прямоточный воздушно-реактивный двигатель со сверхзвуковым горением, используемое в нем теплообменное панельное устройство и сверхзвуковой летательный аппарат, снабженный указанным двигателем

Формула изобретения

1. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель со сверхзвуковым горением, содержащий верхнюю ограничивающую стенку, нижнюю ограничивающую стенку и боковые стенки, образующие внутренний проход газового потока и снабженные каналами охлаждения, отличающийся тем, что упомянутые верхняя ограничивающая стенка, нижняя ограничивающая стенка и боковые стенки образованы группой пустотелых теплообменных панелей, каждая из которых содержит группу соединенных друг с другом конструктивных панелей и облицовочный лист, причем каналы охлаждения выполнены в конструктивных панелях, а облицовочный лист соединен с каждой из конструктивных панелей по площадкам между каналами охлаждения соответствующей конструктивной панели.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый упомянутый облицовочный лист соединен с соответствующей конструктивной панелью посредством сварки.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый упомянутый облицовочный лист соединен с соответствующей конструктивной панелью вакуумной пайкой.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый упомянутый облицовочный лист соединен с соответствующей конструктивной панелью пайкой методом "бегущей волны".

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая упомянутая конструктивная панель приварена к каждой смежной конструктивной панели единым сварочным швом, расположенным в углу упомянутой теплообменной панели.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая упомянутая конструктивная панель соединена с каждой смежной конструктивной панелью посредством фланцев и болтов и дополнительно содержит ребра жесткости, выполненные из листового металла и присоединенные к упомянутым теплообменным панелям сваркой или пайкой.

7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит коллекторы хладагента, соединенные с упомянутыми теплообменными панелями, причем упомянутые коллекторы хладагента включают в себя впускной коллектор и выпускной коллектор, связанные с каждой упомянутой теплообменной панелью и средствами подачи топлива в упомянутый впускной коллектор и отвода нагретого топлива из упомянутого выпускного коллектора.

8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит элементы передней кромки, прикрепленные к упомянутым теплообменным панелям.

9. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что каждый упомянутый элемент передней кромки выполнен из композиционного материала, выбранного из группы, состоящей из композиционного материала на основе углеродного волокна и карбонизированной матрицы, и композиционного материала на основе углеродного волокна и матрицы из карбида кремния.

10. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что каждый упомянутый элемент передней кромки образован металлическим элементом с активным охлаждением.

11. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что упомянутые теплообменные панели сварены друг с другом с образованием области воздухозаборника, области камеры сжатия, области пусковой камеры, области камеры сгорания и области сопла и дополнительно содержат средства подачи топлива в упомянутую область пусковой камеры.

12. Двигатель по п.11, отличающийся тем, что упомянутая область камеры сгорания и упомянутая область сопла имеют контуры, которые аппроксимируются параболическими кривыми.

13. Теплообменное панельное устройство для использования в прямоточном воздушно-реактивном двигателе со сверхзвуковым горением, снабженное каналами охлаждения, отличающееся тем, что оно содержит группу конструктивных панелей, расположенных с образованием пустотелой конструкции и соединенных друг с другом, и облицовочный лист, причем каналы охлаждения выполнены механической обработкой в конструктивных панелях, а облицовочный лист соединен с каждой из конструктивных панелей по площадкам между каналами охлаждения соответствующей конструктивной панели.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что каждая упомянутая конструктивная панель сварена со смежными конструктивными панелями единым швом лазерной сварки в углу упомянутой пустотелой конструкции.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что облицовочный лист соединен с соответствующими конструктивными панелями посредством сварки.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что каждая конструктивная панель и каждый облицовочный лист выполнены из теплостойкого, высокопрочного, пластичного металлического материала.

17. Сверхзвуковой летательный аппарат, снабженный прямоточным воздушно-реактивным двигателем со сверхзвуковым горением, содержащим область воздухозаборника, область камеры сжатия, область пусковой камеры, область камеры сгорания и область сопла, причем стенки упомянутого двигателя, образующие в нем внутренний проход газового потока, снабжены каналами охлаждения газового потока при его движении через упомянутые области посредством подачи в упомянутые каналы топлива, отличающийся тем, что упомянутые стенки выполнены в виде пустотелых теплообменных панелей, каждая из которых образована группой соединенных друг с другом конструктивных панелей и облицовочным листом, причем каналы охлаждения выполнены в конструктивных панелях, а облицовочный лист соединен с каждой из конструктивных панелей по площадкам между каналами охлаждения соответствующей конструктивной панели.

18. Летательный аппарат по п.17, отличающийся тем, что он является реактивным снарядом.

