RU2601690C2

RU2601690C2 - Aircraft power unit

Info

Publication number: RU2601690C2
Application number: RU2013105085/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Григорьевич Королёв
Original assignee: Анатолий Григорьевич Королёв
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2016-11-10
Also published as: RU2013105085A

Abstract

FIELD: aircraft engineering.

SUBSTANCE: aircraft power plant containing circular gas intake channel located between aircraft body and gas intake shell, as well as magnetic system, inducing radial magnetic field in channel. In channel MHD-generators box-shaped modules are arranged, in walls of which separating gas flows blades are built-in, but conducting circular electric current by inter-blade gaps, and rocket chamber with nozzle upwards is installed between module lower walls. Rocket fuel combustion products cross magnetic field and generate circular electric current in gases, which creates electrodynamic force in presence of same magnetic field, accelerating atmospheric mass, moving between MHD-generators modules, which creates thrust exceeding rocket chambers thrust in MHD-generators.

EFFECT: higher thrust at atmospheric flight part in hypersonic mode.

2 cl, 1 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится преимущественно к двигательной установке гиперзвукового летательного аппарата, использующей принципы магнитогазодинамики.The invention relates primarily to a propulsion system of a hypersonic aircraft, using the principles of magnetogasdynamics.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Известна двигательная установка летательного аппарата, содержащая гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД), в газовом контуре которого реализуются режимы сверхзвукового течения при умеренных значениях статических параметров, что позволяет осуществлять двигательный цикл высокого качества на больших сверхзвуковых скоростях полета. (Р.И. Курзинер. Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей полета. М.: Машиностроение, 1989, стр.119-154). Значения диапазона скоростей, на которых современный ГПВРД способен сохранять работоспособность, соответствуют числам Маха полета от трех до двенадцати единиц.A known aircraft propulsion system containing a hypersonic ramjet engine (SCRE), in the gas circuit of which the supersonic flow regimes are realized at moderate values of static parameters, which makes it possible to carry out a high-quality engine cycle at high supersonic flight speeds. (RI Kurziner. Jet engines for high supersonic flight speeds. M: Mechanical Engineering, 1989, pp. 119-154). The values of the speed range at which the modern scramjet is capable of maintaining operability correspond to flight Mach numbers from three to twelve units.

Изобретение направлено на увеличение верхнего скоростного предела работоспособности гиперзвуковой двигательной установки до чисел Маха полета около двадцати.The invention is aimed at increasing the upper speed limit of operability of a hypersonic propulsion system to flight numbers of about twenty.

Верхний скоростной предел работоспособности прямоточного контура со сверхзвуковым течением в камере сгорания ограничен, в частности, недопустимым увеличением толщины пограничного слоя. Его большая толщина обусловлена высокой статической температурой, которая возникает в заторможенных пристеночных струях высокоэнтальпийного потока. Например, при температуре забортного воздуха около 300 K, статическая температура газа в пограничном слое у стенки газоведущего тракта на входе в камеру сгорания прямоточного контура при числах Маха полета около 11, составляет 3000 K. Увеличение статической температуры газа в пределах пограничного слоя приводит к уменьшению его плотности и увеличению толщины. Запредельная его толщина провоцирует отрыв потока от стенок канала, что вызывает тепловое запирание прямоточного контура, сопровождающееся аварийным прекращением тяги. Течение газа в канале становится дозвуковым, секундная масса воздуха уменьшается, а прямоточный контур вместо тяги создает увеличенное лобовое сопротивление полету, соразмерное сопротивлению заглушенной трубы такой же конфигурации. Неизбежность теплового запирания прямоточного контура на предельных скоростях гиперзвукового полета и отсутствие технических мероприятий, способных противостоять этому явлению, препятствуют созданию двигательной установки, использующей забортную атмосферную массу для производства тяги на скоростях полета, соответствующих числам Маха более десяти - двенадцати.The upper speed limit for the operability of the once-through circuit with a supersonic flow in the combustion chamber is limited, in particular, by an unacceptable increase in the thickness of the boundary layer. Its large thickness is due to the high static temperature that occurs in the inhibited near-wall jets of a highly enthalpy stream. For example, at a temperature of outside air of about 300 K, the static temperature of the gas in the boundary layer near the wall of the gas supply path at the inlet of the direct-flow circuit combustion chamber at a flight Mach number of about 11 is 3000 K. An increase in the static temperature of the gas within the boundary layer leads to a decrease density and thickness increase. Its extreme thickness provokes a separation of the flow from the channel walls, which causes thermal locking of the direct-flow circuit, accompanied by an emergency termination of traction. The gas flow in the channel becomes subsonic, the second mass of air decreases, and the direct-flow circuit instead of thrust creates an increased frontal resistance to flight, commensurate with the resistance of the plugged pipe of the same configuration. The inevitability of thermal locking of the direct-flow circuit at the extreme speeds of hypersonic flight and the lack of technical measures capable of withstanding this phenomenon hinder the creation of a propulsion system that uses outboard atmospheric mass to produce thrust at flight speeds corresponding to Mach numbers of more than ten to twelve.

Изобретение направлено на устранение этого недостатка путем совершенствования двигательной установки, содержащей устройства на принципах магнитогазодинамики, защищенной патентом Российской Федерации №2133863 и принятой нами за прототип.The invention is aimed at eliminating this drawback by improving the propulsion system containing devices based on the principles of magnetogasdynamics, protected by the patent of the Russian Federation No. 2133863 and adopted by us as a prototype.

Токонесущие обмотки электромагнитной системы двигательной установки-прототипа проложены вблизи поверхности диффузоров внутреннего и (или) внешнего сжатия, поперек центральной оси потока. Ток, действующий в обмотках системы, наводит в воздухозаборном канале магнитное поле сложной конфигурации, векторы магнитной индукции которого содержат поперечные составляющие. В устройстве прототипа использовано свойство поперечного магнитного поля производить выравнивание скоростного профиля электропроводного потока. Эффект такого выравнивания известен в магнитной гидродинамике из задачи о течении Гартмана. Задача относится к свойствам ламинарного течения плотных электропроводных жидкостей, например ртути в русле канала прямоугольного сечения с непроводящими стенками. Выравнивание профиля скоростей производится действием электродинамических сил по следующей схеме.Current-carrying windings of the electromagnetic system of the propulsion system of the prototype are laid near the surface of the diffusers of internal and (or) external compression, across the central axis of the flow. The current acting in the windings of the system induces a magnetic field of complex configuration in the air intake channel, the magnetic induction vectors of which contain transverse components. The prototype device used the property of the transverse magnetic field to align the velocity profile of the conductive stream. The effect of such alignment is known in magnetohydrodynamics from the problem of the Hartmann flow. The problem relates to the properties of the laminar flow of dense electrically conductive liquids, for example mercury in the channel of a rectangular channel with non-conductive walls. The velocity profile is equalized by the action of electrodynamic forces according to the following scheme.

Центральные струи потока, движущиеся с несколько увеличенной скоростью относительно среднего ее значения, пересекая магнитные силовые линии, генерируют в потоке электрический ток. Превратив часть кинетической энергии в электрическую, они замедляются. Обратные ветви электрического тока, в присутствии того же магнитного поля, ускоряют электродинамическими силами замедленные пристеночные струи потока. В результате замедления центральных и ускорения пристеночных струй, скоростной профиль потока выравнивается и становится более плоским. Толщина пограничного слоя при этом уменьшается.The central jets of the stream moving at a slightly increased speed relative to its average value, crossing the magnetic field lines, generate an electric current in the stream. Turning part of the kinetic energy into electrical energy, they slow down. The reverse branches of the electric current, in the presence of the same magnetic field, accelerate the slowed down wall jets of the stream by electrodynamic forces. As a result of the deceleration of the central and acceleration of the wall jets, the velocity profile of the flow is leveled and becomes flatter. The thickness of the boundary layer decreases.

