Пульсирующий детонационный двигатель с магнитогидродинамическим управлением потоком (варианты) и способ управления детонацией
Изобретение относится к пульсирующим детонационным двигателям, в которых используется магнитогидродинамическое управление потоком. Пульсирующий детонационный двигатель включает трубу (12), имеющую открытый передний конец (16) и открытый задний конец (18), и топливно-воздушный вход (20), выполненный в трубе (12) на переднем конце (16). Зажигатель (24) расположен в трубе (12) в месте, находящемся между передним концом (16) и задним концом (18). Система магнитогидродинамического управления потоком расположена между зажигателем (24) и топливно-воздушным входом (20) для управления детонацией в трубе (12) впереди зажигателя (24). В системе магнитогидродинамического управления потоком используются магнитные и электрические поля впереди зажигателя (24) для рассеяния фронта (34) детонационного горения, распространяющегося вперед, или по меньшей мере уменьшения его потенциала зажигания. Технический результат - обеспечение работы системы управления клапанами или потоком с высокой частотой для пульсирующих детонационных двигателей и повышение надежности. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 7 ил.
Это изобретение относится вообще к пульсирующим детонационным двигателям, а более конкретно к пульсирующим детонационным двигателям, в которых используется магнитогидродинамическое управление потоком.
Большинство двигателей внутреннего сгорания, используемых в настоящее время для создания силы тяги, основано на мгновенном сгорании, благодаря чему эффект от сгорания проявляется с относительно низкими скоростями (т.е. с меньшей скоростью, чем скорость звука в горючей смеси) и при постоянном давлении. Однако детонационное горение происходит со скоростями, значительно превышающими скорость звука, и одновременно при этом происходит значительный рост давления. Из-за выгодного термодинамического цикла имеется большой интерес к развитию движителей, принцип действия которых основан не на мгновенном сгорании, а на детонационном горении.
Одно из таких устройств - это пульсирующий детонационный двигатель, в котором для создания повышенных температуры и давления используется процесс прерывистого горения за счет детонирования воспламеняемой смеси. Режим детонации определяется условиями, в которых находится смесь (давление, температура, эквивалентное соотношение и т.д.), так, что, когда выделяется достаточное количество энергии для начала воспламенения, то реакции химической кинетики происходят со сверхзвуковыми скоростями. Обычно пульсирующий детонационный двигатель представляет собой трубу определенной длины, которая открыта с заднего конца и включает клапанное устройство какого-либо вида на переднем конце, чтобы "удержать" процесс детонации от распространения вперед. При работе двигателя заряд воздуха и топлива подается в эту трубу через клапан и затем клапан закрывается. Детонация топливно-воздушной смеси инициируется с помощью зажигателя, расположенного в трубе, а ударные волны, возникающие в результате детонации, распространяются "вниз" по трубе, повышая температуру и давление образующихся продуктов. Продукты горения вытесняются из открытого заднего конца, создавая импульс реактивной силы, направленный вперед. Когда ударные волны претерпели отражение в трубе, достигнув соответствующих параметров, то в трубу через клапан подается новый заряд и цикл повторяется. Обычно желательно генерировать импульсы с большой частотой, чтобы создавать тягу в почти устойчивом, сглаженном режиме.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является пульсирующий детонационный двигатель, раскрытый в патенте США №6484492. Способ управления детонацией в пульсирующем детонационном двигателе описан в патенте США №6751943.
Известно, что образующиеся при воспламенении волны давления и фронт детонационного горения будут стремиться распространяться в обоих продольных направлениях. Однако в современных пульсирующих детонационных устройствах воспламенение инициируется на переднем конце трубы, так что волны обычно будут распространяться вниз по потоку к открытому выходному концу. На переднем конце трубы размещен клапан для того, чтобы препятствовать выходу волн давления из передней стороны устройства и, более важно, чтобы воспрепятствовать прохождению фронта детонационного горения в систему топливно-воздушного впуска. Для цикла пульсирующей детонации требуется, чтобы клапан работал при чрезвычайно высоких температурах и давлениях и, кроме того, он должен работать при очень больших частотах, чтобы получить сглаженную по величине силу тяги. Эти условия значительно уменьшают надежность обычных клапанных систем, таких как тарельчатый клапан или клапан откидного типа, из-за многоцикловой усталости (МЦУ).
Таким образом, было бы желательно иметь систему управления клапанами или потоком с высокой частотой для пульсирующих детонационных двигателей, которая является легкой по весу, надежной, легко управляемой и обеспечивает минимальные потери кпд.
Вышеуказанная задача решается с помощью настоящего изобретения, которое предлагает пульсирующий детонационный двигатель, который включает трубу, имеющую открытый передний конец и открытый задний конец, и топливно-воздушный вход, выполненный в трубе на переднем конце. Зажигатель расположен в трубе в месте, находящемся между передним концом и задним концом. Система магнитогидродинамического управления потоком размещена между зажигателем и топливно-воздушным входом для управления детонацией в трубе впереди зажигателя. Система магнитогидродинамического управления потоком создает магнитное поле впереди зажигателя, чтобы рассеивать распространяющийся вперед фронт детонационного горения.
Более конкретно, создан пульсирующий детонационный двигатель, содержащий: трубу, имеющую открытый передний конец и открытый задний конец; зажигатель, расположенный в трубе в месте, находящемся между передним концом и задним концом; топливно-воздушный вход, выполненный в трубе на переднем конце; и систему магнитогидродинамического управления потоком, расположенную между зажигателем и топливно-воздушным входом для управления детонацией в трубе впереди зажигателя.
Зажигатель расположен ближе к переднему концу, чем к заднему концу.
Система магнитогидродинамического управления потоком включает обмотку возбуждения электрического поля, намотанную вокруг трубы в месте, находящемся между зажигателем и топливно-воздушным входом, и средство для создания магнитного поля в трубе, благодаря чему детонация топливно-воздушной смеси в трубе будет приводить к протеканию ионизированных продуктов горения через магнитное поле и генерации электрического тока в обмотке возбуждения электрического поля.
