Патент на изобретение №2397924

(54) АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ САМОЛЕТ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретения относятся к области авиационно-космической техники, а именно к установке для сжижения, накопления и хранения на борту в сжиженном состоянии забираемого при полете аэрокосмического самолета из атмосферы газа или воздуха и к способу работы установки. Установка включает средства для подвода, сжатия, закручивания и предварительного охлаждения сжижаемого газа или воздуха, а также сверхзвуковое сопло для его последующего расширения до точки росы и устройство для отвода образующейся жидкой фазы в виде кольцевой щели между стенками сопла и установленной в его полости конической обечайки. Средством для подвода, сжатия, закручивания и предварительного охлаждения сжижаемого газа или воздуха служит забирающий сверхзвуковой поток, создаваемый за счет полета аэрокосмического самолета, воздухозаборник с возможностью преобразования энергии скоростного напора в статическое давление и осевого вращения потока и одновременно с этим его охлаждения. Сверхзвуковое сопло выполнено с охлаждаемыми стенками и пристыковано к диффузору с образованием с ним единого термодинамического канала. Кольцевая щель устройства для отвода жидкой фазы выполнена с возможностью охлаждения и сообщена с бортовым ее накопителем. Достигается увеличение высоты, продолжительности полета в воздушном, безвоздушном и космическом пространстве. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области авиационно-космической техники, касается летательных аппаратов с ядерным ракетным двигателем, использующим в качестве рабочего тела атмосферный газ (воздух), и может найти эффективное применение для осуществления активных длительных беспосадочных полетов как в атмосфере, так и в безвоздушном (стратосфере) и околоземном космическом пространстве.

Известна авиационно-космическая система с использованием самолета с ограниченными высотой и продолжительностью полета [1].

Известные сверхзвуковые самолеты с воздушно-реактивными двигателями (ВРД), использующие для создания тяги забираемый воздухозаборниками (диффузорами) атмосферный воздух, по этой причине не могут летать в безвоздушном пространстве [2].

Известные летательные аппараты, оборудованные жидкостными реактивными двигателями (ЖРД) и использующие бортовой запас топлива, в том числе в виде сжиженных газов, например водорода в качестве горючего и кислорода как окислителя, из-за ограниченности этого запаса имеют ограниченную продолжительность беспосадочного полета. [3].

По этой же причине ограниченной продолжительностью активного полета обладают и известные проекты летательных аппаратов (ракет, самолетов) с ядерным ракетным двигателем (ЯРД), заправленные на Земле сжиженным рабочим газом [4].

Сам по себе способ сжижения газа, в том числе с помощью адиабатического расширения в сверхзвуковом сопле известен [5, 6].

Его основу составляют процессы сжатия и предварительного охлаждение газа, осевого закручивания газового потока и его расширения до точки росы в сверхзвуковом сопле, разделения фаз на приосевой (газопаровой) и периферийный жидкостной потоки за счет действия центробежных сил в закрученном потоке и отвода жидкой фазы.

Устройства для реализации этих процессов содержат средства для подвода (трубопровод) и нагнетания (компрессор) газа в камеру давления для его сжатия, устройства для его предварительного охлаждения (теплообменник) и осевой закрутки газового потока (циклон, тангенциальные вводы), устройство для образования (генерирования) жидкой фазы, например, в виде сверхзвукового адиабатического сопла [5], а также устройства для отбора жидкой фазы, или в виде перфорированных стенок сопла [6], или в виде кольцевой щели, образованной стенками сопла с установленной в нем усеченной конической обечайки [5].

Наиболее близким к изобретению может служить самолет, содержащий корпус (фюзеляж) с воздухозаборниками (диффузорами) и термореактивным ядерным ракетным двигателем (ЯРД), использующий в качестве рабочего тела забираемый при полете диффузорами атмосферный воздух ([4], стр.88, рис.2-18).