Аналогичный механизм выравнивания скоростного профиля предполагалось применить к течению газа в канале высокоскоростного прямоточного двигателя, входящего в состав двигательной установки-прототипа. Ожидалось, что в результате выравнивания скоростного профиля электропроводного потока толщина пограничного слоя уменьшится, а угроза теплового запирания канала переместится в область более высоких скоростей полета. Однако этот способ не обеспечил увеличение скоростного предела работоспособности двигательной установки-прототипа. Толщина пограничного слоя газового потока продолжала увеличиваться до опасных пределов, сохраняя угрозу аварийного запирания канала. Результат объясняется тем, что скоростной профиль газового потока в прямоточном канале прототипа не достигал нужной скоростной однородности из-за малых значений влияющих факторов. В канале прототипа действуют в основном продольные токи Холла, которые не выравнивают скоростной профиль потока. Поперечные токи Фарадея, способные выравнивать скоростное поле, оказываются недостаточными, процесс выравнивания скоростного поля не успевает завершиться на большей части длины прямоточного канала, а верхний скоростной предел работоспособности прямоточного контура прототипа остается на прежнем, недостаточно высоком уровне.A similar mechanism for aligning the velocity profile was supposed to be applied to the gas flow in the channel of a high-speed ramjet engine, which is part of the prototype propulsion system. It was expected that as a result of the alignment of the velocity profile of the conductive current, the thickness of the boundary layer will decrease, and the threat of thermal blocking of the channel will move to the region of higher flight speeds. However, this method did not provide an increase in the speed limit of operability of the propulsion system of the prototype. The thickness of the boundary layer of the gas flow continued to increase to dangerous limits, while maintaining the threat of emergency blocking of the channel. The result is explained by the fact that the velocity profile of the gas flow in the direct-flow channel of the prototype did not reach the desired velocity uniformity due to small values of the influencing factors. In the channel of the prototype, mainly longitudinal Hall currents act, which do not equalize the flow velocity profile. The transverse Faraday currents capable of leveling the velocity field turn out to be insufficient, the process of leveling the velocity field does not have time to complete on most of the length of the direct-flow channel, and the upper speed limit of the working capacity of the direct-flow circuit of the prototype remains at the same, not high enough level.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Сущность изобретения состоит в разработке технических мероприятий, направленных на увеличение верхнего скоростного предела работоспособности сверхзвукового прямоточного контура до чисел Маха полета около двадцати. Предложена схема двигательной установки, в которой предусматривается использование безэлектродных МГД-преобразователей большой мощности путем использования в их составе ракетных камер.The essence of the invention consists in the development of technical measures aimed at increasing the upper speed limit of operability of a supersonic once-through circuit to a Mach number of flight of about twenty. A propulsion system scheme is proposed, which provides for the use of high-power electrodeless MHD converters by using rocket chambers in their composition.

Принцип действия предлагаемой двигательной установки состоит в том, что на атмосферном участке полета часть кинетической энергии электропроводного газового потока продуктов сгорания ракетного топлива за срезом сопла ракетной камеры преобразуется в канале безэлектродного МГД-генератора в электрическую энергию, которая используется в канале безэлектродного МГД-ускорителя для создания увеличенной тяги путем ускорения массы атмосферного газа электродинамическими силами. В предлагаемой двигательной установке МГД-генератор представляет собой функциональный аналог авиационного мотора, а МГД-ускоритель - аналог тягового воздушного винта.The principle of operation of the proposed propulsion system is that in the atmospheric portion of the flight part of the kinetic energy of the conductive gas stream of rocket fuel combustion products after the nozzle of the rocket chamber is converted into the channel of the electrodeless MHD generator into electrical energy that is used in the channel of the electrodeless MHD accelerator increased traction by accelerating the mass of atmospheric gas by electrodynamic forces. In the proposed propulsion system, the MHD generator is a functional analog of the aircraft engine, and the MHD accelerator is an analog of the traction propeller.

Предлагаемая двигательная установка (фиг.1) предназначена преимущественно для использования в составе высокоскоростного летательного аппарата кольцевой формы. Она расположена в окружном воздухозаборном канале, внутренняя поверхность которого выполнена из электрорезистивного материала с внутренним охлаждением. Канал сформирован между корпусом аппарата и обечайкой воздухозаборного устройства. В объеме канала наведено радиальное магнитное поле и размещены шестигранные коробчатые перегородки 8, которые исполняют функции безэлектродного МГД-генератора, упомянутого выше. В дальнейшем тексте эти перегородки будут называться МГД-генераторами. Средние их грани 21 содержат окна с направляющими лопатками, способными разделять встречные газовые потоки, но пропускать окружной электрический ток по межлопаточным промежуткам. Между нижними гранями, во внутренней полости каждой перегородки, установлены одна или несколько ракетных камер 6, в частности, с линейным соплом внутреннего расширения, что позволяет реализовать в канале МГД-генератора относительно равномерный скоростной поток продуктов сгорания ракетного топлива. На нижней выноске схемы видно, что в составе генератора 8 действуют две ракетные камеры.The proposed propulsion system (Fig. 1) is intended primarily for use as part of a high-speed ring-shaped aircraft. It is located in a circular air intake channel, the inner surface of which is made of electrically resistive material with internal cooling. A channel is formed between the body of the apparatus and the side of the air intake device. A radial magnetic field is induced in the channel volume and hexagonal box-shaped partitions 8 are placed, which serve as the electrodeless MHD generator mentioned above. In the further text, these partitions will be called MHD generators. Their middle faces 21 contain windows with guide vanes capable of dividing oncoming gas flows, but passing the circumferential electric current through the interscapular spaces. Between the lower faces, in the inner cavity of each partition, one or more rocket chambers 6 are installed, in particular, with a linear nozzle of internal expansion, which makes it possible to realize a relatively uniform high-speed flow of rocket fuel combustion products in the channel of the MHD generator. On the lower leader of the circuit it is seen that as a part of the generator 8 there are two rocket chambers.

При действии ракетных камер в канале МГД-генератора, поток продуктов сгорания пересекает радиальное магнитное поле, в результате чего вырабатывается электрический ток, который через лопаточные промежутки в лопаточной грани 21 присоединяется к суммарному окружному электрическому току, который вырабатывается аналогичными МГД-генераторами. Электродинамическая сила этого тока, возникающая в том же магнитном поле, ускоряет электропроводный атмосферный газ, движущийся в канале между МГД-генераторами, что позволяет создавать увеличенную тягу без дополнительного расхода бортовой массы. Этот канал условно назовем безэлектродным МГД-ускорителем.Under the action of rocket chambers in the channel of the MHD generator, the flow of combustion products crosses the radial magnetic field, as a result of which an electric current is generated, which is connected through the gaps in the blade face 21 to the total district electric current, which is generated by similar MHD generators. The electrodynamic force of this current, which arises in the same magnetic field, accelerates the atmospheric conductive gas moving in the channel between the MHD generators, which makes it possible to create increased traction without additional consumption of on-board mass. This channel is conventionally called an electrodeless MHD accelerator.

Численное значение электродинамической силы в принятых геометрических условиях двигательной установки определяется как произведение силы тока I [A], магнитной индукции B [Тл], в присутствии которой происходит обмен энергией между газовыми потоками, и длины разрядного промежутка L [м].The numerical value of the electrodynamic force in the adopted geometric conditions of the propulsion system is defined as the product of the current I [A], magnetic induction B [T], in the presence of which the energy is exchanged between gas flows, and the length of the discharge gap L [m].

Предлагаемая двигательная установка позволяет создавать увеличенную тягу преимущественно на тех скоростях атмосферного полета, которые численно меньше скорости истечения газа на срезе сопла ракетной камеры. На этих режимах полета среднее значение удельного импульса тяги предлагаемой двигательной установки, при удельной электропроводности взаимодействующих газов более 10 Сим/м, способно кратно превышать удельный импульс тяги обычной ракетной двигательной установки.The proposed propulsion system allows you to create increased thrust mainly at those speeds of atmospheric flight, which are numerically less than the rate of gas outflow at the nozzle exit of the rocket chamber. In these flight modes, the average value of the specific thrust impulse of the proposed propulsion system, with a specific electrical conductivity of the interacting gases of more than 10 Sim / m, is capable of multiply exceeding the specific thrust impulse of a conventional rocket propulsion system.

МГД-преобразователи обоих типов в порядке через одного расположены в полости окружного воздухозаборного канала, сформированного между корпусом аппарата и обечайкой воздухозаборного устройства. Полость содержит радиальное магнитное поле, наведенное сверхпроводящей магнитной системой, образованной тоководами кольцевой формы, охлаждаемыми до температуры жидкого водорода. При пересечении радиального магнитного поля потоком электропроводных продуктов сгорания ракетного топлива, направленного вверх, в соответствии с фундаментальными законами магнитогазодинамики, по мнемоническому правилу правой руки, в канале возникает окружной электрический ток. Этот ток, в присутствии того же радиального магнитного поля, создает увеличенную электродинамическую силу, которая по правилу левой руки, ускоряет электропроводный атмосферный воздух, движущийся в промежутках между МГД-генераторами. Реакция этой силы, приложенная через магнитное поле к магнитной системе, представляет собой увеличенную тягу, которая возникает без дополнительного расхода бортовой массы, за исключением небольшой добавки массы щелочных металлов.MHD converters of both types are arranged in the order through one in the cavity of the circumferential air intake channel formed between the apparatus body and the shell of the air intake device. The cavity contains a radial magnetic field induced by a superconducting magnetic system formed by ring-shaped current conductors cooled to the temperature of liquid hydrogen. When a radial magnetic field crosses a stream of electrically conductive products of rocket fuel combustion directed upward, in accordance with the fundamental laws of magnetogasdynamics, according to the mnemonic rule of the right hand, a circular electric current arises in the channel. This current, in the presence of the same radial magnetic field, creates an increased electrodynamic force, which, according to the rule of the left hand, accelerates the electrically conductive atmospheric air moving between the MHD generators. The reaction of this force, applied through a magnetic field to the magnetic system, is an increased thrust that occurs without additional consumption of on-board mass, with the exception of a small addition of alkali metal mass.

