, oxygen + ethylene) is preliminarily prepared in a mixing chamber;
they evacuate the CD (i.e., the air is evacuated from the CD) and the chamber exit is closed with a rubber membrane, which is retained due to the influence of environmental pressure on its outer surface;
the mixture is introduced into the engine chamber until the pressure in the chamber reaches a value slightly lower than atmospheric pressure (at the end of this operation, it is believed that the detonation engine is ready for operation;
initiate detonation processes in the engine chamber.
Однако в данном способе отсутствует автономность применения КД, поскольку необходимо для последующего срабатывания двигателя установить резиновую мембрану, а устройство, которое обеспечило бы ее замену отсутствует. У способа достаточно узкая область применения (неприменимость в космосе), так как для реализации способа необходимо внешнее воздействие окружающей среды на резиновую мембрану. Кроме того, способ имеет ограниченную тягу двигателя по величине, поскольку ограничены давлением окружающей среды возможности повышения давления смеси в КД перед срабатыванием. However, in this method there is no autonomy of the use of CD, since it is necessary to install a rubber membrane for the subsequent engine operation, and there is no device that would ensure its replacement. The method has a fairly narrow scope (inapplicability in space), since the implementation of the method requires external environmental influences on the rubber membrane. In addition, the method has a limited thrust of the engine in magnitude, since it is limited by environmental pressure the possibility of increasing the pressure of the mixture in the CD before operation.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ заключающийся в том, что компоненты, составляющие топливную смесь, одновременно подаются порциями в КД при помощи синхронно работающих электромагнитных клапанов и системы зажигания, обеспечивающей инициирование единичных детонаций в каждом детонационном цикле. В детонационный цикл входят следующие операции:
включение системы зажигания;
скачкообразный впрыск топливной смеси в предкамеру (смесь: кислород + этилен) и одновременный впрыск топливной смеси в КД (смесь: воздух + этилен);
воспламенение кислородно-этиленовой смеси и переход горения смеси в детонацию;
воздействие детонационной волны, образовавшейся в предкамере, на топливную смесь в КД и детонацию воздушно-этиленовой смеси;
истечение продуктов детонация из КД.The closest technical solution to the proposed one is the method consisting in the fact that the components that make up the fuel mixture are simultaneously fed in portions to the cylinder by means of synchronously operating electromagnetic valves and an ignition system that initiates single detonations in each detonation cycle. The detonation cycle includes the following operations:
ignition system activation;
spasmodic injection of the fuel mixture into the pre-chamber (mixture: oxygen + ethylene) and simultaneous injection of the fuel mixture into the cylinder bed (mixture: air + ethylene);
ignition of the oxygen-ethylene mixture and the transition of the combustion of the mixture to detonation;
the effect of the detonation wave generated in the pre-chamber on the fuel mixture in the CD and the detonation of the air-ethylene mixture;
expiration of detonation products from CD.
После истечения продуктов детонации из КД цикл считается завершенным, а двигатель подготовленным к следующему циклу. Количественный контроль за расходом компонентов смеси в детонационном двигателе отсутствует. В каждом детонационном цикле подача определенного количества и качества топливной смеси обеспечиваются только за счет предварительной настройки электромагнитных клапанов впрыска. After the expiration of the detonation products from the CD, the cycle is considered completed, and the engine prepared for the next cycle. There is no quantitative control over the consumption of mixture components in the detonation engine. In each detonation cycle, the supply of a certain quantity and quality of the fuel mixture is ensured only by pre-setting the injection solenoid valves.