Забираемый диффузорами атмосферный воздух – рабочее тело направляется в нагревательные каналы активной зоны реактора ЯРД, где нагревается до высокой температуры (порядка 3000 град.) и затем, расширяясь в сопле Ловаля до сверхзвуковой скорости (порядка 4000 м/сек), выбрасывается наружу, создавая силу тяги.

Существенные недостатки данного прототипа – невозможность полета в безвоздушном (космическом) пространстве и соответственно ограниченность (допустимой степенью разреженности атмосферы) высоты полета.

С целью устранения указанных недостатков и обеспечения возможности активного полета и в атмосфере, и в безвоздушном (стратосфере), и околоземном космическом пространстве с неограниченной беспосадочной (без посадки на Землю для заправки рабочим телом) продолжительностью полета и предлагается данное изобретение.

Данное изобретение может быть использовано и для осуществления долговременных беспосадочных орбитальных полетов вокруг других планет, имеющих какую-либо атмосферу, могущую быть использованной в качестве рабочего тела для ЯРД.

Поставленная цель достигается тем, что аэрокосмический самолет (далее АКС), включающий корпус (фюзеляж) с воздухозаборниками (диффузорами) и ядерный ракетный двигатель (ЯРД), использующий в качестве рабочего тела атмосферный воздух (газ), дополнительно оборудован по меньшей мере одной установкой для сжижения, накопления и хранения на борту в сжиженном состоянии забираемого диффузорами при полете в атмосфере воздуха (газа) с возможностью использования затем при полете в безвоздушном и космическом пространстве в качестве рабочего тела ядерного ракетного двигателя.

То есть при полете в безвоздушном и околоземном космическом пространстве АКС периодически (по мере расходования бортового запаса сжиженного воздуха – рабочего тела) снижается, плавно входит в атмосферу и, продолжая активный полет в атмосфере, пополняет с помощью этой установки запас сжиженного воздуха – рабочего тела, после чего возвращается обратно в космос для продолжения полета.

Таким образом эта сжижающая забираемый атмосферный воздух установка при полете АКС является бортовым заправщиком рабочим телом (воздухозаправщиком).

В общем случае такая сжижающая установка – воздухозаправщик может быть размещена и внутри корпуса (фюзеляжа) АКС и скомпонована снаружи на нем в виде отдельного агрегата с использованием имеющихся в АКС и переоборудованных соответствующим образом штатных диффузоров.

В частном техническом решении АКС оборудован оснащенной собственным сверхзвуковым диффузором установкой для сжижения, накопления и хранения на борту в сжиженном состоянии забираемого им при полете в атмосфере воздуха.

Такая сжижающая установка, выполненная в виде отдельного агрегата, может быть размещена вместе с диффузором в общей закрепленной вдоль фюзеляжа гондоле.

В другом варианте АКС оборудован парой оснащенных собственными сверхзвуковыми диффузорами установок для сжижения, накопления и хранения на борту в сжиженном состоянии забираемого ими при полете в атмосфере воздуха, размещенных вместе с ними в общих расположенных симметрично по бортам вдоль фюзеляжа гондолах.

При такой компоновке пара этих симметрично расположенных гондол соответствующей конструкции при полете в атмосфере может одновременно выполнять (совместно с обычными плоскостями) аэродинамические функции несущих поверхностей.

В оснащенной собственными сверхзвуковыми диффузорами сжижающей установке средствами для подвода, сжатия и осевого закручивания сжижаемого газа (воздуха) служат создаваемый полетом сверхзвуковой его поток и забирающий этот поток диффузор, выполненный с возможностью преобразования энергии скоростного напора потока в статическое давление и вращательное движение вокруг продольной оси и одновременно с этим его охлаждения.

Сверхзвуковое сопло при этом выполнено с охлаждаемыми стенами и пристыковано к диффузору с образованием с ним единого термодинамического канала, а кольцевая щель устройства для отвода жидкой фазы выполнена с возможностью охлаждения и сообщена с бортовым ее накопителем.