19. Летательный аппарат по п.17, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ребра жесткости, присоединенные к конструктивным панелям с противоположной стороны от облицовочных листов.

20. Летательный аппарат по п.17, отличающийся тем, что он дополнительно содержит композиционную переднюю кромку, прикрепленную к упомянутой области воздухозаборника и выполненную из материала, выбранного из группы, состоящей из композиционного материала на основе углеродного волокна и карбонизированной матрицы, и композиционного материала на основе углеродного волокна и матрицы из карбида кремния.

21. Летательный аппарат по п.17, отличающийся тем, что он имеет фюзеляж, а упомянутый прямоточный воздушно-реактивный двигатель со сверхзвуковым горением имеет средства крепления к упомянутому фюзеляжу и активно охлаждаемые элементы передней кромки, прикрепленные к упомянутой области воздухозаборника.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к недорогому, обладающему малым полетным весом прямоточному воздушно-реактивному двигателю со сверхзвуковым горением и теплообменному панельному устройству, используемому в этом двигателе.

Правительство Соединенных Штатов Америки обладает правами на данное изобретение в соответствии с Контрактом № F33615-96-C-2694, выданным Управлением ВВС США.

Уровень техники

В отличие от обычного реактивного двигателя, в котором для охлаждения двигателя используется сравнительно холодный воздух от вентилятора или компрессора, прямоточной воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) со сверхзвуковым горением (scram jet engine) такими компонентами не обладает. Любой наружный воздух, попадающий в двигатель, благодаря своей высокой скорости, более чем пятикратно превышающей скорость звука, слишком горяч, чтобы использоваться в качестве хладагента. Для решения этой проблемы в теплоотводящих ПВРД со сверхзвуковым горением для поглощения тепла используются сплошные медные или стальные стенки, но это плохо подходит для длительного полета из-за их большого веса и малого времени работы. Другим решением является использование в качестве теплоотвода топлива для двигателя. Однако, несмотря на наличие такого решения, существует потребность в ПВРД со сверхзвуковым горением, который лучше приспособлен для преодоления высоких тепловых нагрузок и сопутствующих температурных деформаций.

Из публикации FR 2706948 известно конструктивное решение ПВРД и его теплообменного панельного устройства, которое рассматривается в качестве ближайшего аналога соответствующих объектов изобретения. Согласно этому решению прямоточный воздушно-реактивный двигатель со сверхзвуковым горением, содержащий верхнюю ограничивающую стенку, нижнюю ограничивающую стенку и боковые стенки, образующие внутренний проход газового потока, снабжен каналами охлаждения. Недостатком известного решения является выполнение каналов охлаждения отдельно от конструктивных (силовых) панелей теплообменного панельного устройства, что утяжеляет конструкцию двигателя.

Из публикации US 3535882 известно решение сверхзвукового летательного аппарата, который рассматривается в качестве ближайшего аналога заявленного летательного аппарата. В частности, известный летательный аппарат снабжен прямоточным воздушно-реактивным двигателем со сверхзвуковым горением, содержащим область воздухозаборника, область камеры сжатия, область пусковой камеры, область камеры сгорания и область сопла. В публикации US 3535882 предусмотрена возможность снабжения стенок двигателя, образующих в нем внутренний проход газового потока, каналами охлаждения газового потока при его движении через упомянутые области посредством подачи в упомянутые каналы топлива, однако не предложено решений, которые позволили бы интегрировать такие каналы охлаждения и конструктивные элементы двигателя.

Сущность изобретения

В соответствии с этим, задачей настоящего изобретения является создание недорогого, обладающего малым полетным весом ПВРД со сверхзвуковым горением.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание упомянутого выше ПВРД со сверхзвуковым горением, который выдерживает высокие тепловые нагрузки.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного теплообменного панельного устройства (теплообменной панели) для использования в ПВРД со сверхзвуковым горением.

Приведенные выше задачи достигаются в ПВРД со сверхзвуковым горением, имеющем конструкцию в соответствии с настоящим изобретением. В соответствии с вышеперечисленными задачами техническим результатом изобретения является оптимизация конструкции панелей с точки зрения их прочностных и весовых характеристик при обеспечении высокой эффективности теплообмена, достигаемая за счет выполнения каналов охлаждения в конструктивных панелях двигателя, то есть в его силовых элементах. Тем самым изобретение позволяет соединить воедино охлаждающий тракт двигателя и его конструктивные панели таким образом, чтобы выполнением каналов охлаждения можно было снизить вес панелей и одновременно целенаправленно влиять на прочностные характеристики панелей с учетом преобладающих нагрузок, воспринимаемых панелями.