Средство для создания магнитного поля представляет собой пару постоянных магнитов, расположенных с противоположных сторон трубы.
Двигатель согласно изобретению дополнительно содержит средства для направления электрического тока в зажигатель.
Предпочтительно двигатель дополнительно содержит средства для дополнительной ионизации продуктов горения впереди зажигателя.
Система магнитогидродинамического управления потоком включает пару электродов, расположенных с противоположных сторон трубы в месте, находящемся между зажигателем и топливно-воздушным входом, и средство для создания магнитного поля в трубе, благодаря чему детонация топливно-воздушной смеси в трубе будет приводить к протеканию ионизированных продуктов горения через магнитное поле и генерации электрического тока между электродами.
Средство для создания магнитного поля представляет собой пару постоянных магнитов, расположенных с противоположных сторон трубы и перпендикулярно электродам.
Причем двигатель может дополнительно содержать средства для направления электрического тока в зажигатель.
Двигатель также может дополнительно содержать средства для дополнительной ионизации продуктов горения впереди зажигателя.
Пульсирующий детонационный двигатель может дополнительно содержать средство для ионизации топливно-воздушной смеси, поступающей в трубу через топливно-воздушный вход, и в котором система магнитогидродинамического управления потоком включает обмотку возбуждения магнитного поля, намотанную вокруг трубы в месте, находящемся между зажигателем и топливно-воздушным входом.
Кроме того, может быть предусмотрено устройство управления для осуществления протекания электрического тока через обмотку возбуждения магнитного поля, так чтобы в трубе создавалось магнитное поле, которое вызывает разделения топливно-воздушной смеси.
Система магнитогидродинамического управления потоком дополнительно включает обмотку возбуждения электрического поля, намотанную вокруг трубы в месте, находящемся между зажигателем и топливно-воздушным входом, и средство для создания другого магнитного поля в трубе вблизи обмотки возбуждения электрического поля.
Система магнитогидродинамического управления потоком дополнительно включает пару электродов, расположенных с противоположных сторон трубы в месте, находящемся между зажигателем и топливно-воздушным входом, и средство для создания другого магнитного поля в трубе вблизи электродов.
В другом аспекте изобретения пульсирующий детонационный двигатель содержит: трубу, имеющую открытый передний конец и открытый задний конец; топливно-воздушный вход, выполненный в трубе на переднем конце, для ввода топливно-воздушной смеси в трубу; зажигатель, расположенный в трубе в месте, находящемся между передним концом и задним концом, для детонирования топливно-воздушной смеси в трубе так, чтобы создавать группу прямых детонационных волн, содержащую прямую волну давления и прямой фронт горения, и группу задних детонационных волн, содержащую заднюю волну давления и задний фронт горения; и систему магнитогидродинамического управления потоком, расположенную между зажигателем и топливно-воздушным входом, для рассеяния прямого фронта горения.
Причем зажигатель расположен ближе к переднему концу, чем к заднему концу.
Система магнитогидродинамического управления потоком включает обмотку возбуждения электрического поля, намотанную вокруг трубы в месте, находящемся между зажигателем и топливно-воздушным входом, и средство для создания магнитного поля в трубе, благодаря чему детонация топливно-воздушной смеси в трубе будет приводить к протеканию ионизированных продуктов горения через магнитное поле и генерации электрического тока в обмотке возбуждения электрического поля, так что прямой фронт горения будет рассеиваться.
Средство для создания магнитного поля представляет собой пару постоянных магнитов, расположенных с противоположных сторон трубы.
Дополнительно двигатель может содержать средства для направления электрического тока в зажигатель, а также средства для дополнительной ионизации продуктов горения впереди зажигателя.
Система магнитогидродинамического управления потоком включает пару электродов, расположенных с противоположных сторон трубы в месте, находящемся между зажигателем и топливно-воздушным входом, и средство для создания магнитного поля в трубе, благодаря чему детонация топливно-воздушной смеси в трубе будет приводить к протеканию ионизированных продуктов горения через магнитное поле и генерации электрического тока между электродами, так что прямой фронт горения будет рассеиваться.
Средство для создания магнитного поля представляет собой пару постоянных магнитов, расположенных с противоположных сторон трубы и перпендикулярно электродам.
Пульсирующий детонационный двигатель согласно изобретению может дополнительно содержать средства для направления электрического тока в зажигатель, средства для дополнительной ионизации продуктов горения впереди зажигателя, средство для ионизации топливно-воздушной смеси, поступающей в трубу через топливно-воздушный вход, при этом система магнитогидродинамического управления потоком включает обмотку возбуждения магнитного поля, намотанную вокруг трубы в месте, находящемся между зажигателем и топливно-воздушным входом, а также устройство управления для осуществления протекания электрического тока через обмотку возбуждения магнитного поля, так чтобы в трубе создавалось магнитное поле, вызывающее разделение топливно-воздушной смеси, что приводит к рассеянию прямого фронта горения.
Причем система магнитогидродинамического управления потоком дополнительно включает обмотку возбуждения электрического поля, намотанную вокруг трубы в месте, находящемся между зажигателем и топливно-воздушным входом, и средство для создания другого магнитного поля в трубе вблизи этой обмотки возбуждения электрического поля.
Система магнитогидродинамического управления потоком дополнительно включает пару электродов, расположенных с противоположных сторон трубы в месте, находящемся между зажигателем и топливно-воздушным входом, и средство для создания другого магнитного поля в трубе вблизи электродов.
Поставленная задача решается также и тем, что способ управления детонацией в трубе впереди зажигателя в пульсирующем детонационном двигателе, содержащем трубу, имеющую передний конец и задний конец, и зажигатель, расположенный в трубе в месте, находящемся между передним концом и задним концом, включает: заполнение трубы топливно-воздушной смесью; детонирование топливно-воздушной смеси так, чтобы создавались группа прямых детонационных волн, содержащая прямую волну давления и прямой фронт горения, и группа задних детонационных волн, содержащая заднюю волну давления и задний фронт горения; и создание магнитного поля впереди зажигателя для рассеяния прямого фронта горения.