В частности, диффузор описываемой сжижающей установки выполнен с рубашкой охлаждения стенок и охлаждаемым полым центральным телом, состоящим из наружного патрубка, головная часть которого развита в профилированную коническую поверхность, образующую со стенками диффузора сообщенный с полостью сверхзвукового адиабатического сопла сужающерасширяющийся кольцевой канал, и заключенного в нем внутреннего патрубка, сообщенного с полостью центрального тела, устройство для осевого закручивания входящего воздушного потока выполнено в виде установленных в вышеупомянутом кольцевом канале диффузора винтовых ребер с образованием поворотных полостей, а адиабатическое сопло размещено в заполненной сжиженным воздухом полости криостата.

При этом входы в рубашку охлаждения стенок и в полость центрального тела диффузора криогенными трубопроводами с прокачивающими устройствами подключены к полости криостата, а выходы из них тангенциально сообщены с полостью сопла, полость криостата криогенными трубопроводами с питательными насосами и кольцевая щель устройства для отвода жидкой фазы криогенными трубопроводами с отсасывающими устройствами соединены с бортовым баком (баками) – криостатом (ми), а выход из полости конической обечайки сообщен с внешней средой.

Особенность способа работы описываемой сжижающей установки, заключающегося в подводе, сжатии и предварительном охлаждении сжижаемого газа (воздуха), осевом закручивании потока и его последующем расширении до точки росы в сверхзвуковом сопле с отводом образующейся жидкой фазы, состоит в том, что подвод осуществляют путем создания за счет полета сверхзвукового газового (воздушного) потока, сжатие и осевое закручивание которого осуществляют в диффузоре за счет преобразования кинетической энергии его скоростного напора в статическое давление и осевое вращение с расчетным центробежным ускорением, предварительное охлаждение производят в диффузоре за счет охлаждения его стенок и центрального тела прокачиваемым сжиженным воздухом с последующим тангенциальным вводом образующейся после охлаждения парожидкостной среды в полость сопла, адиабатическое расширение потока в сопле производят с одновременным дополнительным охлаждением за счет теплообмена его периферийного слоя – со стенками погруженного в криостат сопла, а осевого – с патрубками центрального тела диффузора, при этом жидкую фазу из кольцевой щели отсасывают в бортовой накопитель, а несконденсировавшийся приосевой поток выбрасывают наружу.

Изобретение поясняется на следующих чертежах.

На фиг.1 показан общий вид части описываемого АКС, оборудованного установкой для сжижения забираемого потока атмосферного воздуха – рабочего тела.

На фиг.2 показан общий вид части описываемого АКС, оборудованного парой установок для сжижения забираемого потока атмосферного воздуха – рабочего тела.

На фиг.3 показана конструкция сжижающей установки воздухозаправщика АКС.

Описываемый аэрокосмический самолет (АКС) (фиг.1) включает корпус (фюзеляж) 1 со штатными воздухозаборниками (диффузорами) 2 и термореактивный ядерный ракетный двигатель (ЯРД) (на чертеже не показан), использующий в качестве рабочего тела забираемый диффузорами 2 поток (показано стрелками) атмосферного воздуха.

С целью обеспечения неограниченной наличием атмосферы высоты полета, а также неограниченной бортовым запасом рабочего тела продолжительности активного беспосадочного полета в безвоздушном (стратосфере) и космическом, преимущественно околоземном космическом пространстве описываемый АКС с ЯРД дополнительно оборудован по меньшей мере одной установкой 3 для сжижения, накапливания и хранения на борту в сжиженном состоянии забираемого диффузорами 2 (при полете в атмосфере) потока атмосферного воздуха с возможностью использования затем при полете в безвоздушном и космическом пространстве в качестве рабочего тела ЯРД и являющейся в этом отношении бортовым его заправщиком рабочим телом (воздухозаправщиком) (фиг.1).

То есть при полете в безвоздушном и космическом пространстве АКС периодически (по мере расходования бортового запаса сжиженного воздуха – рабочего тела) снижается, плавно входит в атмосферу и, продолжая в ней активный полет, пополняет с помощью указанной установки – воздухозаправщика запас сжиженного воздуха рабочего тела, после чего возвращается обратно для продолжения полета в стратосфере, космосе.