В соответствии с настоящим изобретением, ПВРД со сверхзвуковым горением в основном содержит верхнюю ограничивающую стенку, нижнюю ограничивающую стенку и несколько боковых стенок, которые образуют внутренний проход газового (воздушного) потока. Вышеперечисленные стенки снабжены каналами охлаждения. Отличие предложенного ПВРД от его ближайшего аналога заключается в том, что верхняя ограничивающая стенка, нижняя ограничивающая стенка и боковые стенки образованы группой теплообменных панелей. Каждая теплообменная панель содержит группу конструктивных панелей, соединенных друг с другом, и облицовочный лист. Каналы охлаждения выполнены в конструктивных панелях, а облицовочный лист соединен с каждой из конструктивных панелей по площадкам между каналами охлаждения соответствующей конструктивной панели.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения облицовочный лист может быть соединен с соответствующей конструктивной панелью посредством сварки и выполнен из теплостойкого, высокопрочного, пластичного металлического материала. Облицовочный лист может быть также соединен с соответствующей конструктивной панелью вакуумной пайкой или пайкой методом "бегущей волны". Каждая конструктивная панель может быть приварена к каждой смежной конструктивной панели единым сварочным швом, расположенным в углу упомянутой теплообменной панели, с образованием области воздухозаборника, области камеры сжатия, области пусковой камеры, области камеры сгорания и области сопла, причем конструктивные панели дополнительно содержат средства подачи топлива в упомянутую область пусковой камеры. Или каждая конструктивная панель может быть соединена с каждой смежной конструктивной панелью посредством фланцев и болтов и дополнительно содержит ребра жесткости, выполненные из листового металла и присоединенные к упомянутым теплообменным панелям сваркой или пайкой.

Упомянутый ПВРД предпочтительно содержит коллекторы хладагента, соединенные с теплообменными панелями, причем упомянутые коллекторы хладагента включают в себя впускной коллектор и выпускной коллектор, связанные с каждой теплообменной панелью и средствами подачи топлива во впускной коллектор и отвода нагретого топлива из выпускного коллектора. Кроме того, упомянутый ПВРД дополнительно содержит элементы передней кромки, прикрепленные к упомянутым теплообменным панелям и выполненные из композиционного материала, выбранного из группы, состоящей из композиционного материала на основе углеродного волокна и карбонизированной матрицы и композиционного материала на основе углеродного волокна и матрицы из карбида кремния, или каждый элемент передней кромки образован металлическим элементом с активным охлаждением.

Предпочтительно, чтобы упомянутые область камеры сгорания и область сопла имели контуры, которые аппроксимируются параболическими кривыми.

Приведенные выше задачи также достигаются посредством использования в упомянутом ПВРД теплообменного панельного устройства, снабженного каналами охлаждения. Отличие предложенного теплообменного панельного устройства от его ближайшего аналога состоит в том, что оно содержит группу конструктивных панелей, расположенных с образованием пустотелой конструкции и соединенных друг с другом, и облицовочный лист. При этом каналы охлаждения выполнены механической обработкой в конструктивных панелях, а облицовочный лист соединен с каждой из конструктивных панелей по площадкам между каналами охлаждения соответствующей конструктивной панели.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения каждая конструктивная панель может быть сварена со смежными конструктивными панелями единым швом лазерной сварки в углу упомянутой пустотелой конструкции.

Предложенный сверхзвуковой летательный аппарат, в частности реактивный снаряд, снабжен прямоточным воздушно-реактивным двигателем со сверхзвуковым горением, содержащим область воздухозаборника, область камеры сжатия, область пусковой камеры, область камеры сгорания и область сопла. Причем стенки упомянутого двигателя, образующие в нем внутренний проход газового потока, снабжены каналами охлаждения газового потока при его движении через упомянутые области посредством подачи в упомянутые каналы топлива. Отличие предложенного летательного аппарата от его ближайшего аналога заключается в том, что упомянутые стенки выполнены в виде пустотелых теплообменных панелей, каждая из которых образована группой соединенных друг с другом конструктивных панелей и облицовочным листом. При этом каналы охлаждения выполнены в конструктивных панелях, а облицовочный лист соединен с каждой из конструктивных панелей по площадкам между каналами охлаждения соответствующей конструктивной панели.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения летательный аппарат имеет фюзеляж, а упомянутый ПВРД имеет средства крепления к упомянутому фюзеляжу и активно охлаждаемые элементы передней кромки, прикрепленные к упомянутой области воздухозаборника, а также дополнительно содержит ребра жесткости, присоединенные конструктивным панелям с противоположной стороны от облицовочных листов.