Способ может дополнительно включать ионизацию топливно-воздушной смеси.
Настоящее изобретение и его преимущества над аналогами предшествующего уровня техники станут понятными из последующего подробного описания и прилагаемой формулы со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Сущность изобретения конкретно указана и заявлена в заключительной части описания. Однако изобретение может быть наилучшим образом понято с помощью нижеследующей части описания в сочетании с прилагаемыми фигурами чертежей, на которых:
фиг.1 и фиг.2 показывают схематичный разрез пульсирующего детонационного двигателя, имеющего первый вариант выполнения системы магнитогидродинамического управления потоком;
фиг.3 - изображение в перспективе, показывающее альтернативную конфигурацию для варианта, показанного на фиг.1 и фиг.2;
фиг.4 и фиг.5 показывают схематичный разрез пульсирующего детонационного двигателя, имеющего второй вариант выполнения системы магнитогидродинамического управления потоком;
фиг.6 и фиг.7 показывают схематичный разрез пульсирующего детонационного двигателя, имеющего третий вариант выполнения системы магнитогидродинамического управления потоком.
Обращаясь к чертежам, на которых идентичные цифровые позиции обозначают одни и те же элементы на различных видах, фиг.1 и фиг.2 представляют первый вариант выполнения пульсирующего детонационного двигателя 10, способного создавать силу тяги, направленную вперед, полезный для многих применений, связанных с тягой, таких как, например, форсажная камера турбовентиляторного двигателя, замещение турбомашины высокого давления обычного газотурбинного двигателя и ракетный двигатель. Пульсирующий детонационный двигатель 10 включает трубу 12, имеющую заданную длину и определяющую внутреннюю камеру 14 сгорания. Труба 12 имеет открытый передний конец 16 и открытый задний конец 18. Открытый передний конец 16 работает у трубы 12 как топливно-воздушный вход 20, а открытый задний конец 18 обеспечивает выход в окружающую среду. Топливно-воздушная смесь из источника 22 поступает в камеру сгорания через вход 20. Источник 22 может представлять собой любые средства, которые обеспечивают получение смеси топлива и воздуха, многие из которых известны в области техники, связанной с горением.
Зажигатель 24 расположен в трубе 12 в промежуточном месте между передним и задним концами 16, 18, а предпочтительно ближе к переднему концу 16, чем к заднему концу 18. Зажигатель 24 создает достаточную энергию для детонирования топливно-воздушной смеси в камере 14 сгорания. Область камеры 14 сгорания непосредственно вблизи зажигателя 24 называется здесь зоной детонации. Детонационное горение зависит от давления, температуры и эквивалентного соотношения топливно-воздушной смеси, а также от количества энергии, выделенной для поджига. За счет расположения зоны детонации ближе к переднему концу 16 большая часть длины трубы отведена для создания силы тяги. Полная длина трубы 12 будет зависеть от требующейся рабочей частоты пульсирующего детонационного двигателя 10.
Система 26 магнитогидродинамического (МГД) управления потоком расположена между зоной детонации и входом 20 топливно-воздушной смеси для управления процессом детонации в передней части трубы 12. Система 26 МГД управления потоком содержит обмотку 28 возбуждения электрического поля, намотанную снаружи трубы 12 в соосном положении, которая расположена между зажигателем 24 и входом 20 топливно-воздушной смеси. Пара магнитов 30' размещена вблизи обмотки 28 возбуждения электрического поля и с противоположных сторон трубы 12, так чтобы магнитное поле создавалось в трубе 12 в направлении, перпендикулярном продольной оси трубы 12, как указано стрелками В. Магниты могут представлять собой постоянные магниты или электромагниты. Однако использование постоянных магнитов будет приводить к образованию пассивной системы, не требующей дополнительного подвода энергии.
При детонации топливно-воздушной смеси в камере 14 сгорания группы детонационных волн (волна давления и фронт горения) будут распространяться и в переднем, и заднем направлениях. Как показано на фиг.1 и фиг.2, группа прямых детонационных волн (распространяющихся вперед) содержит прямую волну 32 давления и прямой фронт 34 горения. Подобным же образом группа задних детонационных волн (распространяющихся к хвостовой части) содержит заднюю волну 36 давления и задний фронт 38 горения. В результате горения продукты горения становятся слабо ионизованными и, следовательно, электрически проводящими. Когда электропроводящий поток группы 32, 34 прямых волн проходит перпендикулярно через магнитное поле, созданное магнитами 30', в обмотке 28 возбуждения электрического поля генерируется электрический ток вследствие электромагнитной индукции. Энергия, отобранная у группы прямых волн 32, 34, рассеивает прямой фронт 34 горения. Таким образом, система 26 МГД управления потоком управляет процессом прямой детонации, а конкретно препятствует прохождению прямого фронта 34 горения в топливно-воздушный источник 22 за счет отбора энергии для рассеяния группы прямых волн. Обмотка 28 возбуждения электрического поля выполнена, соответственно, так, чтобы надлежащее количество энергии отбиралось у группы 32, 34 прямых волн.
Электрическая мощность, генерируемая обмоткой 28 возбуждения электрического поля, может быть использована для зарядки зажигателя 24. В этом случае обмотка 28 возбуждения электрического поля подключается к системе 40 управления режимом мощности, которая предусмотрена для подачи электрической мощности в соответствующие моменты времени на зажигатель 24. Кроме того, эта электрическая энергия может быть использована для других целей, таких как снабжение энергией бортовых устройств на транспортном средстве, которое приводится в движение пульсирующим детонационным двигателем 10.