Двигательная установка способна создавать тяговое усилие как без сжигания горючего в тракте МГД-ускорителя, подобно авиационной винтомоторной группе, так и с его сжиганием, как это реализуется в контуре гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД). Требуемый уровень удельной электропроводности газовой среды в каналах МГД-преобразователей энергии предполагается обеспечивать путем создания двухтемпературного режима, в котором за счет присутствия электрического поля, при обычной температуре тяжелых частиц, электронная температура может превышать значения молекулярной температуры на несколько тысяч градусов. Такая плазма приблизительно соответствует тлеющему электрическому разряду, который реализуется при плотности тока от 10⁴ до 10⁵ А/м². Удельная электропроводность газоразрядной воздушной плазмы оказывается достаточной, если электронная температура составляет около 5000 К. Массовая доля присадки щелочных металлов при этом может быть уменьшена.A propulsion system is capable of generating traction both without burning fuel in the path of the MHD accelerator, like an aircraft propeller group, and with burning it, as is realized in the circuit of a hypersonic ramjet engine (SCRE). The required level of electrical conductivity of the gas medium in the channels of MHD energy converters is supposed to be provided by creating a two-temperature regime in which due to the presence of an electric field at normal temperature of heavy particles, the electron temperature can exceed the value of molecular temperature by several thousand degrees. Such a plasma approximately corresponds to a glow electric discharge, which is realized at a current density of 10 ⁴ to 10 ⁵ A / m ² . The electrical conductivity of a gas-discharge air plasma is sufficient if the electron temperature is about 5000 K. The mass fraction of an alkali metal additive can be reduced.

Потребные значения удельной электропроводности газовых потоков в каналах двигательных установок на малых высотах могут быть обеспечены также путем разогрева атмосферных газов до температуры 2000-2500 К. Такие условия были реализованы в эксперименте путем сжигания горючего в прямоточном контуре МГД-ускорителя с одновременным распылением расплавленного калия. Его доза изменялась в пределах от 1 до 2% от секундной массы действовавших газов.The required values of the specific electrical conductivity of gas flows in the channels of propulsion systems at low altitudes can also be achieved by heating atmospheric gases to a temperature of 2000-2500 K. Such conditions were realized in an experiment by burning fuel in a direct-flow circuit of an MHD accelerator with simultaneous atomization of molten potassium. Its dose varied from 1 to 2% of the second mass of active gases.

Для увеличения удельной электропроводности газовых потоков предусмотрено также использование эффекта предионизации атомов, входящих в состав молекул взаимодействующих газов, путем воздействия на них лазерным лучом, частота которого близка к резонансу с частотами возбуждения внешних электронных оболочек атомов газа.To increase the electrical conductivity of gas flows, it is also envisaged to use the effect of preionization of atoms that are part of the molecules of interacting gases by exposing them to a laser beam whose frequency is close to resonance with the frequencies of excitation of the outer electron shells of gas atoms.

Для поддержания оптимальной тяги двигательной установки требуется обеспечивать также изменение соотношений длин разрядных промежутков в каналах МГД-преобразователей. В связи с этим проводятся разработки механизмов, позволяющих изменять в полете расстояния между противоположными стенками МГД-генераторов.To maintain optimal thrust of the propulsion system, it is also necessary to provide a change in the ratio of the lengths of the discharge gaps in the channels of the MHD converters. In this regard, the development of mechanisms is being carried out that allows changing in flight the distances between opposite walls of MHD generators.

Ожидаемое значение среднего удельного импульса тяги двигательной установки, использующей в качестве топлива жидкий водород с жидким кислородом, на разгонном участке атмосферного полета составляет около 10000 Н/кг/с, вместо 4200 единиц, свойственных обычным ракетным камерам, работающих на тех же компонентах топлива. Высокий усредненный удельный импульс тяги двигательной установки позволяет специализированным модификациям одноступенчатого летательного аппарата, при его движении по оптимально пологой траектории, достигать орбитального режима движения в условиях верхней атмосферы. Скоростной предел работоспособности двигательной установки увеличивается за счет предотвращения теплового запирания прямоточного контура на больших скоростях полета путем уменьшения толщины пограничного слоя у стенок, пересекаемых магнитным полем. Уменьшение его толщины осуществляется одновременным ускорением электродинамическими силами пристеночных и центральных струй потока.The expected value of the average specific thrust impulse of a propulsion system using liquid hydrogen with liquid oxygen as a fuel in the accelerating section of atmospheric flight is about 10,000 N / kg / s, instead of 4,200 units typical of conventional rocket chambers operating on the same fuel components. The high averaged specific impulse of thrust of the propulsion system allows specialized modifications of a single-stage aircraft, when moving along an optimally gentle path, to achieve orbital motion in the upper atmosphere. The speed limit of the operability of the propulsion system is increased by preventing thermal locking of the once-through circuit at high flight speeds by reducing the thickness of the boundary layer at the walls intersected by the magnetic field. Its thickness is reduced by simultaneous acceleration by the electrodynamic forces of the wall and central jets of the stream.

Ускорение газового потока в пределах толщины пограничного слоя обусловлено достаточно высокой плотностью тока в пристеночных струях потока за счет увеличенной удельной электропроводности газа. Повышенная удельная электропроводность пограничного слоя обусловлена повышенной статической температурой в заторможенных высоко-энтальпийных струях потока.The acceleration of the gas flow within the thickness of the boundary layer is due to a sufficiently high current density in the wall jets of the flow due to the increased electrical conductivity of the gas. The increased electrical conductivity of the boundary layer is due to the increased static temperature in the inhibited high-enthalpy stream jets.

В контуре классического ракетно-прямоточного двигателя обмен кинетической энергией между взаимодействующими газовыми потоками осуществляется действием вязкостных сил. При этом часть кинетической энергии потоков в процессе их взаимного смешения превращается в тепловую энергию, что неизбежно приводит к ухудшению тяговых характеристик двигательной установки.In the circuit of a classic ramjet engine, the kinetic energy exchange between the interacting gas flows is effected by the action of viscous forces. Moreover, part of the kinetic energy of the flows in the process of their mutual mixing is converted into thermal energy, which inevitably leads to a deterioration in the traction characteristics of the propulsion system.

Вязкостные силы, обеспечивающие функционирование классического ракетно-прямоточного двигателя, заменены в предлагаемой двигательной установке более интенсивными электродинамическими силами. При этом двигательная установка становится более компактной и удобной для размещения в обводах гиперзвукового летательного аппарата.The viscous forces that ensure the functioning of the classic ramjet engine are replaced in the proposed propulsion system by more intense electrodynamic forces. At the same time, the propulsion system becomes more compact and convenient for placement in the contours of a hypersonic aircraft.

Изобретение предлагает также пути преодоления трудностей, связанных с использованием МГД-процессов в условиях разреженной атмосферной среды. Одна из них состоит в том, что в направлении действия электродинамических сил генерируются электрические напряжения, вызывающие паразитные продольные токи Холла, которые ухудшают эксплуатационные характеристики двигательной установки. Для борьбы с ними разработан комплекс технических мероприятий, обеспечивающих подавление их вредных проявлений. В частности, срезы сопел ракетных камер, входящих в состав МГД-генераторов, ориентированы в сторону активного полета, т.е. в направлении от кормы к головному обтекателю аппарата. Это мероприятие обеспечивает одинаковую направленность всех векторов электродинамических сил, следовательно, и напряжений Холла в каналах МГД-преобразователей, что приводит к заметному уменьшению или даже полной ликвидации паразитных токов, которые в иных случаях могли бы циркулировать вдоль их геометрических осей. Уменьшение осевых токов способствует увеличению поперечной составляющей электропроводности газов и к возрастанию токов Фарадея, направленных поперек потоков, что улучшает тяговые характеристики предлагаемой двигательной установки.The invention also offers ways to overcome the difficulties associated with the use of MHD processes in a rarefied atmosphere. One of them is that in the direction of the action of electrodynamic forces, electrical voltages are generated, causing parasitic longitudinal Hall currents, which impair the performance of the propulsion system. To combat them, a set of technical measures has been developed to suppress their harmful manifestations. In particular, the sections of the nozzles of the rocket chambers that make up the MHD generators are oriented toward active flight, i.e. in the direction from the stern to the head fairing of the apparatus. This event ensures that all vectors of electrodynamic forces, therefore, the Hall voltages in the channels of the MHD converters are equally oriented, which leads to a noticeable decrease or even complete elimination of spurious currents, which in other cases could circulate along their geometric axes. The decrease in axial currents contributes to an increase in the transverse component of the electrical conductivity of gases and to an increase in Faraday currents directed across the flows, which improves the traction characteristics of the proposed propulsion system.