Другие подробности конструкции ПВРД со сверхзвуковым горением в соответствии с настоящим изобретением, а также другие его цели и преимущества приведены ниже в подробном описании и приложенных чертежах.

Перечень чертежей и иных материалов

На фиг.1 схематически представлен летательный аппарат с прикрепленным к нему ПВРД со сверхзвуковым горением.

На фиг.2 приведено аксонометрическое изображение ПВРД со сверхзвуковым горением в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 приведен вид сечения ПВРД со сверхзвуковым горением, показанного на фиг.2.

На фиг.4 приведен вид сечения воздухозаборника ПВРД со сверхзвуковым горением, показанного на фиг.2.

На фиг.5 схематически изображен внутренний проход потока ПВРД со сверхзвуковым горением, показанного на фиг.2.

На фиг.6 представлен вид поперечного сечения теплообменной панели, используемой в ПВРД со сверхзвуковым горением в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.7 представлена в увеличенном масштабе угловая секция теплообменной панели, показанной на фиг.6.

На фиг.8 представлен вид сечения области камеры сгорания и области сопла ПВРД со сверхзвуковым горением.

На фиг.9 представлена в увеличенном масштабе угловая секция другого варианта выполнения теплообменной панели.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 изображен сверхзвуковой летательный аппарат 10, который может быть пилотируемым, либо беспилотным, либо ракетным снарядом, использующий для приведения в движение ПВРД 12 со сверхзвуковым горением, прикрепленный к фюзеляжу 11 летательного аппарата средствами крепления.

Более подробно ПВРД 12 со сверхзвуковым горением показан на фиг.2-5 и 8. Как показано на этих чертежах, ПВРД 12 со сверхзвуковым горением имеет верхнюю ограничивающую стенку 14, нижнюю ограничивающую стенку 16 и две боковые стенки 18. Стенки 14, 16 и 18 образуют внутренний проход 20 потока (газового). Как показано на фиг.3 и 8, проход 20 потока включает область 22 воздухозаборника, область 24 камеры сжатия, область 25 пусковой камеры, область 26 камеры сгорания и область 28 сопла.

Верхняя ограничивающая стенка 14, нижняя ограничивающая стенка 16 и боковые стенки 18 образованы группой пустотелых (имеющих внутренний проход) теплообменных панельных устройств или теплообменных панелей 30 (панелей теплообменника), форма внутренних поверхностей 32 которых такова, что образуются упомянутые выше области. Теплообменные панели 30 скрепляются друг с другом с использованием любых известных подходящих способов. В предпочтительном варианте выполнения, смежные теплообменные панели 30 скрепляются либо сваркой, либо болтами с использованием фланцев.

Как показано на фиг.6 и 7, пустотелые теплообменные панели 30 образованы конструктивными (несущими) панелями 34, в которых имеются каналы 36 охлаждения. Каналы 36 охлаждения в конструктивных панелях 30 могут быть выполнены механической обработкой, например, с использованием водоструйной технологии. Далее, на каждой из конструктивных панелей 34 имеются соединенные с ней облицовочные листы 38. Каждый из облицовочных листов 38 в предпочтительном варианте выполнения приварен лазерной сваркой к соответствующей конструктивной панели 34 на площадках 40 между каналами 36. Хотя в предпочтительном варианте выполнения прикрепление облицовочного листа 38 к конструктивным панелям 34 выполняется лазерной сваркой, вместо сварки возможно использование и иных способов крепления, включая пайку методом "бегущей волны" и вакуумную пайку, а также других способов.

Как показано на фиг.7, теплообменная панель 30 может иметь угловые сварные швы 41 для соединения смежных конструктивных панелей 34. В предпочтительном варианте выполнения угловой сварной шов 41 содержит единый шов лазерной сварки. Сварные швы 41 герметизируют внутренний проход потока по углам 43. При этом каналы 36 охлаждения могут располагаться вблизи образующихся таким образом угловых соединений.

При необходимости, для соединения смежных конструктивных панелей может использоваться конструкция с фланцами и болтами, как показано на фиг.9.

Конструктивные панели 34 и облицовочные листы 38 могут быть выполнены из известных сравнительно недорогих, термостойких, высокопрочных и пластичных материалов, обладающих большим удлинением. Например, панели 34 и облицовочные листы 38 могут быть выполнены из Инконеля 625.

Для повышения прочности к поверхности 44 одной или более конструктивных панелей 34 могут быть присоединены ребра 42 жесткости (облицовочные листы 38 присоединены к одной поверхности конструктивных панелей 34, а ребра 42 жесткости - к другой поверхности конструктивных панелей 34). Ребра 42 жесткости могут быть выполнены в форме фигурных металлических листов, идентичных или сходных по свойствам с материалом, образующим панели 34. Ребра жесткости 42 могут быть прикреплены к панели(ям) 34 любым известным походящим способом, в предпочтительном варианте выполнения путем сварки или пайки.