Система 26 МГД управления потоком включает дополнительный источник 42 ионизации для повышения и/или поддержания ионизации продуктов, образующихся после горения, проходящих через магнитное поле. Когда в процессе горения образуются ионизированные продукты горения, то заряженные частицы стремятся быстро рекомбинировать, так что продукты горения теряют свою ионизацию. Таким образом, источник 42 ионизации предусмотрен для повышения ионизации и поддержания электронной плотности продуктов горения, проходящих через магнитное поле. Обычно, для того чтобы влияние магнитного поля было достаточным, требуется величина электронной плотности 1013 электронов на кубический сантиметр. Источником 42 ионизации может быть любое устройство, способное создавать дополнительную ионизацию, такое как электронная пушка, которая бомбардирует продукты горения дополнительными электронами, или РЧ-генератор, который дополнительно нагревает продукты горения, вследствие чего подавляется рекомбинация заряженных частиц. Предпочтительно источник 42 ионизации размещен на заднем конце обмотки 28 возбуждения электрического поля, хотя он также может быть размещен вдоль длины обмотки 28. Кроме того, во входной поток топливно-воздушной смеси может быть добавлена присадка в виде катализатора для повышения ионизации продуктов горения. Примеры подходящих катализаторов включают карбонат калия (порошок) и гидроксид цезия (аэрозоль).
Работа пульсирующего детонационного двигателя 10 начинается с заполнения камеры 14 сгорания зарядом топливно-воздушной смеси, вводимым через вход 20. Затем запитывается зажигатель 24 для детонирования топливно-воздушной смеси и генерации групп прямых и задних детонационных волн, как показано на фиг.1. Группа 32, 34 прямых волн распространяется вперед по трубе 12 и рассеивается с помощью системы 26 МГД управления потоком таким способом, как описано выше. Группа 36, 38 задних волн распространяется вниз по потоку от зоны детонации через заднюю часть трубы 12, которая обычно более длинная, как показано на фиг.2, поглощая топливно-воздушную смесь вдоль этого пути. По мере того, как задняя волна 36 давления, которая является волной сжатия, ускоряется при прохождении через камеру 14 сгорания, повышаются и температура, и давление. Когда группа 36, 38 задних волн достигает заднего конца 18 трубы 12, то горячие, находящиеся под высоким давлением продукты горения вытесняются из открытого заднего конца, создавая импульс силы тяги, направленный вперед. Затем задняя волна 36 давления отражается от заднего конца 18 в виде волны расширения, которая распространяется в направлении "назад" по трубе 12. Волна расширения понижает давление в камере 14 сгорания и далее вакуумирует трубу 12, так что свежий заряд топливно-воздушной смеси втягивается в камеру 14 сгорания из входа 20, тем самым подготавливая пульсирующий детонационный двигатель 10 к следующему циклу.
На фиг.3 показана альтернативная конфигурация для варианта, представленного на фиг.1 и фиг.2. В этой конструкции обмотка возбуждения электрического поля заменена парой электродов. А конкретно, альтернативная система 26' МГД управления потоком размещена между зоной детонации и топливно-воздушным входом (на фиг.3 не показано) трубы 12', которая имеет по существу прямоугольное поперечное сечение. Система 26' МГД управления потоком содержит пару магнитов 30', расположенных с противоположных сторон трубы 12' так, что в трубе 12' создается магнитное поле в направлении, перпендикулярном продольной оси трубы 12', как указано линиями В. Магниты 30' могут быть постоянными магнитами или электромагнитами. Пара электродов 28' расположена с противоположных сторон трубы 12' и перпендикулярно магнитам 30'. Как и ранее, детонация топливно-воздушной смеси в камере 14 сгорания будет приводить к тому, что группа детонационных волн будет распространяться в прямом направлении и в направлении заднего конца. Ионизированный поток, проходящий перпендикулярно через магнитное поле, созданное магнитами 30', индуцирует протекание электрического тока между электродами 28'. Энергия, отобранная для индуцирования электрического тока, рассеивает прямой фронт горения. В этой конструкции также может быть использована труба с осесимметричным поперечным сечением при условии, что ионизированный поток, магнитное поле и индуцированный ток направлены перпендикулярно по отношению друг к другу.
Обратимся теперь к фиг.4 и фиг.5, на которых показан пульсирующий детонационный двигатель 44, в котором использован второй вариант выполнения МГД управления потоком. Пульсирующий детонационный двигатель 44 включает трубу 12, имеющую заданную длину и определяющую внутреннюю камеру 14 сгорания. Труба 12 имеет открытый передний конец 16 и открытый задний конец 18.
Открытый передний конец 16 выполняет функцию топливно-воздушного входа 20 в трубу 12, а открытый задний конец 18 обеспечивает выход в окружающую среду. Топливно-воздушная смесь из источника 22 поступает в камеру сгорания через вход 20. У входа 20 размещены один или несколько источников 46 ионизации, так что только пары топлива из топливно-воздушной смеси становятся ионизированными при входе в камеру 14 сгорания. Подходящие источники ионизации включают электростатические решетки, к которым прикладывается напряжение, топливные реакционноспособные электроды с высокой электронной плотностью и др. Как и в первом варианте для повышения ионизации может добавляться в топливно-воздушную смесь присадка в виде подходящего катализатора. Когда топливно-воздушная смесь в камере 14 сгорания ионизирована в достаточной степени, тогда на нее оказывают воздействие магнитные поля.
В трубе 12 предусмотрен зажигатель 24, размещенный в некотором промежуточном месте между передним и задним концами 16, 18, а предпочтительно ближе к переднему концу 16, чем к заднему концу 18. Зажигатель 24 выделяет достаточную энергию для детонирования топливно-воздушной смеси в камере 14 сгорания. Область камеры 14 сгорания непосредственно вблизи зажигателя 24 называется здесь зоной детонации. Детонационное горение зависит от давления, температуры и эквивалентного соотношения топливно-воздушной смеси, а также от величины энергии, выделенной для поджига. При расположении зоны детонации ближе к переднему концу 16 большая часть длины трубы отводится для генерации силы тяги. Полная длина трубы 12 будет зависеть от требующейся рабочей частоты пульсирующего детонационного двигателя 44.
