МГД-управление ионизированным потоком в двигателе

В настоящее время наиболее перспективным для освоения гиперзвуковых скоростей полета считается прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) со сверхзвуковым горением (СГ), в котором для предварительного сжатия набегающего воздушного потока используется поверхность летательного аппарата. Однако сложная структура течения в его тракте повышает вероятность отрыва потока и затрудняет организацию эффективного сжигания топлива в камере сгорания. При скорости полета меньше расчетной для воздухозаборника ПВРД СГ снижается коэффициент расхода воздуха и степень поджатия потока. Кроме того, при изменении скорости полета существенно перестраивается структура течения в ПВРД СГ, который, таким образом, оказывается эффективен только в небольшом диапазоне скоростей. В связи с этим нами исследуется комплекс проблем, относящихся к разработке в рамках концепции "АЯКС" двигателя нового типа - ПВРД с МГД взаимодействием (в нашей терминологии – магнитоплазмохимического двигателя (МПХД)). 

MHD_scheme
Схема МПХД: 0-1 - воздухозаборник, 1-2,c - внутренний МГД генератор, 2-3 - камера сгорания, 3-4,d - МГД ускоритель, 4-5 - сопло; a - ионизатор, b - внешний МГД генератор, e - бортовые системы

Данная упрощенная схема МПХД, является, по сути, гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем с введенными в его тракт МГД системами. Во внешней части воздухозаборника реализуется сжатие набегающего потока в системе N скачков уплотнения и его разворот на суммарный угол θN, а во внутренней - обеспечивается обратный разворот потока на угол θN и его дополнительное сжатие. Ионизатор используется для создания необходимой проводимости потока в том случае, когда естественная проводимость не обеспечивает требуемой степени МГД взаимодействия. Внешний МГД генератор используется для управления профилем потока, регулирования расхода воздуха в тракте МПХД и повышения давления. Внутренний МГД генератор используется для повышения давления и предотвращения развития отрывных течений. Электроэнергия, которую вырабатывают МГД генераторы, расходуется на обеспечение энергетических потребностей ионизатора, бортового оборудования, а также на дополнительное ускорение продуктов сгорания в МГД ускорителе. 

При МГД-торможении воздушного потока его кинетическая энергия преобразуется в электрическую, направляемую на:

  1. реализацию функций регулируемого воздухозаборника, оптимизирующего параметры состояния МПХД;
  2. уменьшение лобового сопротивления за счет взаимодействия плазменно-воздушного гиперзвукового потока с поверхностью планера;
  3. функционирование мощных бортовых систем направленной передачи энергии, преобразующих электрическую энергию в управляемое излучение, используемое для решения большого круга нетрадиционных прикладных и оборонных задач и обеспечение работы бортового радиоэлектронного комплекса.

Объемное торможение магнитным полем позволяет создать регулируемый воздухозаборник, оптимизировать параметры состояния воздушного потока в тракте МПХД (в том числе и в камере сгорания) и тем самым обеспечить создание прямоточного двигателя, работоспособного в широком диапазоне гиперзвуковых скоростей. При этом отпадает необходимость использовать трудно осуществимые методы механического управления геометрическими параметрами двигателя. Современные достижения в области электротехники и магнитотехники позволяют считать, что МГД-системы МПХД будут иметь вполне приемлемые массогабаритные характеристики.