В общем случае в АКС могут быть использованы любые известные высокоэффективные установки для сжижения забираемого при полете атмосферного воздуха, обеспечивающие необходимую эффективность работы и производительность.

При этом оборудование установки (в зависимости от ее конструктивных и иных особенностей) может быть размещено и (или) в корпусе (фюзеляже) 1 АКС, и (или) снаружи на нем и скомпоновано в виде единого агрегата.

В описываемом частном техническом решении АКС оборудован оснащенной собственным сверхзвуковым диффузором 4 установкой 3 для сжижения, накопления и хранения на борту в сжиженном состоянии забираемого (стрелки 5) при полете в атмосфере потока воздуха, размещенной вместе с диффузором 4 в закрепленной вдоль фюзеляжа 1 общей гондоле 6 (фиг.1).

В другом варианте (фиг.2) АКС оборудован парой оснащенных собственными сверхзвуковыми диффузорами 4 установок 3 для сжижения, накопления и хранения на борту в сжиженном состоянии забираемого ими при полете в атмосфере потока воздуха (стрелки 5), размещенных вместе с диффузорами 4 в общих расположенных симметрично (например, как показано на фиг.2) по бортам вдоль фюзеляжа 1 гондолах 6.

При такой компоновке и соответствующей конструкции пара гондол 6 при полете в атмосфере может одновременно выполнять (совместно с обычными плоскостями) аэродинамические функции несущих поверхностей.

Как отмечено выше, известные аналоги для сжижения газа содержат: средства для подвода (трубопровод), сжатия (компрессор с камерой давления), предварительного охлаждения (теплообменник) и закручивания (циклоны, тангенциальные вводы, поворотные каналы и т.д.) газового потока, а также устройство для образования (генерирования) жидкой фазы (сверхзвуковое адиабатическое сопло) и устройство для отвода образующейся жидкой фазы (в виде перфорированных стенок сопла или кольцевой щели между стенками сопла и установленной в его полости усеченного конуса).

В изобретении сжижение забираемого атмосферного воздуха осуществляется в процессе полете и за счет полета с использованием исключительно кинетической энергии набегающего сверхзвукового воздушного потока.

Поэтому в описываемой оснащенной собственным сверхзвуковым диффузором 4 установке 3 средством для подвода сжижаемого газа (воздуха) служит собственно сверхзвуковой полет АКС (перемещение в атмосфере воздухозаборника), а средством для сжатия и осевого закручивания (подводимого за счет полета) потока воздуха служат кинетическая энергия его скоростного напора и преобразователь этой энергии – забирающий поток сверхзвуковой диффузор 4, выполненный и оснащенный для этого с возможностью преобразования энергии скоростного напора потока в статическое давление и вращательное движение вокруг продольной оси, а также с возможностью одновременно с этим его предварительного охлаждения (фиг.3).

При этом сверхзвуковое адиабатическое сопло 7 выполнено с возможностью дополнительного охлаждения расширяемого в нем воздушного потока и пристыковано к диффузору 4 с образованием единого с ним термодинамического канала.

Устройство для отвода и сбора жидкой фазы выполнено в виде охлаждаемой (через охлаждаемые стенки сопла 7) кольцевой щели 8, образованной стенками сопла 7 и установленной в нем соосно закрепленной на его стенках конусообразной обечайкой 9, 10 – одни из условных узлов крепления обечайки 9 к соплу 7.

В частном техническом решении (фиг.3) диффузор 4 выполнен с рубашкой охлаждения 11 его стенок и охлаждаемым полым центральным телом 12, состоящим из наружного патрубка 13, передняя (головная) часть которого развита в профилированную коническую поверхность 14 собственно центрального тела 12, образующую со стенками диффузора 4 сообщенный с полостью сопла 7 сужающерасширяющийся кольцевой канал 15, и заключенного в нем внутреннего патрубка 16, сообщенного с полостью центрального тела 12.