Основным недостатком прототипа является низкая стабильность калиброванного единичного импульса тяги, входящего в серию однотипных импульсов. Этот недостаток обусловлен как сложностью самого явления газовой детонации, так и несовершенством способа создания тяги детонационным двигателем. Несовершенство способа заключается в непостоянстве качества топливной смеси в однотипной серии детонационных срабатываний КД. Постоянство качества смеси не соблюдается, поскольку даже при идеальной настройке самих электромагнитных клапанов (ЭМК) на определенный расход компонентов смеси практически невозможно идеально синхронизировать 5 независимых узлов конструкции (4 ЭМК + система зажигания), тем более, что характерное время протекания химически реакций в детонационной волне ≈ 10-6 с.The main disadvantage of the prototype is the low stability of the calibrated single thrust impulse included in the series of the same type of impulses. This disadvantage is due to both the complexity of the gas detonation phenomenon itself and the imperfection of the method of creating thrust by a detonation engine. The imperfection of the method lies in the inconsistency of the quality of the fuel mixture in the same series of detonation detonations KD. The consistency of the quality of the mixture is not observed, because even if the electromagnetic valves themselves (EMC) are perfectly tuned to a specific flow rate of the mixture components, it is practically impossible to perfectly synchronize 5 independent structural units (4 EMC + ignition system), especially since the characteristic time of the occurrence of chemical reactions in the detonation wave ≈ 10 -6 s.
Цель изобретения - повышение стабильности калиброванного единичного импульса тяги, входящего в серию однотипных импульсов и расширение функциональных возможностей детонационного двигателя. The purpose of the invention is to increase the stability of a calibrated single thrust impulse included in a series of the same type of impulses and expand the functionality of the detonation engine.
Это достигается тем, что перед подачей детонирующего топлива в KД ее срез герметично перекрывают диафрагмой, детонирующее топливо подают в КД, осуществляя количественный контроль за его расходом (для газовых детонационных двигателей - по парциальному давлению каждого из компонентов смеси), кроме того, инициируют детонационные процессы в КД, а также автоматически производят смену диафрагмы на срезе КД, подготавливая тем самым двигатель к следующему импульсному срабатыванию. This is achieved by the fact that before the detonating fuel is fed into the KD, its section is hermetically sealed with a diaphragm, the detonating fuel is fed into the KD, quantifying its consumption (for gas detonation engines, by the partial pressure of each of the components of the mixture), in addition, detonation processes are initiated in CD, and also automatically change the diaphragm at the cut of CD, thereby preparing the engine for the next pulse operation.
Предложенный способ создания тяги газовым импульсным детонационным двигателем характеризуется следующими отличительными существенными признаками. The proposed method of creating traction by a gas pulse detonation engine is characterized by the following distinctive essential features.
Перед подачей детонирующего топлива в КД ее срез герметично перекрывают диафрагмой. В замкнутое пространство, образованное системой: КД + диафрагма, подают детонирующее топливо, при подаче топлива в камеру осуществляют его количественный контроль. Компоненты газовой детонационной смеси подают в КД поочередно, соответственно заданному парциальному давлению в камере, а смену диафрагмы в промежутке между двумя последовательными срабатываниями детонационного двигателя производят автоматически, что соответствует критерию "существенные отличия". Before supplying the detonating fuel to the cylinder, its section is hermetically sealed with a diaphragm. In a confined space formed by the system: KD + diaphragm, detonating fuel is supplied; when fuel is supplied to the chamber, it is quantitatively controlled. The components of the gas detonation mixture are fed to the CD alternately, according to the specified partial pressure in the chamber, and the diaphragm is changed automatically between two successive detonation engine trips, which meets the criterion of "significant differences".
В прототипе отсутствуют перечисленные признаки, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна". The prototype does not have the listed features, therefore, the proposed technical solution meets the criterion of "novelty."
На фиг.1 изображена принципиальная схема детонационного двигателя (ДД), как один из возможных вариантов технических устройств, обеспечивающих реализацию способа создания тяги газовым импульсным ДД; на фиг.2 - вид ДД со стороны среза КД (вид по стрелке A на фиг.1); на фиг.3 - прижимная рама, вид сверху и сбоку. Figure 1 shows a schematic diagram of a detonation engine (DD), as one of the possible options for technical devices that implement the method of creating traction by a gas pulse DD; figure 2 is a view of DD from the side of the slice CD (view along arrow A in figure 1); figure 3 - clamping frame, top view and side view.