Полезной особенностью двигательной установки является уменьшение относительной массы потребного бортового запаса окислителя по сравнению с его запасом на борту одноступенчатого ракетного аппарата. Уменьшение запасов окислителя обусловлено использованием кислорода воздуха для сжигания горючего, а массы воздуха в качестве рабочего тела двигателя, как это происходит в контуре любого воздушно-реактивного двигателя (ВРД). Относительный запас жидкого кислорода на борту аппарата, оснащенного предлагаемой двигательной установкой, предназначенного для достижения орбитального режима полета вокруг Земли, в пять - шесть раз меньше, чем на борту одноступенчатого ракетного летательного аппарата. Эта особенность двигательной установки позволяет разместить на борту аппарата увеличенный запас горючего, что также приводит к увеличению дальности и конечной скорости изделия.A useful feature of the propulsion system is the reduction in the relative mass of the required on-board supply of the oxidizer compared to its stock on board a single-stage rocket apparatus. The decrease in oxidizer reserves is due to the use of oxygen in the air to burn fuel, and air masses as the working fluid of the engine, as is the case in any air-jet engine (WFD) circuit. The relative supply of liquid oxygen on board an apparatus equipped with the proposed propulsion system designed to achieve an orbital flight regime around the Earth is five to six times less than on board a single-stage rocket aircraft. This feature of the propulsion system allows you to place an increased fuel supply on board the apparatus, which also leads to an increase in the range and final speed of the product.

Ток электрического разряда, действующий в объеме камеры сгорания прямоточного контура, возбуждая колебательные и электронные степени свободы реагирующих молекул, приводит к увеличению скорости горения топливовоздушной смеси. Этот фактор позволяет сохранять высокие значения коэффициента полноты сгорания топлива на предельно больших скоростях полета при относительно малой длине камеры сгорания.An electric discharge current acting in the volume of the combustion chamber of the direct-flow circuit, exciting vibrational and electronic degrees of freedom of the reacting molecules, leads to an increase in the burning rate of the air-fuel mixture. This factor allows you to maintain high values of the coefficient of completeness of fuel combustion at extremely high flight speeds with a relatively small length of the combustion chamber.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом, на прилагаемом рисунке фиг.1, который содержит схематическую компоновку двигательной установки в составе летательного аппарата кольцевой формы, представляет конструктивную схему блока регулируемого МГД-генератора, а также иллюстрирует принцип работы изделия.The invention is illustrated by the graphic material, in the attached figure of figure 1, which contains a schematic layout of the propulsion system as part of a ring-shaped aircraft, is a structural diagram of an adjustable MHD generator unit, and also illustrates the principle of operation of the product.

Вариант исполнения изобретенияThe embodiment of the invention

Летательный аппарат предназначен для скоростных перелетов на большие расстояния. В радиальном сечении ему придан контур обтекания, напоминающий ромб, вытянутый в направлении полета. Диаметр изделия по передней кромке 12000 мм. Высота корпуса с убранным шасси 7570 мм. Внешний габаритный диаметр составляет около 14000 мм. В качестве компонентов ракетного топлива применяются жидкий водород и жидкий кислород. Требуемое значение удельной электропроводности взаимодействующих газовых потоков обеспечивается путем использования эвтектического сплава, содержащего 75% калия и 25% натрия с температурой отверждения около - 11°C.The aircraft is designed for high-speed flights over long distances. In a radial section, it is given a streamline that resembles a rhombus elongated in the direction of flight. The diameter of the product along the leading edge is 12,000 mm. Case height with retracted chassis 7570 mm. The outer overall diameter is about 14,000 mm. As components of rocket fuel, liquid hydrogen and liquid oxygen are used. The required value of the electrical conductivity of the interacting gas flows is ensured by using a eutectic alloy containing 75% potassium and 25% sodium with a curing temperature of about - 11 ° C.

Двигательная установка содержит: диффузор внешнего сжатия 1, верхний бак топливной емкости 2, емкость щелочной присадки 3, криогенные тоководы кольцевой магнитной системы 4, силовой корпус магнитной системы 5, ракетную камеру с линейным соплом 6, нижний бак топливной емкости 7, блок МГД-генератора коробчатой формы 8, силовой пилон крепления двигателя 9. Верхний 2 и нижний 7 баки рабочего тела образуют общую емкость одного из компонентов ракетного топлива. Летательный аппарат содержит двенадцать таких емкостей. В двух противоположно установленных емкостях содержатся жидкий кислород, а в девяти других емкостях размещен жидкий водород.The propulsion system contains: an external compression diffuser 1, an upper tank of a fuel tank 2, an alkaline additive tank 3, cryogenic current conductors of a ring magnetic system 4, a power casing of a magnetic system 5, a rocket chamber with a linear nozzle 6, a lower tank of a fuel tank 7, an MHD generator block box-shaped 8, a power pylon for mounting the engine 9. The upper 2 and lower 7 tanks of the working fluid form the total capacity of one of the components of rocket fuel. The aircraft contains twelve such tanks. Two oppositely installed containers contain liquid oxygen, and nine other containers contain liquid hydrogen.

Обозначены элементы летательного аппарата: кабина экипажа 10, иллюминатор 11, воздухозаборник 12, бытовой отсек 13, люк наружный 14, тамбур.15, отсек шасси 16.The elements of the aircraft are indicated: crew cabin 10, porthole 11, air intake 12, household compartment 13, outer hatch 14, vestibule 15, landing gear compartment 16.

Кроме того, работу двигательной установки обеспечивает неразборный блок каналов криогенного охлаждения тоководов 17 и 18, обеспечивающий работу силового магнитного поля 19, приблизительная средняя линия которого показана на верхней выноске.In addition, the operation of the propulsion system provides a non-separable block of cryogenic cooling channels of the current leads 17 and 18, which ensures the operation of the magnetic force field 19, the approximate middle line of which is shown on the upper callout.

На нижней выноске более детально показано взаимное расположение блоков коробчатых МГД-генераторов 8 и силовых пилонов 9. Каждый блок генератора содержит две ракетные камеры 6 с линейными соплами, срезы которых направлены вверх, как показано на изображении выреза левого блока. Здесь же показаны неохлаждаемый гребенчатый гаситель вихревых токов 20 с пластинами гребней из электроизоляционного материала, лопаточные стенки генераторов 21 и сечения линейных сопел 22, из которых поступают потоки продуктов сгорания ракетного топлива, изображенные в виде стрелок Vg. Крестом в кружочке показано направление вектора магнитной индукции В в сторону листа.The lower leader shows in more detail the relative position of the blocks of box-type MHD generators 8 and power pylons 9. Each generator block contains two rocket chambers 6 with linear nozzles, the cuts of which are directed upwards, as shown in the image of the cutout of the left block. Shown here are also the uncooled comb eddy current damper 20 with crest plates made of electrical insulation material, the blade walls of the generators 21 and the cross sections of the linear nozzles 22, from which the flow of rocket fuel combustion products, shown in the form of arrows Vg. A cross in a circle shows the direction of the magnetic induction vector B towards the sheet.

Воздушный поток на входе воздухозаборника обозначен Wh, а на его выходе Wy. Длины разрядного промежутка генератора Lg, а ускорителя Ly.The air flow at the inlet of the air intake is indicated by Wh, and at its outlet, Wy. The length of the discharge gap of the generator Lg, and the accelerator Ly.