Устройство для осевого закручивания воздушного потока выполнено в виде установленных в кольцевом канале 15, закрепленных на стенках и (или) поверхности 14 центрального тела 12 диффузора 4 винтовых ребер 17, образующих в последнем поворотные полости 18.

При этом закручивающие воздушный поток ребра 17 могут быть расположены как в передней сужающейся части кольцевого канала 15, так и (как это показано на чертеже фиг.3) за критическим сечением в расширяющейся его части с образованием в последней расширяющихся поворотных полостей 18, в частности (при четырех ребрах 17) – четырех поворотных полостей 18.

Преимущества и недостатки каждого из этих решений могут состоять в том, что в первом за счет внешнего сверхзвукового потока можно получать высокие скорости его осевой закрутки (величину центробежного ускорения), но сложно обеспечить плавный безударный вход сверхзвукового потока в диффузор 4 (из-за чего возрастают потери энергии и его температура). Второе решение, показанное на чертеже, позволяет обеспечить более плавный безударный вход в диффузор 4 сверхзвукового потока, но имеет ограничения по скорости его последующей осевой закрутки (так как в критическом сечении поток становится звуковым).

Оптимальное решение остается за аэро- и термодинамическим расчетом.

Сверхзвуковое сопло 7 с целью постоянного охлаждения стенок размещено в заполненной сжиженным воздухом полости криостата 19. Это интенсифицирует процесс конденсации и сохранения жидкого слоя на стенках сопла.

Входы в рубашку охлаждения 11 стенок диффузора 4 трубопроводами 20 с прокачивающими устройствами (насосами) 21 и внешний патрубок 13 его центрального тела 12 трубопроводами 22 с прокачивающими устройствами 23 подключены к полости криостата 19, а выходы 24 из рубашки охлаждения 11 и выходы 25 из внутреннего патрубка 16 центрального тела 12 тангенциально сообщены с полостью сопла 7.

Полость криостата 19, криогенными трубопроводами 26 с питательными насосами 27 и кольцевая щель 8 устройства для отвода жидкой фазы криогенными трубопроводами 28 с отсасывающими устройствами (вакуумными насосами) 29 связаны с бортовым(и) накопителем(лями) – баком (ми) 30 сжиженного воздуха-рабочего тела.

Выход из полости конусообразной обечайки 9 сообщен с внешней средой.

Заправка АКС при полете в атмосфере рабочим телом – сжиженным атмосферным воздухом и связанная с этим работа описываемой установки – воздухозаправщика 3 заключаются в следующем.

Полет АКС в безвоздушном и околоземном космическом пространстве осуществляется на запасенном на борту в баках-криостатах 30 (во время полета в атмосфере) сжиженном воздухе, подаваемом (известной системой подачи сжиженного рабочего тела) в нагревательную часть (активную зону реактора) ЯРД.

При расходовании бортового запаса рабочего тела АКС снижается, с расчетной скоростью плавно входит в обеспечивающие эффективную работу сжижающей установки 3 слои атмосферы и, продолжая активный полет в атмосфере, производит заправку АКС сжиженным воздухом

При этом ЯРД (с целью ускорения процесса заправки) работает на атмосферном воздухе, забираемом обычными диффузорами 2 АКС.

Способ работы оснащенной собственными диффузорами 4 установки 3 в это время осуществляется следующем образом (см. фиг.3).

При сверхзвуковом полете в атмосфере (горизонтальном или маневренном) забираемый диффузорами 4 установки 3 воздушный поток (стрелки 5) во входной сужающейся части кольцевого канала 15 (за счет преобразования динамического напора в статическое давление) сжимается и одновременно с этим (за счет конвективного теплообмена с охлаждаемыми стенками и поверхностью 14 центрального тела 12) предварительно охлаждается.