Детонационный двигатель состоит из КД 1, имеющей систему инициирования единичных детонаций 2 (например, свечу зажигания), систему количественного контроля за расходом детонирующего топлива 3 (например, датчик давления для замерa парциальных давлений компонентов смеси при заполнении КД), а также смеситель 4, представляющий собой трубопровод, в стенках которого вдоль всей его длины по определенному закону выполнены отверстия для ввода компонентов смеси в КД. Смеситель камеры газового ДД соединен посредством магистралей 5, 6, количество которых зависит от количества компонентов в детонирующей газовой смеси, с баками 7, 6, в которых хранятся соответствующие компоненты этой смеси. Магистраль 5(6) содержит трубопровод, регулятор давления 9(10) и пускоотсечный клапан 11 (12) соответственно. Кроме того, ДД включает устройства герметизации и замены диафрагм. Устройство герметизации состоит из источника сжатых газов 13, трубопроводов 14, 15 и 16, соединенных между собой посредством двухпозиционного клапана 17, а также пневмоцилиндров 18, в которых поршни 19 через штоки 20 жестко связаны тягами 21 с прижимной рамой 22. Трубопроводы содержат необходимую пневмоавтоматику: регулятор давления 23 и обратный клапан 24. Поршни 19 герметично разделяют каждый из пневмоцилиндров на две полости "а" и "б". В каждой из этих полостей размещены по пружине 25 и 26, а также по одному датчику положения поршня 27 и 28. Жесткость пружин неодинакова, жесткость пружины 26 больше жесткости пружины 25. Прижимная рама 22 расположена у среза КД и имеет по два отверстия прямоугольной формы 29 и 30 (см.фиг.3), размещенных симметрично с каждой из сторон, и одно круглое отверстие 31, расположенное в центре рамы, причем диаметр его выполнен в строгом соответствии с выходным сечением КД. На прижимной раме имеется кольцеобразный выступ 32, а на фланце выходного сечения КД - соответствующий ему паз 33. В отверстия 29 и 30 прижимной рамы определенным образом заправлена лента для диафрагмы 34, которая намотана на барабаны 35 и 36. Чтобы обеспечить необходимый крутящий момент при перемотке ленты, барабан 35 подсоединен к электроприводу 37. The detonation engine consists of KD 1, having a single detonation initiation system 2 (for example, a spark plug), a quantitative control system for the consumption of detonating fuel 3 (for example, a pressure sensor for measuring the partial pressures of the mixture components when filling the KD), as well as a mixer 4, representing a pipeline, in the walls of which along its entire length, according to a certain law, holes are made for introducing the components of the mixture into the CD. The mixer of the gas DD chamber is connected via lines 5, 6, the number of which depends on the number of components in the detonating gas mixture, with tanks 7, 6, in which the corresponding components of this mixture are stored. The line 5 (6) contains a pipeline, a pressure regulator 9 (10) and a start-off valve 11 (12), respectively. In addition, DD includes a device for sealing and replacing diaphragms. The sealing device consists of a source of compressed
В исходном положении лента для диафрагмы 34 заправлена в прижимную раму 22 (см. фиг.1) и полностью перекрывает у рамы отверстие 31. Прижимная рама выполнена подвижной, причем она может иметь два положения: крайнее левое - при герметизации диафрагмы (оно показано на фиг.1) и крайнее правое, которое является для рамы исходным. Таким образом, в исходном (крайнем правом) положении между прижимной рамой и срезом КД образован зазор, следовательно, в исходном положении отверстие 31 перекрыто лентой для диафрагмы, но эта лента не прижата прижимной рамой. Зазор между рамой и срезом КД, во-первых, снимает ограничения на подвижном ленты для диафрагмы давая возможность с минимальными затратами усилий при необходимости осуществлять перемотку ленты с барабана 35 на барабан 36 и, во-вторых, осуществляет связь полостей "а" пневмоцилиндров 18 с внешней средой через распределительные магистрали 16, двухпозиционный клапан 17, трубопровод 15 и КД, что обеспечивает в полости "а" давление газа на поршень, равное давлению окружающей среды. Исходное положение прижимной рамы достигается за счет подбора расположенных в пневмоцилиндрах пружин 25 и 26, которые подобраны таким образом, что жесткость пружин 26 на заданную величину превышает жесткость пружин 25, т. е. пружины 26, воздействуя на поршни 19, перемещают их в крайнее правое положение, о чем сигнализирует в систему автоматического управления космического аппарата (САУ КА) датчик положения 27. Так как штоки 20 поpшней 19 жестко соединены тягами 21 с прижимной рамой, то и сама рама занимает крайнее правое положение. Кроме того, в исходном положении регуляторы давления 9 и 10 настроены на заданное рабочее давление в КД, пускоотсечные клапаны 11 и 12 закрыты. In the initial position, the tape for the
ДД работает следующим образом. DD works as follows.