Щелочные металлы содержатся в специальных емкостях, содержащихся внутри полых корпусов воздухозаборного устройства на малом и большом периметрах кольцевого корпуса летательного аппарата. В качестве токонесущих элементов бортовой магнитной системы используются сверхпроводящие кабели на основе провода из диборида магния (MgB₂). Их удобным свойством является рабочая температура, совпадающая с температурным диапазоном жидкого водорода 20-30 К. Значение предельной плотности тока в материале проводника при магнитной индукции около 2 Тл и 20 К составляет 17500 А/см².Alkali metals are contained in special containers contained inside the hollow bodies of the air intake device on the small and large perimeters of the annular body of the aircraft. As current-carrying elements of the onboard magnetic system, superconducting cables based on a wire of magnesium diboride (MgB ₂ ) are used. Their feature is a convenient working temperature, which coincides with the temperature range of liquid hydrogen 20-30 K. The value of the limiting current density in the conductor material under a magnetic induction of about 2 Tesla and 20 K of 17,500 A / cm ^2.

Двигательная установка работает следующим образом. Газовые потоки продуктов сгорания ракетного топлива, движущиеся в каналах МГД-генераторов вверх к диффузору, пересекают кольцевые каналы с радиальным магнитным полем и, в соответствии с правилами электромагнитной индукции, индуцируют в них тангенциально направленную электродвижущую силу (ЭДС). В соответствии с этой ЭДС, в электропроводном газе, который находится в воздухозаборном канале, возникает окружной электрический ток. Его электродинамическая сила, возникающая в том же магнитном поле, ускоряет атмосферный газ в промежутках между генераторами. Реакция электродинамических сил, действующих в каналах МГД-ускорителей через магнитное поле 19, приложена к токонесущим обмоткам магнитной системы в качестве реактивной силы тяги.The propulsion system operates as follows. The gas flows of the products of rocket fuel combustion, moving upward in the channels of the MHD generators to the diffuser, cross the annular channels with a radial magnetic field and, in accordance with the rules of electromagnetic induction, induce a tangentially directed electromotive force (EMF) in them. In accordance with this EMF, a circumferential electric current arises in the electrically conductive gas that is in the air intake duct. Its electrodynamic force arising in the same magnetic field accelerates atmospheric gas in the spaces between the generators. The reaction of electrodynamic forces acting in the channels of MHD accelerators through a magnetic field 19 is applied to the current-carrying windings of the magnetic system as a reactive traction force.

Таким образом, реактивная тяга возникает как реакция электродинамической силы, образованной кольцевым током, циркулирующим в канале в присутствии радиального магнитного поля. Электродинамическая сила направлена поперек плоскости аппарата вдоль канала каждого МГД-ускорителя, ускоряя атмосферный газ в его прямоточном канале в сторону кормы. В том же направлении действует электродинамическая сила, возникающая в канале модуля МГД-генератора. Она направлена на торможение продуктов сгорания ракетного топлива, движущихся вверх, в сторону диффузора. Все электродинамические силы, действующие в каналах МГД-преобразователей, направлены одинаково, в сторону кормовой части аппарата. Векторы напряжения Холла тоже направлены одинаково, что препятствует возникновению и развитию электрических цепей по внешнему газу и уменьшает величину паразитных электрических токов, которые в ином случае могли бы циркулировать вдоль осей МГД-преобразователей, что ухудшило бы полезные особенности двигательной установки вплоть до ее эксплуатационной непригодности.Thus, reactive thrust occurs as a reaction of an electrodynamic force formed by an annular current circulating in a channel in the presence of a radial magnetic field. The electrodynamic force is directed across the plane of the apparatus along the channel of each MHD accelerator, accelerating atmospheric gas in its direct-flow channel towards the stern. The electrodynamic force acting in the channel of the MHD generator module acts in the same direction. It is aimed at braking the combustion products of rocket fuel moving upward towards the diffuser. All electrodynamic forces acting in the channels of the MHD converters are directed in the same direction, towards the stern of the apparatus. The Hall voltage vectors are also directed in the same way, which prevents the emergence and development of electric circuits along the external gas and reduces the magnitude of stray electric currents, which otherwise could circulate along the axes of the MHD converters, which would impair the useful features of the propulsion system up to its operational unsuitability.

Между верхними и нижними точками каждого МГД-преобразователя существуют напряжения Холла, которые создают угрозу электрического пробоя по участку атмосферного воздуха вдоль высоты кольцевых обечаек. Угроза пробоя атмосферного газа через воздухозаборное устройство является одним из трудных вопросов проектирования двигательной установки и аппарата. Угроза парируется увеличением высоты корпуса воздухозаборника и повышенным статическим давлением воздуха, создающимся в местном геометрическом сужении, «горле» канала, которое не показано на рисунке фиг.1.Between the upper and lower points of each MHD converter, there are Hall voltages that pose a risk of electrical breakdown over a portion of atmospheric air along the height of the annular shells. The threat of breakdown of atmospheric gas through an air intake device is one of the difficult issues of designing a propulsion system and apparatus. The threat is countered by increasing the height of the air intake housing and the increased static air pressure created in the local geometric narrowing, the “throat” of the channel, which is not shown in Figure 1.

В результате использования новых для ракетной техники принципов магнитогазодинамики, двигательная установка приобретает новый, более высокий уровень эксплуатационных свойств. Так, на начальном участке траектории атмосферного полета ее тяга кратно увеличивается без дополнительного расхода бортовой массы, кроме присадки щелочных металлов. Эффект увеличения тяги может обеспечиваться без использования процесса горения, аналогично тому, как это происходит в поршневой авиационной технике посредством тягового воздушного винта. Однако предусмотрена возможность форсирования двигательной установки. Форсирование обеспечивается путем сжигания горючего в прямоточных каналах МГД-ускорителей, которые в этом случае способны работать в режиме ГПВРД. Для реализации таких режимов в воздухозаборном устройстве предусмотрены места расположений элементов системы подачи горючего и лючки для доступа к электроплазменным воспламенителям топливной смеси в каналах МГД-ускорителя.As a result of using the principles of magnetogasdynamics new to rocket technology, the propulsion system acquires a new, higher level of operational properties. So, in the initial part of the trajectory of atmospheric flight, its thrust increases by several times without additional consumption of onboard mass, except for the addition of alkali metals. The effect of increased thrust can be achieved without the use of a combustion process, similar to how it happens in piston aircraft through a traction propeller. However, it is possible to force the propulsion system. Forcing is ensured by burning fuel in the direct-flow channels of MHD accelerators, which in this case are capable of operating in the scramjet mode. To implement such modes, the locations of the elements of the fuel supply system and hatches for access to the electroplasma igniters of the fuel mixture in the channels of the MHD accelerator are provided in the air intake device.

Двигательная установка кольцевой формы обеспечивает максимальную интеграцию комбинированного двигателя и летательного аппарата, что приводит к уменьшению охлаждаемой поверхности при полетах с большими гиперзвуковыми скоростями. Действительно, изделие не содержит громоздких конструктивных узлов типа фюзеляжа, крыльев и хвостового оперения, если это не обусловлено специальным требованием заказчика.The ring-shaped propulsion system provides maximum integration of the combined engine and aircraft, which leads to a decrease in the cooled surface during flights with high hypersonic speeds. Indeed, the product does not contain bulky structural units such as the fuselage, wings and tail, unless this is due to a special requirement of the customer.

Летательный аппарат способен выполнять установившийся горизонтальный полет с малой скоростью, при использовании корпуса в качестве кольцевого крыла, что обеспечивает аэродинамическое качество летательного аппарата, превышающее единицу.The aircraft is capable of performing steady horizontal flight at low speed when using the hull as an annular wing, which ensures the aerodynamic quality of the aircraft in excess of one.

Для парирования возмущений по крену, тангажу и рысканию при полетах в атмосферных условиях, на внутренних поверхностях кольцевого аппарата предусмотрены аэродинамические стабилизаторы движения и отклоняемые щитки, применяемые в авиационной и ракетной технике. Эти известные устройства на прилагаемых схемах также не показаны.To counter disturbances in roll, pitch and yaw when flying in atmospheric conditions, aerodynamic motion stabilizers and deflectable shields used in aircraft and rocketry are provided on the inner surfaces of the annular apparatus. These known devices are also not shown in the accompanying diagrams.

На внешней кольцевой поверхности аппарата предусмотрены участки обшивки, которые позволяют излучать отработанное тепло в условиях космического пространства. Для этого используются в основном элементы летательного аппарата, которые обеспечивают работу комбинированного двигателя в режиме МГД. Так, небольшая часть головного обтекателя, в виде кольцевого клина, исполняющего функции диффузора внешнего сжатия, приспособлена для излучения отработанного тепла системы жизнедеятельности.On the outer annular surface of the apparatus, plating sections are provided that allow radiating waste heat in outer space conditions. For this, the main elements of the aircraft are used, which ensure the operation of the combined engine in the MHD mode. So, a small part of the head fairing, in the form of an annular wedge, acting as an external compression diffuser, is adapted to emit waste heat from the vital system.