Охлаждение стенок и поверхности 14 центрального тела 12 диффузора 4 при этом производится за счет прокачки через рубашку охлаждения 11 и патрубок 13, соответственно насосами 21 и 23 по трубопроводам 20 и 22 сжиженного воздуха, забираемого из криостата 19.

(При необходимости в конструкции может бать предусмотрено и дополнительное охлаждение с прокачкой стороннего охладителя.)

При входе в образованные винтовыми ребрами 17 поворотные расширяющиеся полости 18 кольцевого канала 15 воздушный поток, продолжая охлаждаться (за счет теплообмена со стенками и центральным телом диффузора), подвергается интенсивному осевому закручиванию с целью достижения расчетной величины центробежного ускорения (по некоторым известным [5] оценкам до 10000 g (g – ускорение силы тяжести)).

За счет расширения в полостях 18 закрученные воздушные потоки становятся сверхзвуковыми и на входе в сопло 7 сливаются в единый сверхзвуковой вихревой поток (показано стрелкой 31).

При этом истекающая из рубашки 11 и патрубка 16 парожидкостная среда через тангенциальные выходы соответственно 22 и 25 (показано стрелками 32 и 33) с осевой закруткой вводится в основной поток.

Последующий процесс сжижения сверхзвукового закрученного воздушного потока осуществляется в сопле 7 путем адиабатического его расширения с охлаждением до точки росы.

При этом производится дополнительное охлаждение периферийного (пристеночного) слоя потока за счет конвективного теплообмена с охлаждаемыми стенками помещенного в криостат 19 сопла 7 и его осевого слоя – за счет теплообмена с патрубками 13 и 16 центрального тела 12 диффузора 4. Это существенно интенсифицирует процесс сжижения, повышает производительность установки.

Разделение образующейся жидкой и газовой фаз производится энергетическим путем за счет возникающих во вращающемся вокруг продольной оси потоке центробежных сил, отбрасывающих более плотные частицы жидкости к стенкам сопла 7 с образованием пристеночного жидкостного слоя.

Стекающую (стрелки 34) по стенкам сопла 7 в кольцевую щель 8 жидкую фазу (заполняющую ее сечение, препятствуя проникновению газовой фазы) отсасывают с помощью вакуумного насоса 29 и по трубопроводу 28 направляют в бортовые баки-криостаты 30 с возможностью хранения в сжиженном состоянии и последующего (при полете в безвоздушном и космическом пространстве) использования в качестве рабочего тела ЯРД.

Оставшийся приосевой газовый (парожидкостной) поток через полость обечайки 8 выбрасывается (стрелка 35) наружу.

Конкретные (оптимальные) геометрические параметры диффузора 4, кольцевого канала 15 и закручивающих поток полостей 18 и адиабатического сопла 7, а также параметры течения и закручивания воздушного потока определяются на основе газо- и термодинамического расчетов.

Существенными особенностями конструкции и работы описываемой сжижающей установки как бортового заправщика АКС рабочим телом является то, что:

– средством подвода сжижаемого газа (воздуха) является собственно полет (т.е. пространственное перемещение самого подводящего сжижаемый газ устройства);

– средством для сжатия и осевого закручивания газа служит энергия скоростного напора создаваемого полетом сверхзвукового газового потока;

– для повышения производительности установки за счет интенсификации процесса сжижения в конструкции предусмотрено дополнительное охлаждение осевого и пристеночного слоев расширяемого в сопле 7 газового потока;

– единым устройством для осуществления этих процессов, а также для предварительного охлаждения воздушного потока служат выполненные вышеописанным образом с образованием единого термодинамического канала сверхзвуковые диффузор 4 и пристыкованное к нему адиабатическое сопло 7.

В своей совокупности эти качества способствуют достижению поставленной общей цели.

Для обеспечения запуска установки криостат 19 постоянно заполнен сжиженным воздухом и через трубопровод 26 с насосом 27 периодически подпитывается им из бортовых накопителей рабочего тела – баков 30.