По команде от САУ КА двухпозиционный клапан 17 отсоединяет распределительные магистрали 16 от трубопровода 15 и подсоединяет их к магистрали 14. Рабочее тело под давлением из баллона 13 через регулятор давления газа 23 и двухпозиционный клапан по магистралям 16 поступает в полости "а" пневмоцилиндров. Поршни 19 сжимают пружины 26 и занимают крайнее левое положение, о чем выдается сигнал в САУ КА датчиком 28. Перемещение поршней посредством штоков и тяг передается прижимной раме, которая плотно прижимает ленту для диафрагм к фланцу среза КД. В результате этого осуществляется герметизация диафрагмы и выходного сечения КД при помощи кольцеобразного выступа 32 на прижимной раме и соответствующего ему паза 33 на фланце КД. При поступлении сигнала в САУ КА от датчика 28 САУ выдает команду на открытие пускоотсечного клапана 11 (12), при этом один из компонентов детонирующей смеси поступает через смеситель 4 в замкнутое пространство, ограниченное стенками КД и диафрагмой, при этом смеситель 4 вводит компонент практически одновременно в весь объем КД. При достижении в КД определенного парциального давления (в качестве контролирующего элемента выступает датчик давления 3) пускоотсечный клапан 11 (12) закрывается и открывается клапан 11 (10), давая доступ второму компоненту смеси в КД. После того, как датчик давления 3 выдает сигнал в САУ о достижении заданного парциального давления, клапан 12 (11) закрывается. В случае многокомпонентной смеси операция повторяется до тех пор, пока все компоненты, составляющие смесь, с заданными парциальными давлениями не подадут в КД. По окончании формирования смеси в КД детонационный двигатель считается готовым к запуску. По команде из САУ КА происходит инициирование детонационных процессов в КД (например, поджиг смеси). В результате детонация резко повышается давление в КД, при этом, поскольку диафрагма имеет меньшую прочность чем стенки КД, осуществляются ее прорыв и нестационарное истечение газов из камеры двигателя, в результате чего создается реактивная сила. По сигналу датчика 3 о падении давления продуктов сгорания в КД ниже заданной величины САУ КА формирует команду на перестыковку магистралей в двухпозиционном клапане 17, магистраль 15 подстыковывается к распределительным магистралям 16, а магистраль 14 герметично перекрывается. В результате перестыковки магистралей полости "а" пневмоцилиндров сообщаются с внешней средой и давление в них падает до величины давления внешней среды. Поршни 18 под действием пружин 26 занимают крайнее правое положение, происходит разгерметизация системы: прижимная рама - фланец на срезе КД, при этом образовывается зазор между рамой и срезом КД, который снимает ограничения на подвижность ленты для диафрагм, обеспечивая тем самым возможность с минимальными усилиями осуществить перемотку ленты на барабан 36. Как только поршни 19 стали в крайнее правое положение датчик 27 выдает об этом сигнал в САУ КА, из которой поступает команда на электропривод 37 для проворота барабана 36 на определенный угол с целью замены диафрагмы на срезе КД, при этом сработанная часть ленты для диафрагмы наматывается на барабан 36. Замена диафрагм при протяжке ленты осуществляется по принципу смены кадров на фотоаппарате при фотографировании. После смены диафрагмы отключается электропривод 37, а ДД считается приведенным в исходное положение и готовым к следующему импульсному срабатыванию. On command from the SPACS, the on-off valve 17 disconnects the