Часть объема головного обтекателя используется для размещения аварийно-спасательного парашюта. Кольцевые обечайки воздухозаборного устройства, ограничивающие зону горения газовоздушной смеси, обуславливают реализацию термодинамического цикла бортовой электростанции. Обтекатель кормовой емкости, использующийся в атмосферном полете как центральное тело сопла внешнего расширения, обеспечивает энергетические потребности криогенной системы в вакууме. В условиях космического полета другие элементы наружной поверхности двигательной установки используются для излучения отработанной тепловой энергии при умеренном уровне рабочей температуры излучателей.Part of the volume of the head fairing is used to place an emergency rescue parachute. The annular shells of the air intake device, limiting the combustion zone of the gas-air mixture, determine the implementation of the thermodynamic cycle of the onboard power plant. The feed cowl, used in atmospheric flight as the central body of an external expansion nozzle, provides the energy needs of the cryogenic system in a vacuum. In space flight, other elements of the outer surface of the propulsion system are used to emit spent thermal energy at a moderate level of operating temperature of the emitters.

Чем достигается полезный эффектHow is a beneficial effect achieved

Полезный эффект достигается тем, что в качестве бортовых источников электрической энергии большой мощности применяются безэлектродные МГД-генераторы, использующие кинетическую энергию продуктов сгорания ракетного топлива. Они установлены поочередно с каналами безэлектродных МГД-ускорителей в полости воздухозаборного устройства, размещенного по периметру летательного аппарата. При этом газовые потоки в каналах модулей МГД-генераторов и в прямоточных каналах МГД-ускорителей, расположенных последовательно, в порядке через одного, направлены в противоположные стороны. Газовые потоки в каналах модулей МГД-генераторов направлены вверх, в сторону диффузора. Для уменьшения вредного механического взаимодействия двух встречных высокоскоростных газовых потоков, они разделены решетчатыми перегородками, снабженными направляющими лопатками, которые входят в состав конструкции модулей МГД-генераторов и образуют газо- и электропроницаемые лопаточные перегородки. Расстояния между перегородками модулей МГД-генераторов способны изменяться в полете. Эти расстояния однозначно задают ширину каналов МГД-ускорителей. Соотношения расстояний между перегородками модулей МГД-генераторов и шириной каналов МГД-ускорителей определяют оптимальное соотношение электродинамических сил во взаимодействующих преобразователях энергии, что обуславливает количественное значение тяги двигателя в конкретных условиях атмосферного полета. Расстояния между перегородками в каналах безэлектродного МГД-генератора и безэлектродного МГД-ускорителя соответствуют аналогичным промежуткам в МГД-преобразователях электродного типа. Эти расстояния подобны длинам токонесущих элементов, которые движутся в поперечных магнитных полях обычных электрических машин. Упомянутые длины используются в качестве параметров, задающих режимы работы предлагаемого ракетно-прямоточного двигателя на принципах МГД, что также соответствует устройству и принципу действия обычных механических электродвигателей и электрогенераторов.A useful effect is achieved by the fact that electrodeless MHD generators using the kinetic energy of rocket fuel combustion products are used as on-board sources of high-power electric energy. They are installed alternately with channels of electrodeless MHD accelerators in the cavity of an air intake device located around the perimeter of the aircraft. In this case, the gas flows in the channels of the modules of the MHD generators and in the direct-flow channels of the MHD accelerators arranged in series, in the order of one, are directed in opposite directions. The gas flows in the channels of the modules of the MHD generators are directed upward towards the diffuser. To reduce the harmful mechanical interaction of two oncoming high-speed gas flows, they are separated by lattice partitions equipped with guide vanes, which are part of the design of the modules of the MHD generators and form gas- and electro-permeable scapular partitions. The distances between the partitions of the modules of the MHD generators are capable of changing in flight. These distances uniquely specify the channel width of MHD accelerators. The ratio of the distances between the walls of the modules of the MHD generators and the channel width of the MHD accelerators determine the optimal ratio of electrodynamic forces in the interacting energy converters, which determines the quantitative value of the engine thrust in specific atmospheric flight conditions. The distances between the partitions in the channels of the electrodeless MHD generator and the electrodeless MHD accelerator correspond to similar gaps in the MHD converters of the electrode type. These distances are similar to the lengths of current-carrying elements that move in the transverse magnetic fields of conventional electric machines. The mentioned lengths are used as parameters defining the operating modes of the proposed ramjet engine on the principles of MHD, which also corresponds to the device and the principle of operation of conventional mechanical electric motors and generators.

Газообразные продукты сгорания ракетного топлива образуются в ракетной камере, которая расположена в нижней части модуля каждого МГД-генератора. В процессе продвижения вдоль оси модуля МГД-генератора в направлении диффузора, газ, пересекая радиальное магнитное поле, индуцирует кольцевой электрический ток. Этот ток, через лопаточные решетки МГД-генераторов поступает в канал МГД-ускорителя и, в присутствии того же радиального магнитного поля, образует электродинамическую силу, которая ускоряет наружную атмосферную массу. Реакция этой силы через магнитное поле приложена к обмоткам электромагнита в качестве реактивной тяги, которая ускоряет летательный аппарат. Продукты сгорания ракетного топлива в каналах модулей МГД-генераторов, преобразовав часть своей кинетической энергии в электрическую энергию кольцевого тока, разворачиваются в промежутках между лопатками и присоединяются к потоку атмосферного газа, который обтекает модули МГД-генераторов.Gaseous products of the combustion of rocket fuel are formed in the rocket chamber, which is located in the lower part of the module of each MHD generator. In the process of moving along the axis of the module of the MHD generator in the direction of the diffuser, the gas, crossing the radial magnetic field, induces a ring electric current. This current, through the blade lattices of the MHD generators, enters the channel of the MHD accelerator and, in the presence of the same radial magnetic field, forms an electrodynamic force that accelerates the external atmospheric mass. The reaction of this force through a magnetic field is applied to the windings of an electromagnet as reactive thrust, which accelerates the aircraft. The products of combustion of rocket fuel in the channels of the modules of the MHD generators, having converted part of their kinetic energy into electrical energy of the ring current, unfold in the spaces between the blades and join the stream of atmospheric gas that flows around the modules of the MHD generators.

Электрический разряд, действующий в объеме камеры сгорания прямоточного контура, возбуждает колебательные и электронные степени свободы на внешних оболочках атомов, входящих в состав молекул используемых газов. Этот фактор способствует увеличению скорости горения топливовоздушной смеси, обеспечивая высокие значения коэффициента полноты сгорания в прямоточном контуре. Эффект сохраняется и на предельно больших скоростях полета при относительно малой длине камеры сгорания.An electric discharge acting in the volume of the combustion chamber of the direct-flow circuit excites vibrational and electronic degrees of freedom on the outer shells of the atoms that make up the molecules of the gases used. This factor contributes to an increase in the combustion rate of the air-fuel mixture, providing high values of the coefficient of completeness of combustion in the direct-flow circuit. The effect is maintained at extremely high flight speeds with a relatively short length of the combustion chamber.

Разрабатываются мероприятия, обеспечивающие приемлемые экологические показатели двигательной установки наряду с достаточно высокими значениями удельной электропроводности газовых потоков. Обозначены также технические решения, позволяющие отказаться от применения щелочных присадок к компонентам топлива двигателей.Measures are being developed to ensure acceptable environmental performance of the propulsion system along with sufficiently high values of the electrical conductivity of gas flows. Technical solutions are also indicated that make it possible to abandon the use of alkaline additives to engine fuel components.

Снижения эффективного потенциала ионизации газовых потоков предполагается достигнуть также путем использования эффекта предионизации атомов, входящих в состав молекул действующих газов, за счет облучения их лазерными лучами, частоты которых близки к резонансу с частотами возбуждения внешних электронных оболочек атомов.It is also proposed to reduce the effective ionization potential of gas flows by using the preionization effect of the atoms that make up the molecules of the acting gases by irradiating them with laser beams whose frequencies are close to resonance with the excitation frequencies of the outer electron shells of atoms.