Взлет АКС с Земли может осуществляться на рабочем теле, накопленном на борту при плавном спуске. По достижении расчетной скорости в работу включаются штатные диффузоры 2 АКС, а диффузоры 4 сжижающей установки 3 начинают работать на заправку рабочим телом.

В общем случае процесс заправки может производиться в атмосфере на любой высоте при соответствующей расчетной (оптимальной) скорости полета АКС в зависимости от текущих параметров атмосферы (плотности, температуры, состава и др.).

Благодаря изобретению беспосадочный активный полет АКС в безвоздушном и околоземном космическом пространстве может осуществляться без ограничения его продолжительности по причине нехватки рабочего тела.

Для оценки возможных параметров описываемой сжижающей установки воздухозаправщика АКС ниже приводится расчетный пример с использованием известных данных и формул.

Примем, что воздухозаправка производится при полете АКС со скоростью 4М (Маха) или (при местной скорости звука равной, например, ао=342 м/сек) со скоростью Wo=342·4=1368 м/сек.

Реально создаваемое при этом воздушным потоком давление в диффузоре может достигать р1=70кГ/см² (см.[2], стр.7, рис.1).

Предположим при этом, что за счет охлаждения стенок и центрального тела диффузора температура воздуха в нем поддерживается равной t1=100 (°С) или Т1=373 (°К).

Значения параметров газа (температуры Ткр, давления Ркр, удельных объема Vкр и веса jкр) в критическом сечении диффузора (на входе в адиабатическое сопло) определим по известным формулам: ([3], стр.252)

Ткр/Т1=2/(К+1)=0,528

где К=1,4 – показатель адиабаты для воздуха,

откуда находим

Ткр=311 (^оК)

Ркр=36,9 (кГ/см²)

Vкp=24 (см³/Г)

Критическая скорость Wкр, равная местной скорости звука

составит Wкр=акр=354 (м/сек()

где R=29,27 кГ/кГ·град (универсальная газовая постоянная),

g=9,81 (м/сек²) – ускорение силы тяжести.

Используя для расчета адиабатического течения идеального газа в сопле известные формулы, а именно ([7], стр.93):

(где Т2, Р2, V2 и j2 соответственно температура, давление, удельные объем и вес воздуха в сечении сопла, в месте его конденсации),

и, приняв значение температуры при конденсации равным

t2=-194 (°С) или Т2=79 (°К), находим:

T_kr/T2=3,93, Ркр/Р2=120,8, Vкp/v2=0,0325

Откуда Р2=0,306 (кГ/см²), v2=255 (см³/Г), j2=1/V2=0,00132 (Г/см³).

Скорость w2 течения газа в сечении сопла, в месте конденсации (точки росы), вычисленная по формуле ([7], стр.155)

составит w2=769 (м/сек).

Задав площадь критического сечения в диффузоре 4 равной, например, Fкр=100(см²), находим расход забираемого воздуха

Gкр=Fкр×w1/Vкр=144 (кГ/.сек)

Удельная производительность сопла, вычисленная по формуле ([7], стр.155)

составит

Gуд=102(кГ/см²/сек)

Тогда площадь сечения сопла в месте конденсации (точки росы) равна Fсоп=Gкр/Gуд=:1412(см²),

а диаметр круглого сопла в этом месте, соответственно,

Dсоп=42,4((см)

Площадь входного сечения диффузора при полете АКС со скоростью 4M в атмосфере (при jo=0,0013 (Г/см³)) составит,

Fдифф=Gсоп/jo/wo=866 (см²), а диаметр его круглого входного сечения соответственно Dдиф=33,2 ((см).

Таким образом при КПД по жидкостной фазе равном, например, 30% производительность сопла составит

Gжф=43,2 (кГ/сек)

И для заправки рабочим телом в объеме, например, 100 тонн, АКС потребуется менее 40 минут полета в атмосфере, а при двух установках – всего 20 минут.

Использованные источники информации

1. Патент 2160215 МКИ B64G1/00.

2. Ю.Н.Нечаев. Входные устройства сверхзвуковых самолетов. М.: 1963.