Система 48 МГД управления потоком расположена между зоной детонации и топливно-воздушным входом 20 для управления процессом детонации в передней части трубы 12. Система 48 МГД управления потоком содержит обмотку или обмотки 50 возбуждения магнитного поля, соединенные с устройством 52 управления в реальном времени, которое способно подключать источник энергии (не показан), так чтобы электрический ток протекал через обмотку 50. Устройство 52 управления также управляет зажигателем 24 и источниками 46 ионизации. Обмотка 50 возбуждения магнитного поля намотана снаружи вокруг трубы 12 в осевом участке, который находится между зажигателем 24 и топливно-воздушным входом 20. Таким образом, когда устройство 52 управления обеспечивает протекание электрического тока через обмотку 50, то в части трубы 12, вблизи обмотки 50 создается магнитное поле. Вследствие ионизации топлива в топливно-воздушной смеси, на заряженные частицы топлива будет непосредственно оказывать влияние обмотка 50 возбуждения магнитного поля, когда на нее подано напряжение. Следовательно, подача энергии на обмотку 50 возбуждения магнитного поля будет приводить к разделению топливно-воздушной смеси в части камеры 14 сгорания, окруженной обмоткой 50. Как показано на фиг.4 и фиг.5, это будет приводить к образованию в центре камеры 14 сгорания обогащенной топливом зоны, окруженной обедненной воздушной зоной.
Работа пульсирующего детонационного двигателя 44 начинается с заполнения камеры 14 сгорания зарядом топливно-воздушной смеси, вводимой через вход 20. Как упоминалось выше, источники 46 ионизации ионизируют топливно-воздушную смесь по мере ее поступления в камеру 14 сгорания. Обмотка 50 возбуждения магнитного поля не запитывается энергией в то время, когда камера 14 сгорания заполняется топливно-воздушной смесью, чтобы во всей камере 14 сгорания обеспечить наличие топливно-воздушной смеси, смешанной надлежащим образом. Затем устройство 52 управления запитывает зажигатель 24 для детонирования топливно-воздушной смеси. В то же самое время устройство 52 управления также запитывает обмотку 50 возбуждения магнитного поля, это приводит к тому, что топливно-воздушная смесь в области камеры 14 сгорания, которая окружена обмоткой 50, становится разделенной. При детонации топливно-воздушной смеси, как показано на фиг.4, будут образовываться группы прямых и задних детонационных волн. Группа прямых детонационных волн содержит прямую волну 32 давления и прямой фронт 34 горения, а группа задних детонационных волн содержит заднюю волну 36 давления и задний фронт 38 горения. Группа 32, 34 прямых волн распространяется вперед в трубе 12 к системе 48 МГД управления потоком. В этом месте прямой фронт 34 горения сталкивается с разделенными топливной и воздушной зонами. Разделение топлива и воздуха ограничивает процесс горения впереди зоны детонации, тем самым рассеивая прямой фронт 34 горения по мере его прохождения через систему 48 МГД управления потоком, как показано на фиг.5. Таким образом, система 48 МГД управления потоком управляет процессом прямой детонации путем рассеяния прямого фронта 34 горения, что препятствует его прохождению в топливно-воздушный источник 22. Как только прямой фронт 34 пламени рассеивается, подача электропитания на обмотку 50 прекращается.
Между тем, группа 36, 38 задних волн распространяется вниз по потоку от зоны детонации через как правило более длинную заднюю часть трубы 12, поглощая вдоль этого пути топливно-воздушную смесь. По мере того, как задняя волна 36 давления, которая является волной сжатия, ускоряется при прохождении через камеру 14 сгорания, повышаются температура и давление. Когда группа 36, 38 задних волн достигает заднего конца 18 трубы 12, горячие, находящиеся под высоким давлением продукты горения вытесняются из открытого заднего конца, создавая импульс силы тяги, направленный вперед. Задняя волна 36 давления отражается у заднего конца 18 как волна расширения, которая распространяется в направлении назад через трубу 12. Волна расширения понижает давление в камере 14 сгорания, так что свежий заряд топливно-воздушной смеси из входа 20 втягивается в камеру 14 сгорания, тем самым подготавливая пульсирующий детонационный двигатель 44 для следующего цикла. Устройство 52 управления настраивается так, чтобы запитывать зажигатель 24 и запитывать энергией обмотку 50 для возбуждения магнитного поля с требующейся частотой, которая согласуется с длительностью отражений волн давления.
Обратимся к фиг.6 и фиг.7, на которых показан третий вариант пульсирующего детонационного двигателя 54. В пульсирующем детонационном двигателе 54 используется гибридный подход МГД управления потоком, в котором объединяются методы отбора энергии и разделения топливно-воздушной смеси из вариантов, обсуждаемых выше. Конкретно, пульсирующий детонационный двигатель 54 включает трубу 12, имеющую заданную длину и определяющую внутреннюю камеру 14 сгорания. Труба 12 имеет открытый передний конец 16 и открытый задний конец 18. Открытый передний конец работает как топливно-воздушный вход 20 у трубы 12, а открытый задний конец 18 обеспечивает выход в окружающую среду. Топливно-воздушная смесь из источника 22 поступает в камеру сгорания через вход 20. На входе 20 размещены один или несколько источников ионизации 46, так чтобы топливно-воздушная смесь ионизировалась при поступлении в камеру 14 сгорания. Также в топливно-воздушную смесь добавлена присадка из подходящего катализатора, который может усиливать ионизацию топливно-воздушной смеси.