Модификации летательных аппаратов с предлагаемой двигательной установкойModifications of aircraft with the proposed propulsion system

Предлагаемая двигательная установка позволяет создать следующие модификации летательных аппаратов кольцевой формы нового качества:The proposed propulsion system allows you to create the following modifications of the ring-shaped aircraft of a new quality:

- Летательный аппарат, снабженный винтомоторной установкой, выполняющий функции ракетного вертолета с условным названием «РаВер», предназначенный для скоростной транспортировки грузов и пассажиров на дальние расстояния по баллистической траектории, пролегающей в космическом пространстве, с последующим полетом в вертолетном режиме, обеспечивающим барражирование, зависание и вертикальную посадку на неподготовленную площадку. Аппарат способен достигать максимально удаленного пункта от места его старта на Земле за полетное время не более часа. Он удобен в деле охраны протяженных государственных границ, для контроля территорий Сибири, Дальнего Востока и акваторий Ледовитого океана, особенно в условиях ограниченной численности персонала. Аппарат может обеспечить скоростную доставку спасателей для оказания экстренней помощи пострадавшим, находящимся на расстоянии нескольких тысяч километров от места его старта. Он обладает свойством совершать взлеты и посадки в высокогорных условиях с использованием небольших площадок, расположенных на высотах до десяти километров, что невозможно для обычного вертолета. Свойство мягкой посадки в разреженной атмосфере обусловлено более высокой скоростью газов за срезом канала МГД-ускорителя, по сравнению со скоростью воздуха за тяговым винтом вертолета.- Aircraft equipped with a propeller-engine installation, performing the functions of a rocket helicopter with the code name Raver, designed for high-speed transportation of goods and passengers over long distances along a ballistic trajectory that runs in outer space, followed by helicopter flight, allowing for barrage, hovering and vertical landing on an unprepared site. The device is able to reach the most remote point from the place of its launch on Earth in flight time of no more than an hour. It is convenient in protecting long state borders, for controlling the territories of Siberia, the Far East and the Arctic Ocean, especially in conditions of limited headcount. The device can provide speedy delivery of rescuers to provide emergency assistance to victims located at a distance of several thousand kilometers from the place of its launch. He has the ability to take off and land in high altitude conditions using small platforms located at heights of up to ten kilometers, which is impossible for a conventional helicopter. The property of soft landing in a rarefied atmosphere is caused by a higher gas velocity beyond the cut of the MHD accelerator channel, in comparison with the air velocity behind the traction screw of the helicopter.

- Модификации аппарата, предназначенные для применения в морских условиях, предусматривают достаточную плавучесть, погружение на ограниченные глубины, ожидание на донном грунте, движение с большими подводными скоростями, взлеты из подводного положения и быструю посадку на воду с малым возмущением ее поверхности.- Modifications of the device intended for use in marine conditions include sufficient buoyancy, diving to limited depths, waiting on bottom soil, movement with high underwater speeds, take-offs from the underwater position and quick landing on water with little disturbance to its surface.

- Многоразовый одноступенчатый воздушно-космический корабль с условным названием «Кольцар», разрабатываемый в качестве воздушно-космического транспортного средства для применения на предстоящих этапах промышленно-хозяйственного освоения околоземного космического пространства. Предусмотрен комплекс технических мероприятий, позволяющий аппарату многократно достигать орбитальных режимов полета с периодичностью, лимитируемой преимущественно регламентом межполетного обслуживания. Специализированные модификации аппарата способны достигать орбитальных режимов полета с конечной массой, составляющей 20-30% от стартового значения и выполнять предусмотренные маневры в околоземном космическом пространстве. Ожидаемая удельная стоимость выведения груза на орбиту вокруг Земли таким аппаратом в 50-100 раз меньше, чем современными ракетными носителями в связи с многократностью его применения, ремонтопригодностью и одноступенчатым исполнением изделия.- A reusable single-stage aerospace ship with the code name "Kolzar", developed as an aerospace vehicle for use in the upcoming stages of industrial and economic development of near-Earth outer space. A set of technical measures is provided that allows the device to repeatedly achieve orbital flight modes with a frequency limited mainly by the inter-flight maintenance regulations. Specialized modifications of the device are capable of achieving orbital flight regimes with a final mass of 20-30% of the starting value and performing the provided maneuvers in near-Earth space. The expected unit cost of putting the cargo into orbit around the Earth with such an apparatus is 50-100 times less than with modern rocket carriers due to its repeated use, maintainability and single-stage execution of the product.

- Космическая станция, обладающая свойством самостоятельно, без ракетного носителя достигать орбитальных режимов полета вокруг Земли и совершать маневры в космическом пространстве. Актуальной задачей для такой станции является создание постоянно действующих экспедиционных баз на орбитах вокруг Земли, Луны, Марса и на их поверхностях. Станции могут содержать многочисленный экипаж, системы жизнеобеспечения, жилые, производственные и складские помещения, а также транспортные средства, необходимые для эффективного освоения Луны и других ближайших небесных тел Солнечной Системы. В настоящее время не выявлены принципиальные трудности, которые могли бы препятствовать созданию подобных объектов диаметром более километра, произведенных в наземных производственных условиях на основе действующей современной технологии, оснащенных двигательными установками предлагаемого типа.- A space station that has the ability to independently, without a rocket launcher, achieve orbital flight regimes around the Earth and perform maneuvers in outer space. An urgent task for such a station is the creation of constantly operating expeditionary bases in orbits around the Earth, the Moon, Mars and on their surfaces. Stations may contain a large crew, life support systems, residential, industrial and storage facilities, as well as vehicles necessary for the effective development of the Moon and other nearby celestial bodies of the Solar System. At present, no fundamental difficulties have been identified that could impede the creation of such objects with a diameter of more than a kilometer, produced in ground-based production conditions on the basis of current modern technology, equipped with propulsion systems of the proposed type.

- Летательный аппарат для дальних космических экспедиций с условным названием «ГАЛАКТЭР», оборудованный ядерно-энергетической установкой, позволяет достигать орбитального режима полета вокруг Земли без использования ядерного реактора и тем гарантировать радиационную безопасность на ее поверхности даже в случае аварийного падения изделия. Такое свойство можно обеспечивать путем применения нового ядерного реактора, который еще не успел наработать радиоактивные изотопы, поскольку лишь в производственных условиях подвергался кратковременным физическим и технологическим включениям. Отделяемый блок бортовой ядерно-энергетической установки, снабженный всесторонней профилированной биологической защитой экипажа от ядерных излучений, предполагается выводить на орбиту вокруг Земли высотой не менее 2000 км в штатной компоновке, но всегда с заглушенным ядерным реактором. Этот блок никогда не вернется на Землю. После выполнения полетных задач или выработки ресурса реактора, он отделяется от корабля и транспортируется на высокую орбиту захоронения.- An aircraft for long-distance space expeditions with the code name “GALATER”, equipped with a nuclear power plant, makes it possible to achieve an orbital flight regime around the Earth without using a nuclear reactor and thereby guarantee radiation safety on its surface even in the event of an accidental fall of the product. Such a property can be ensured by using a new nuclear reactor, which has not yet had time to produce radioactive isotopes, since it was subjected to short-term physical and technological inclusions only in production conditions. A detachable unit of the onboard nuclear power plant, equipped with comprehensive profiled biological protection of the crew from nuclear radiation, is supposed to be put into orbit around the Earth with a height of at least 2000 km in a standard layout, but always with a drowned nuclear reactor. This block will never return to Earth. After completing flight tasks or developing a reactor resource, it is separated from the ship and transported to a high burial orbit.

Бортовая ядерно-энергетическая установка корабля предусматривает возможность ее настройки в режим отбора, сжижения и накопления атмосферной массы в освободившихся бортовых емкостях изделия, а также в режим торможения космического корабля магнитным полем при возвращении в атмосферу. Отбор массы атмосферных газов и ее накопление производятся в процессе многосуточных полетов с орбитальными скоростями в оптимальных слоях атмосфер, в частности Земли и Марса. При этом кинетическая энергия отбираемых газов перед их сжатием и сжижением уменьшается средствами МГД приблизительно в десять раз. Накопленная масса предназначена для питания нагревных и электроракетных двигателей на дальних трассах межпланетных перелетов.The ship’s onboard nuclear power plant provides the ability to configure it in the mode of selection, liquefaction and accumulation of atmospheric mass in the released on-board tanks of the product, as well as in the braking mode of the spacecraft with a magnetic field when it is returned to the atmosphere. The selection of atmospheric gas mass and its accumulation are carried out during multi-day flights with orbital speeds in optimal atmospheric layers, in particular Earth and Mars. In this case, the kinetic energy of the selected gases before their compression and liquefaction is reduced by means of MHD approximately ten times. The accumulated mass is designed to power heating and electric rocket engines on long-distance routes of interplanetary flights.