Каждая теплообменная панель 30 дополнительно содержит коллекторы хладагента, например интегрированные в нее впускной коллектор 46 и выпускной коллектор 48, связанные с каждой теплообменной панелью 30 и средствами подачи топлива во впускной коллектор и отвода нагретого топлива из выпускного коллектора. В частности, во впускной коллектор 46 топливо подается через трубопроводы 45, затем топливо проходит по каналам 36, выполняя роль хладагента (т.е. каналы 36 являются каналами охлаждения посредством подачи топлива и использования упомянутого топлива для охлаждения воздуха, протекающего через упомянутые области). Нагретое топливо затем попадает в выходной коллектор 48, откуда оно возвращается через трубопроводы 47 в топливный резервуар или бак (не показан). Нагретое топливо в итоге подается в область 25 пусковой камеры. Несмотря на то, что впускной коллектор 46 показан расположенным на передней кромке теплообменной панели 30, а выпускной коллектор 48 показан расположенным на задней кромке панели 30, впускной и выпускной коллекторы 46 и 48 могут быть расположены в любом месте панели 30. Например, впускной коллектор 46 может быть расположен на задней кромке панели 30, а выпускной коллектор 48 может быть расположен на передней кромке панели 30. С другой стороны, коллекторы 46 и 48 оба могут быть расположены во внутренней области панели 30.

ПВРД 12 также имеет элементы 50 передних кромок. В предпочтительном варианте выполнения элементы передних кромок изготавливаются из композиционного материала, например композиционного материала на основе углеродного волокна и карбонизированной матрицы или на основе углеродного волокна и матрицы из карбида кремния. Такие элементы 50 передних кромок работают без охлаждения, чем обеспечивается конструктивно более простое решение обеспечения работы при высоких температурах торможения (потока), чем с активно охлаждаемыми металлическими передними кромками. Однако при необходимости в качестве элементов 50 передних кромок могут использоваться и активно охлаждаемые передние кромки (с металлическими элементами с активным охлаждением).

У ПВРД также имеются узлы 52 крепления двигателя для прикрепления ПВРД 12 со сверхзвуковым горением к фюзеляжу 11 летательного аппарата. Для прикрепления ПВРД 12 со сверхзвуковым горением к летательному аппарату 10 посредством узлов 52 крепления могут быть использованы любые известные подходящие средства.

При работе ПВРД 12 со сверхзвуковым горением воздух входит в область 22 воздухозаборника и сжимается в области 24 камеры сжатия в результате сужения прохода потока в этой области. Сжатый воздух затем поступает в область 25 пусковой камеры, где в воздух впрыскивается топливо. Для впрыска топлива в воздух в область 25 пусковой камеры могут быть использованы любые известные подходящие средства подачи топлива в область пусковой камеры. Затем топливо воспламеняется в области 26 камеры сгорания. На высоких скоростях топливо будет самовоспламеняться. На пониженных скоростях для воспламенения воздушно-топливной смеси могут быть использованы один или два воспламенителя (не показаны), установленные в области 26 камеры сгорания. Находящийся под высоким давлением воздух выбрасывается из ПВРД 12 через область 28 сопла, создавая тягу.

Как показано на фиг.3, 5 и 8, область 26 камеры сгорания и область 28 сопла могут иметь простые очертания прохода потока, когда параболические кривые аппроксимируются отрезком прямой линии 90 и дуги 92 окружности.

ПВРД со сверхзвуковым горением в соответствии с настоящим изобретением может использоваться с самыми разными летательными аппаратами. Например, ПВРД со сверхзвуковым горением может быть использован в ракетном снаряде.

Преимуществом ПВРД со сверхзвуковым горением является его малый вес и низкая стоимость конструкции. Это последнее преимущество связано с тем, что ПВРД со сверхзвуковым горением выполнен из относительно недорогих и имеющихся на рынке материалов и не требует высокой точности изготовления.

Очевидно, что в соответствии с настоящим изобретением предложена конструкция ПВРД со сверхзвуковым горением, в которой полностью достигаются поставленные задачи, а также реализуются описанные средства и преимущества. Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано на конкретном примере его выполнения, для специалистов, ознакомившихся с приведенным описанием, будут очевидны и другие его альтернативы, модификации и варианты. Соответственно, изобретение охватывает все альтернативы, модификации и варианты, попадающие в широкую область притязаний приложенной формулы.