Зажигатель 24 размещен в трубе 12 в промежуточном положении между передним и задним концами 16, 18, предпочтительно ближе к переднему концу 16, чем к заднему концу 18. Зажигатель 24 выделяет достаточное количество энергии для детонации топливно-воздушной смеси в камере 14 сгорания. Область камеры 14 сгорания, находящаяся в непосредственной близости к зажигателю 24, называется здесь зоной детонации. Детонационное горение зависит от давления, температуры и эквивалентного соотношения топливно-воздушной смеси, а также от количества энергии, выделенной для поджига. При расположении зоны детонации ближе к переднему концу 16 большая часть длины трубы отводится для создания силы тяги. Полная длина трубы 12 будет зависеть от требующейся рабочей частоты пульсирующего детонационного двигателя 54.
Система 56 МГД управления потоком расположена между зоной детонации и топливно-воздушным входом 20 для управления процессом детонации в передней части трубы 12. Система 56 МГД управления потоком содержит обмотку 28 возбуждения пассивного электрического поля, намотанную снаружи трубы 12 в осевом участке, который находится между зажигателем 24 и топливно-воздушным входом 20. Пара электродов, расположенных с обеих сторон трубы 12, может использоваться как альтернатива для обмотки 28, как обсуждалось выше в связи с фиг.3. Обмотка 50 возбуждения активного магнитного поля также намотана снаружи вокруг трубы 12 в осевом участке, только впереди обмотки 28 возбуждения электрического поля и позади топливно-воздушного входа 20. Пара магнитов 30' размещена вблизи обмотки 28 возбуждения электрического поля и с противоположных сторон трубы 12, так чтобы в трубе 12 создавалось магнитное поле в направлении, перпендикулярном продольной оси трубы 12, как указано стрелками В. Магниты могут быть постоянными магнитами или электромагнитами.
Система 56 МГД управления потоком включает дополнительный источник 42 ионизации для повышения и/или поддержания ионизации образующихся после горения продуктов, проходящих через магнитное поле. Когда в результате процесса горения образуются ионизированные продукты горения, заряженные частицы стремятся быстро рекомбинировать так, чтобы продукты горения потеряли свою ионизацию. Таким образом, источник 42 ионизации предусмотрен для повышения степени ионизации и поддержания электронной плотности продуктов горения, проходящих через магнитное поле. Источник 42 ионизации предпочтительно расположен на заднем конце обмотки 28 возбуждения электрического поля, хотя он также может быть расположен вдоль длины обмотки 28.
Ионизированный, электропроводящий материал, проходящий перпендикулярно магнитному полю, созданному магнитами 30', будет вызывать генерацию электрического тока в обмотке 28 возбуждения электрического поля за счет электромагнитной индукции. Как показано на фиг.6 и фиг.7, обмотка 28 возбуждения электрического поля соединена с системой 40 управления режимом мощности, которая предусмотрена для подачи электрической мощности в соответствующие моменты времени на зажигатель 24, так чтобы электрическая мощность, вырабатываемая обмоткой 28 возбуждения электрического поля, могла использоваться для зарядки зажигателя 24. Кроме того, электрическая энергия могла бы использоваться для других целей, таких как запитка энергией источников 46 ионизации, дополнительного источника 42 ионизации или бортовых устройств, находящихся на транспортном средстве, которое приводится в движение пульсирующим детонационным двигателем 10.
Кроме того, система 40 управления режимом мощности работает как устройство управления в реальном времени, которое выборочно осуществляет подключение к источнику энергии (не показан) так, чтобы через обмотку 50 возбуждения магнитного поля протекал электрический ток. Когда система 40 управления режимом мощности обеспечивает протекание электрического тока через обмотку 50 возбуждения электрического тока, в части трубы 12, окруженной обмоткой 50, создается магнитное поле. Вследствие ионизации топливно-воздушной смеси на заряженные частицы топлива будет непосредственно оказывать влияние обмотка 50, когда к ней подведена энергия. Таким образом, подача электроэнергии на обмотку 50 возбуждения магнитного поля будет приводить к тому, что топливно-воздушная смесь в области камеры 14 сгорания, окруженной обмоткой 50, будет стремиться к разделению. Как показано на фиг.6 и фиг.7, это будет приводить к образованию в центре камеры 14 сгорания обогащенной топливной зоны, которая окружена обедненной воздушной зоной. Система 40 управления режимом мощности также управляет источниками 46 ионизации и дополнительным источником 42 ионизации.
Работа пульсирующего детонационного двигателя 54 начинается с заполнения камеры 14 сгорания зарядом топливно-воздушной смеси, вводимой через вход 20. Как упоминалось выше, источники 46 ионизации ионизируют топливно-воздушную смесь по мере того, как она поступает в камеру 14 сгорания. Когда камера 14 сгорания заполняется, то на обмотку 50 возбуждения магнитного поля электропитание не подается, чтобы обеспечить возможность получения во всей камере 14 сгорания топливно-воздушной смеси, которая смешана надлежащим образом. Затем система 40 управления режимом мощности подает питание на зажигатель 24 для детонирования топливно-воздушной смеси. В это же время система 40 управления режимом мощности подает питание на обмотку 50 возбуждения магнитного поля, вызывая разделение топливно-воздушной смеси в области камеры 14 сгорания, которая окружена обмоткой 50.
При детонации топливно-воздушной смеси, как показано на фиг.6, будет образовываться группа прямых и задних детонационных волн. Группа прямых детонационных волн содержит прямую волну 32 давления и прямой фронт 34 горения, а группа задних детонационных волн содержит заднюю волну 36 давления и задний фронт 38 горения. Группа 32, 34 прямых волн распространяется вперед в трубе 12 к системе 56 МГД управления потоком. Когда электропроводящий поток группы 32, 34 прямых волн проходит перпендикулярно через магнитное поле, созданное магнитами 30', то в обмотке 28 возбуждения электрического поля генерируется электрический ток за счет электромагнитной индукции. Энергия, отбираемая из группы 32, 34 прямых волн, по меньшей мере частично рассеивает прямой фронт 34 горения, как показано на фиг.7. По мере того, как группа 32, 34 рассеянных прямых волн продолжает продвигаться вперед, она сталкивается с разделенными топливной и воздушной зонами. Разделение топлива и воздуха гасит процесс горения впереди детонационной зоны, тем самым полностью рассеивая прямой фронт 34 горения. Таким образом, система 56 МГД управления потоком управляет процессом прямой детонации за счет отбора мощности у группы 32, 34 прямых волн и затем гашения прямого фронта 34 горения. Это предотвращает проникновение прямого фронта 34 горения в топливно-воздушный источник 22. Как только прямой фронт 34 горения рассеивается, то обмотка 50 отключается от электропитания.