Техническое преимущество изобретения заключается в следующем. Повышается стабильность калиброванного единичного импульса тяги детонационного двигателя в серии однотипных импульсов. Расширяется функциональные возможности ДД по применению газовых взрывчатых смесей с тремя и более компонентами, входящими в состав детонирующего топлива, а также по изменению режима работы ДД, поскольку, меняя соответствующим образом начальные парциальные давления компонентов детонирующей смеси, есть возможность изменять в достаточно широких пределах величину суммарного импульса тяги при каждом импульсном срабатывании ДД, что в свою очередь позволяет при помощи детонационного двигателя создавать именно тот суммарный импульс при меньшем количестве срабатываний двигателя, который в данный момент необходим. The technical advantage of the invention is as follows. The stability of a calibrated single thrust impulse of the detonation engine in a series of the same type of impulses is increased. The functionality of DD is expanding in the use of gas explosive mixtures with three or more components that are part of the detonating fuel, as well as in changing the operating mode of the DD, since by changing the initial partial pressures of the components of the detonating mixture accordingly, it is possible to change the total thrust impulse at each impulse response of DD, which in turn allows using the detonation engine to create exactly that total impulse at shem amount of engine operations, which are currently needed.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4943592 RU2026502C1 (en) | 1991-06-05 | 1991-06-05 | Method of creating thrust with gas pulse detonation engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4943592 RU2026502C1 (en) | 1991-06-05 | 1991-06-05 | Method of creating thrust with gas pulse detonation engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2026502C1 true RU2026502C1 (en) | 1995-01-09 |
Family
ID=21578338
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4943592 RU2026502C1 (en) | 1991-06-05 | 1991-06-05 | Method of creating thrust with gas pulse detonation engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2026502C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2750245C1 (en) * | 2020-06-26 | 2021-06-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) | Pulse combustion chamber for a space engine |
-
1991
- 1991-06-05 RU SU4943592 patent/RU2026502C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Беляев Н.М., Уваров Е.И., Реакционные системы управления космических летательных аппаратов, М.: Машиностроение, 1979, с.12-90. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2750245C1 (en) * | 2020-06-26 | 2021-06-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) | Pulse combustion chamber for a space engine |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5026259A (en) | Miniaturized pressurization system | |
US3943706A (en) | Ignition system for rocket engine combustion chambers operated by non-hypergolic propellant components | |
AU2019241452B2 (en) | Device and method for producing pressure waves of high amplitude | |
SU438215A1 (en) | Device for detonation working of materials | |
RU2026502C1 (en) | Method of creating thrust with gas pulse detonation engine | |
US3397755A (en) | Pneumatic seismic source | |
US4052024A (en) | Pneumatic gear motor application | |
US3847514A (en) | Self-starter system for single rotor rotary expansion engine | |
JPS631496B2 (en) | ||
US4285415A (en) | Acoustic impulse generator | |
GB1380547A (en) | Method and seismic pneumatic energy generators for increasing energy output | |
EP0195913B1 (en) | Sleeve valve for a pulsed gas generator | |
US4436016A (en) | Variable energy missile eject system | |
JPS56159544A (en) | Air to fuel ratio control system for internal-combustion engine | |
US4149404A (en) | Pressure testing of rocket motor cases | |
GB1508293A (en) | Apparatus for controlling the condition of combustible material | |
US2647364A (en) | Pulse jet engine with spontaneously ignitable fuel and oxidizer | |
GB970124A (en) | Apparatus for loading bore-holes in bed-rock with cartridges of explosive | |
US3077078A (en) | Injector chamber construction | |
KR102368542B1 (en) | Device for detonation and test device using thereof | |
RU2106509C1 (en) | Detonation chamber of pulse-jet engine | |
US4051979A (en) | Pneumatic servo system utilizing heat squib and explosive valve | |
SU1004933A1 (en) | Device for preparing seismic signal source gas mixture | |
US4069004A (en) | Device to emit shock waves, with adjustable capacity | |
SU1318953A1 (en) | Device for valving exhaust gas |