Торможение аппарата в верхних слоях атмосферы на космических скоростях может производиться путем распространения магнитного поля от бортовой магнитной системы относительно далеко за обводы аппарата, где тепловые потоки малы. На пути пересечения магнитного поля с атмосферными газами индуцируются вихревые электрические токи, которые расходуют кинетическую энергию аппарата преимущественно на нагрев атмосферного газа, а не на нагрев его конструкции. В плотные слои атмосферы аппарат погружается уже с уменьшенной скоростью, с малыми тепловыми потоками со стороны атмосферы и с приемлемой температурой его обтекаемой поверхности.Deceleration of the apparatus in the upper atmosphere at cosmic speeds can be achieved by propagating the magnetic field from the onboard magnetic system relatively far beyond the contours of the apparatus, where the heat fluxes are small. On the way of the intersection of the magnetic field with atmospheric gases, eddy electric currents are induced, which consume the kinetic energy of the apparatus primarily for heating atmospheric gas, and not for heating its structure. The apparatus plunges into the dense layers of the atmosphere with a reduced speed, with small heat fluxes from the side of the atmosphere and with an acceptable temperature of its streamlined surface.

Принципы МГД позволяют создать высокоскоростную аэродинамическую трубу, способную имитировать натурные режимы атмосферного полета моделей гиперзвуковых и воздушно-космических транспортных средств. Труба не предусматривает потребление электрической энергии, поскольку для ускорения модельного газа используется кинетическая энергия продуктов сгорания ракетного топлива за срезом сопла ракетных камер.The principles of MHD allow you to create a high-speed wind tunnel that can simulate full-scale atmospheric flight modes of models of hypersonic and aerospace vehicles. The pipe does not provide for the consumption of electric energy, since the kinetic energy of the combustion products of rocket fuel is used to accelerate the model gas beyond the nozzle section of the rocket chambers.

Использование летательных аппаратов с предлагаемой двигательной установкойThe use of aircraft with the proposed propulsion system

Ниже перечислены возможности использования предлагаемой двигательной установки в составе летательных аппаратов преимущественно кольцевой формы, предназначенных для работ по промышленно-хозяйственному освоению космического пространства.Listed below are the possibilities of using the proposed propulsion system as part of aircraft of predominantly annular shape intended for work on industrial and economic space exploration.

- Создание и эксплуатация систем орбитальных ретрансляторов большой мощности, движущихся вокруг Земли, способных обеспечивать глобальную связь каждого с каждым в мобильном режиме из пунктов, расположенных в космосе, в воздухе, на суше и в океане.- Creation and operation of systems of high power orbital repeaters moving around the Earth, capable of providing global communication of each with each in a mobile mode from points located in space, in air, on land and in the ocean.

- Обеспечение транспортных нужд при строительстве, натурных испытаниях и обслуживании систем снабжения наземных потребителей преобразованной солнечной энергией из космоса в качестве стратегической альтернативы ископаемым источникам энергии, таким как нефть, уголь или природный газ.- Provision of transportation needs during construction, field testing and maintenance of systems for supplying terrestrial consumers with converted solar energy from space as a strategic alternative to fossil energy sources such as oil, coal or natural gas.

- Создание и эксплуатация производственных предприятий на околоземных орбитах, производящих уникальную продукцию, например литий-бериллиевый сплав для авиационной и космической отраслей промышленности, или чистый инсулин, свойства которого приближаются к природному препарату, а также многие другие изделия.- Creation and operation of manufacturing enterprises in near-Earth orbits producing unique products, for example, lithium-beryllium alloy for the aviation and space industries, or pure insulin, the properties of which are close to a natural preparation, as well as many other products.

- Разработка на поверхностях и в недрах отдельных, экологически доступных небесных тел Солнечной Системы, полезных ресурсов, экономически целесообразных для транспортирования их на Землю или для использования в полете. Это могут быть рудные конгломераты с высоким содержанием редкоземельных и драгоценных металлов, или реликтовые вещества, содержащие водород, азот, а также минералы, удобные для производства воды и воздуха, а также для обеспечении жизнедеятельности экипажей или в качестве рабочего тела для питания двигателей экспедиционных кораблей в дальнем космосе.- Development on the surfaces and in the bowels of separate, environmentally accessible celestial bodies of the Solar System, useful resources that are economically viable for transporting them to Earth or for use in flight. These may be ore conglomerates with a high content of rare-earth and precious metals, or relict substances containing hydrogen, nitrogen, as well as minerals suitable for the production of water and air, as well as for ensuring the vital functions of crews or as a working fluid for powering the engines of expeditionary ships in deep space.

Считаем своевременными проведение проектных исследований, направленных на создание комплекса транспортных средств и специального оборудования, способных обеспечивать разведывательные полеты к Сатурну для исследования свойств и доставку на Землю уникальных или драгоценных материалов, которые входят в состав россыпи его колец.We consider it timely to carry out design studies aimed at creating a complex of vehicles and special equipment that can provide reconnaissance flights to Saturn to study the properties and deliver to the Earth unique or precious materials that are part of the placer of its rings.

- Искусственное восстановление защитного озонового слоя в атмосфере Земли, нарушенного промышленными загрязнениями, путем дополнительного возбуждения атомов кислорода в пораженных локальных участках атмосферы лазерными лучами, направляемыми с борта космического корабля, движущегося в орбитальном режиме.- Artificial restoration of the protective ozone layer in the Earth’s atmosphere, disrupted by industrial pollution, by additional excitation of oxygen atoms in the affected local parts of the atmosphere by laser beams sent from the board of the spacecraft moving in orbital mode.

- Регулируемая подсветка территорий южного и северного Заполярья в зимние периоды путем использования орбитального рефлектора, образованного зеркальной пленкой, натянутой по кромке воздушно-космического летательного аппарата кольцевой формы.- Adjustable illumination of the territories of the southern and northern polar regions in winter by using an orbital reflector formed by a mirror film stretched along the edge of a ring-shaped aerospace aircraft.

- Создание глобальной системы защиты Земли от метеорной опасности. Она должна содержать средства непрерывного мониторинга опасности и космическую инфраструктуру ее отражения.- Creation of a global system for protecting the Earth from meteor danger. It should contain means of continuous hazard monitoring and the space infrastructure for its reflection.

- Создание системы дальней космической обороны, которая состоит в том, что воздушно-космический корабль, оборудованный ядерно-энергетической установкой с замкнутым термодинамическим циклом, укомплектованный сменным экипажем, скрытно находится в дальнем космосе в состоянии длительного дежурства. В период обострения военного противостояния корабль способен приближаться к Земле и наносить удары возмездия даже в том случае, если наш оборонный потенциал будет уничтожен превентивным ядерным ударом. Противник учтет такой исход конфликта и заранее умерит агрессивную активность при любом начальном соотношении наземного вооружения. При этом обесценится стратегическая значимость противоракетной обороны земного базирования.- The creation of a long-range space defense system, which consists in the fact that an aerospace ship equipped with a nuclear power plant with a closed thermodynamic cycle, equipped with a removable crew, is secretly in deep space in a state of prolonged duty. During the period of aggravation of military confrontation, the ship is able to approach the Earth and deliver retaliation strikes even if our defense potential is destroyed by a preventive nuclear strike. The enemy will take into account such an outcome of the conflict and will die in advance of aggressive activity at any initial ratio of ground weapons. At the same time, the strategic importance of land-based missile defense will be devalued.

Claims

1. Aircraft propulsion system, comprising an annular air intake channel, the walls of which are made of electrically resistive material, formed between the device body and the air intake shell, in the volume of which a radial magnetic field is induced by superconducting cryogenic current conductors, characterized in that the electrodeless MHD modules are installed in the air intake channel a hexagonal box-shaped electric power generator that converts the kinetic power of the combustion product streams of fuels moving from rocket chambers installed between adjacent faces of the MHD generator modules and turned by nozzle sections towards the head fairing, to the power of the electric current circulating through the electrically conductive gas in the cavity of the intake channel, and in the gaps between the MHD generator modules under the action of the electrodynamic of the force generated by the ring electric current in the presence of a radial magnetic field, the mass of the conductive atmospheric gas is accelerated in the direction of the stern parts of the apparatus, which gives the product reactive thrust, which under atmospheric flight conditions can be several times higher than the total thrust of rocket chambers operating as part of MHD generator modules.

2. The method of operation of the propulsion system according to claim 1, characterized in that a part of the kinetic power of the rocket fuel combustion products behind the nozzle sections of the rocket chambers operating in the atmospheric portion of the flight as part of the boxless electrodeless modules of the MHD generator of electric energy is converted into electric current power, which is used between the modules of an electrodeless MHD generator to accelerate the mass of outboard atmospheric gas by an electrodynamic force that is generated in the presence of the same ceiling elements and the annular magnetic field and the electric current is directed toward the stern apparatus that creates increased traction and results in an increase in final velocity and range of the aircraft.