Между тем, группа 36, 38 задних волн распространяется вниз по потоку от зоны детонации через как правило более длинную заднюю часть трубы 12, поглощая вдоль этого пути топливно-воздушную смесь. По мере того, как задняя волна 36 давления, которая является волной сжатия, ускоряется при прохождении через камеру 14 сгорания, повышаются температура и давление. Когда группа 36, 38 задних волн достигает заднего конца 18 трубы 12, горячие продукты горения, находящиеся под высоким давлением, вытесняются из открытого заднего конца, создавая импульс силы тяги, направленной вперед. Задняя волна 36 давления отражается на заднем конце 18 в виде волны расширения, которая распространяется назад через трубу 12. Волна расширения понижает давление в камере 14 сгорания, так что свежий заряд топливно-воздушной смеси из входа 20 втягивается в камеру 14 сгорания, тем самым подготавливая пульсирующий детонационный двигатель 54 для следующего цикла. Устройство 52 управления настраивается так, чтобы поджиг зажигателя 24 и подача электропитания на обмотку 50 возбуждения магнитного поля осуществлялись с требующейся частотой, которая согласуется с длительностью отражений волн давления.
Выше описаны различные системы МГД управления потоком для пульсирующих детонационных двигателей. Для этих систем управления потоком не требуется подвижных частей и, следовательно, они в высокой степени надежны и способны работать при чрезвычайно высоких частотах. Они также легко управляются с помощью электронных средств. Несмотря на то, что описаны были конкретные варианты выполнения настоящего изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что могут быть выполнены различные их модификации, не выходя за пределы сущности и объема изобретения, как оно определено в прилагаемой формуле.
1. Пульсирующий детонационный двигатель (10, 44, 54), содержащий трубу (12), имеющую открытый передний конец (16) и открытый задний конец (18); зажигатель (24), расположенный в трубе (12) в месте, находящемся между передним концом (16) и задним концом (18);
топливно-воздушный вход (20), выполненный в трубе (12) на переднем конце (16), и систему (26, 48, 56) магнитогидродинамического управления потоком, расположенную между зажигателем (24) и топливно-воздушным входом (20) для управления детонацией в трубе (12) впереди зажигателя (24).
2. Пульсирующий детонационный двигатель по п.1, в котором зажигатель (24) расположен ближе к переднему концу (16), чем к заднему концу (18).
3. Пульсирующий детонационный двигатель по п.1, в котором система (26, 48, 56) магнитогидродинамического управления потоком включает обмотку (28) возбуждения электрического поля, намотанную вокруг трубы (12) в месте, находящемся между зажигателем (24) и топливно-воздушным входом (20), и средство (30) для создания магнитного поля в трубе (12), благодаря чему детонация топливно-воздушной смеси в трубе (12) будет приводить к протеканию ионизированных продуктов горения через магнитное поле и генерации электрического тока в обмотке (28) возбуждения электрического поля.
4. Пульсирующий детонационный двигатель по п.3, в котором средство (30) для создания магнитного поля представляет собой пару постоянных магнитов (30'), расположенных с противоположных сторон трубы (12).
5. Пульсирующий детонационный двигатель по п.3, дополнительно содержащий средства (40, 52) для направления электрического тока в зажигатель (24).
6. Пульсирующий детонационный двигатель по п.3, дополнительно содержащий средства (42) для дополнительной ионизации продуктов горения впереди зажигателя (24).
7. Пульсирующий детонационный двигатель по п.1, в котором система (26, 48, 56) магнитогидродинамического управления потоком включает пару электродов (28'), расположенных с противоположных сторон трубы (12) в месте, находящемся между зажигателем (24) и топливно-воздушным входом (20), и средство (30) для создания магнитного поля в трубе (12), благодаря чему детонация топливно-воздушной смеси в трубе (12) будет приводить к протеканию ионизированных продуктов горения через магнитное поле и генерации электрического тока между электродами (28').
8. Пульсирующий детонационный двигатель по п.7, в котором средство (30) для создания магнитного поля представляет собой пару постоянных магнитов (30'), расположенных с противоположных сторон трубы (12) и перпендикулярно электродам (28').
9. Пульсирующий детонационный двигатель по п.7, дополнительно содержащий средства (40, 52) для направления электрического тока в зажигатель (24).
10. Пульсирующий детонационный двигатель по п.7, дополнительно содержащий средства (42) для дополнительной ионизации продуктов горения впереди зажигателя (24).
11. Пульсирующий детонационный двигатель по п.1, дополнительно содержащий средство (46) для ионизации топливно-воздушной смеси, поступающей в трубу (12) через топливно-воздушный вход (20), и в котором система (26, 48, 56) магнито-гидродинамического управления потоком включает обмотку (50) возбуждения магнитного поля, намотанную вокруг трубы (12) в месте, находящемся между зажигателем (24) и топливно-воздушным входом (20).
12. Пульсирующий детонационный двигатель по п.11, дополнительно содержащий устройство (52) управления для осуществления протекания электрического тока через обмотку (50) возбуждения магнитного поля так, чтобы в трубе (12) создавалось магнитное поле, которое вызывает разделения топливно-воздушной смеси.
13. Пульсирующий детонационный двигатель по п.12, в котором система (26, 48, 56) магнитогидродинамического управления потоком дополнительно включает обмотку (28) возбуждения электрического поля, намотанную вокруг трубы (12) в месте, находящемся между зажигателем (24) и топливно-воздушным входом (20), и средство (30) для создания другого магнитного поля в трубе (12) вблизи обмотки (28) возбуждения электрического поля.