3. В.И.Феодосьев и Г.Б.Синярев. Введение в ракетную технику. М., 1960.

4. Р.Бассард, Р.ДЕ Лауэр. Ядерные двигатели для самолетов и ракет. Пер. с английского под ред. О.Н.Фаворского. М. 1967. стр.88, рис.2-18.

5. Патент РФ 2044973 МКИ F25J 1/00, 199./

6. Патент РФ 2139479 и 2137065, МКИ F25J 1/00, 1999.

7. М.П.Вуколович, И.И.Новиков. Техническая термодинамика. М-Л.: 1962.

Формула изобретения

1. Установка для сжижения, накопления и хранения на борту в сжиженном состоянии забираемого при полете аэрокосмического самолета из атмосферы газа или воздуха, включающая средства для подвода, сжатия, закручивания и предварительного охлаждения сжижаемого газа или воздуха, а также сверхзвуковое сопло для его последующего расширения до точки росы и устройство для отвода образующейся жидкой фазы в виде кольцевой щели между стенками сопла и установленной в его полости конической обечайки, отличающаяся тем, что средством для подвода, сжатия, закручивания и предварительного охлаждения сжижаемого газа или воздуха служит забирающий сверхзвуковой поток, создаваемый за счет полета аэрокосмического самолета, воздухозаборник (диффузор) с возможностью преобразования энергии скоростного напора в статическое давление и осевого вращения потока и одновременно с этим его охлаждения, сверхзвуковое сопло выполнено с охлаждаемыми стенками и пристыковано к диффузору с образованием с ним единого термодинамического канала, а кольцевая щель устройства для отвода жидкой фазы выполнена с возможностью охлаждения и сообщена с бортовым ее накопителем.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что диффузор выполнен с рубашкой охлаждения стенок и охлаждаемым полым центральным телом, состоящим из патрубка, головная часть которого развита в профилированную коническую поверхность, образующую со стенками диффузора сообщенный с полостью сверхзвукового сопла сужающе-расширяющийся кольцевой канал, и заключенного в нем патрубка, сообщенного с полостью центрального тела, устройство для осевого закручивания входящего потока выполнено в виде установленных в кольцевом канале диффузора винтовых ребер с образованием полостей, а сопло размещено в заполненной сжиженным воздухом полости криостата, при этом входы в рубашку охлаждения стенок и в полость центрального тела диффузора криогенными трубопроводами с прокачивающими устройствами подключены к полости криостата, а выходы из них тангенциально сообщены с полостью сопла, полость криостата криогенными трубопроводами с насосами и кольцевая щель устройства для отвода жидкой фазы криогенными трубопроводами с отсасывающими устройствами соединена с бортовым криостатным баком-накопителем, а выход из полости конической обечайки сообщен с внешней средой.

3. Способ работы установки по п.1, заключающийся в подводе, сжатии и предварительном охлаждении сжижаемого газа или воздуха, осевом закручивании потока и его последующем расширении до точки росы в сверхзвуковом сопле с отводом образующейся жидкой фазы, отличающийся тем, что подвод осуществляют путем создания полетом аэрокосмического самолета сверхзвукового газового или воздушного потока, сжатие и осевое закручивание которого осуществляют в воздухозаборнике (диффузоре) за счет преобразования кинетической энергии его скоростного напора в статическое давление и осевое вращение с расчетным центробежным ускорением, предварительное охлаждение производят в диффузоре за счет охлаждения его стенок и центрального тела прокачиваемым сжиженным воздухом с последующим тангенциальным вводом выходящей после охлаждения парожидкостной среды в полость сопла, адиабатическое расширение потока в сопле производят с одновременным дополнительным охлаждением за счет теплообмена его периферийного слоя – со стенками погруженного в криостат сопла, а осевого – с патрубками центрального тела диффузора, при этом жидкую фазу из кольцевой щели отсасывают в бортовой накопитель, а несконденсировавшийся приосевой поток выбрасывают наружу.

РИСУНКИ