14. Пульсирующий детонационный двигатель по п.12, в котором система (26, 48, 56) магнитогидродинамического управления потоком дополнительно включает пару электродов (28'), расположенных с противоположных сторон трубы (12) в месте, находящемся между зажигателем (24) и топливно-воздушным входом (20), и средство (30) для создания другого магнитного поля в трубе (12) вблизи электродов (28').
15. Пульсирующий детонационный двигатель, содержащий трубу (12), имеющую открытый передний конец (16) и открытый задний конец (18); топливно-воздушный вход (20), выполненный в трубе (12) на переднем конце (16), для ввода топливно-воздушной смеси в трубу (12); зажигатель (24), расположенный в трубе (12) в месте, находящемся между передним концом (16) и задним концом (18), для детонирования топливно-воздушной смеси в трубе (12) так, чтобы создавать группу прямых детонационных волн, содержащую прямую волну (32) давления и прямой фронт (34) горения, и группу задних детонационных волн, содержащую заднюю волну (36) давления и задний фронт (38) горения; систему (26, 48, 56) магнитогидродинамического управления потоком, расположенную между зажигателем (24) и топливно-воздушным входом (20), для рассеяния прямого фронта (34) горения.
16. Пульсирующий детонационный двигатель по п.15, в котором зажигатель (24) расположен ближе к переднему концу (16), чем к заднему концу (18).
17. Пульсирующий детонационный двигатель по п.15, в котором система (26, 48, 56) магнитогидродинамического управления потоком включает обмотку (28) возбуждения электрического поля, намотанную вокруг трубы (12) в месте, находящемся между зажигателем (24) и топливно-воздушным входом (20), и средство (30) для создания магнитного поля в трубе (12), благодаря чему детонация топливно-воздушной смеси в трубе (12) будет приводить к протеканию ионизированных продуктов горения через магнитное поле и генерации электрического тока в обмотке (28) возбуждения электрического поля, так что прямой фронт (34) горения будет рассеиваться.
18. Пульсирующий детонационный двигатель по п.17, в котором средство (30) для создания магнитного поля представляет собой пару постоянных магнитов (30'), расположенных с противоположных сторон трубы (12).
19. Пульсирующий детонационный двигатель по п.17, дополнительно содержащий средства (40, 52) для направления электрического тока в зажигатель (24).
20. Пульсирующий детонационный двигатель по п.17, дополнительно содержащий средства (42) для дополнительной ионизации продуктов горения впереди зажигателя (24).
21. Пульсирующий детонационный двигатель по п.15, в котором система (26, 48, 56) магнитогидродинамического управления потоком включает пару электродов (28'), расположенных с противоположных сторон трубы (12) в месте, находящемся между зажигателем (24) и топливно-воздушным входом (20), и средство (30) для создания магнитного поля в трубе (12), благодаря чему детонация топливно-воздушной смеси в трубе (12) будет приводить к протеканию ионизированных продуктов горения через магнитное поле и генерации электрического тока между электродами (28'), так что прямой фронт (34) горения будет рассеиваться.
22. Пульсирующий детонационный двигатель по п.21, в котором средство (30) для создания магнитного поля представляет собой пару постоянных магнитов (30'), расположенных с противоположных сторон трубы (12) и перпендикулярно электродам (28').
23. Пульсирующий детонационный двигатель по п.21, дополнительно содержащий средства (40, 52) для направления электрического тока в зажигатель (24).
24. Пульсирующий детонационный двигатель по п.21, дополнительно содержащий средства (42) для дополнительной ионизации продуктов горения впереди зажигателя (24).
25. Пульсирующий детонационный двигатель по п.15, дополнительно содержащий средство (46) для ионизации топливно-воздушной смеси, поступающей в трубу (12) через топливно-воздушный вход (20), в котором система (26, 48, 56) магнито-гидродинамического управления потоком включает обмотку (50) возбуждения магнитного поля, намотанную вокруг трубы (12) в месте, находящемся между зажигателем (24) и топливно-воздушным входом (20).
26. Пульсирующий детонационный двигатель по п.25, дополнительно содержащий устройство (52) управления для осуществления протекания электрического тока через обмотку (50) возбуждения магнитного поля так, чтобы в трубе (12) создавалось магнитное поле, вызывающее разделение топливно-воздушной смеси, что приводит к рассеянию прямого фронта (34) горения.
27. Пульсирующий детонационный двигатель по п.26, в котором система (26, 48, 56) магнитогидродинамического управления потоком дополнительно включает обмотку (28) возбуждения электрического поля, намотанную вокруг трубы (12) в месте, находящемся между зажигателем (24) и топливно-воздушным входом (20), и средство (30) для создания другого магнитного поля в трубе (12) вблизи этой обмотки (28) возбуждения электрического поля.
28. Пульсирующий детонационный двигатель по п.26, в котором система (26, 48, 56) магнитогидродинамического управления потоком дополнительно включает пару электродов (28'), расположенных с противоположных сторон трубы (12) в месте, находящемся между зажигателем (24) и топливно-воздушным входом (20), и средство (30) для создания другого магнитного поля в трубе (12) вблизи электродов (28').
29. Способ управления детонацией в трубе впереди зажигателя в пульсирующем детонационном двигателе (10, 44, 54), содержащем трубу (12), имеющую передний конец (16) и задний конец (18), и зажигатель (24), расположенный в трубе (12) в месте, находящемся между передним концом (16) и задним концом (18), включающий заполнение трубы (12) топливно-воздушной смесью; детонирование топливно-воздушной смеси так, чтобы создавались группа прямых детонационных волн, содержащая прямую волну (32) давления и прямой фронт (34) горения, и группу задних детонационных волн, содержащую заднюю волну (36) давления и задний фронт (38) горения; создание магнитного поля впереди зажигателя (24) для рассеяния прямого фронта (34) горения.
30. Способ по п.29, дополнительно включающий ионизацию топливно-воздушной смеси.
