러시아 연방 특허 제 2573425 호 - 극초음속 램제트 엔진의 연소 조직 방법

러시아 연방 특허 제 2573425 호 - 극초음속 램제트 엔진의 연소 조직 방법

발명자: 알렉산드르 미하일로비치 스타리크, 파벨 세르게예비치 쿨레쇼프, 알렉산드르 미하일로비치 사벨리예프
특허권자: 연방 국가 단일 기업 "P.I. 바라노프 기념 중앙 항공 발동기공업 연구소" (FGUP "TsIAM")

특허 출원일: 2014년 8월 7일
특허 효력일: 2014년 8월 7일
특허 공개일: 2016년 1월 20일
 

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본 발명은 항공 원동기제조, 특히 극초음속 직접 공기-반응_{Прямоточный воздушно-реактивный} 엔진 (GPVRD) 에 관한 것으로, 공기를 산화제로 사용하는 극초음속 비행 장치의 발전 장비로 사용될 수 있다.

현재 항공-우주 분야에서 극초음속 및 항공우주 비행 장치 (LA) 를 위한 원동기를 제작하는 분야와 밀접하게 연관된다. 중요한 방향은 GPVRD의 비추력을 증강시키는 것이다. GPVRD를 장착한 LA의 비행 작동 고도는 30-60km이고 비행 시 마하 수는 M=4-8 (M=U/a, 이 때 U - 비행 속도, a - 음속) 이다. 일반적으로 액화 수소가 GPVRD의 연료로 간주되며 연소 시 수증기를 발생시킨다.

탄소 나노튜브로 캡슐화된 수소를 연료로 사용하는 GPVRD가 알려져 있다 (러시아 연방 특허 제2516735호). 탄소 나노튜브는 천공벽과 분연기를 통한 두 가지 방식으로 연료실에 공급된다. 이 발명은 연료 연소의 완성도와 원동기의 연료 효율성을 증가시키기 위한 연료공기 혼합물의 준비를 개선한다.

이러한 발명의 단점은 제조가 어려운, 연소실 천공穿孔벽을 사용한다는 것이다. 미세한 천공은 폐색되기 쉬우므로 운영 조건에서 비상 상황이 발생할 수 있다. 또한 탄소 나노튜브로 캡슐화된 수소를 획득하는 과정은 매우 노동집약적이고 고비용이 소요되는 것으로 보인다. 더하여 알려진 GPVRD의 추력은 고고도에서 연료를 산화시키기 위한 공기 중 산소가 부족함으로 인하여 급격히 감소한다. 연소실로 공기의 공급을 증강하려는 시도는 원동기의 전체 치수와 중량을 증가시킨다.

GPVRD의 추력 촉진은 상당한 양의 열방출을 동반하는 금속 분말형 혹은 금속 한천질_寒天質 연료의 사용을 통하여 가능하다. 금속성 또는 금속화 연료를 사용하면 근본적으로 새로운 고효율 GPVRD를 제작할 수 있다. 대기를 산화제로 사용하는 분말형 금속 혹은 한천질 금속 연료로 작동하는 원동기의 장점은 높은 전술-기술적 특성을 보장하고, 광범위한 속도에서 사용될 수 있으며 취급 및 보관이 안정적이라는 점에 있다.

직접 공기-반응 엔진이 알려져 있다 (러시아 연방 특허 제2439358호). 원동기에는 금속 분말 연료가 들어있는 연료통과 구멍뚫린 피스톤이 있는 연료 공급 시스템이 포함된다. 연소실은 실 입구에 배치된 주어신 소모량으로 연료를 공급하는 급여기가 있는 예연실, 점화기와 최종 연소실을 포함한다. 예연실과 최종 연소실은 공기 공급을 위한 통로를 가진다. 발명은 연료의 보다 완전한 연소를 보장하여 원동기 장비의 체적 에너지출력_{энергоотдача}을 증가시킬 수 있다.

이러한 기술적 해법의 단점은 분말 금속 연료 공급 시스템의 개시를 보장하는 가스발생기를 원동기에 장착하여 엔진 전체의 중량과 금속소비량이 증가한다는 점에 있다.

청구된 발명에 가장 가까운 기술적 해법은 미합중국 특허 제5546745호에 설명되는 GPVRD에서의 연소 조직 방법이다. 알려진 GPVRD에서 1차 및 2차 연료는 연소실의 서로 다른 영역에 공급된다. 1차 연료는 연소실 첨두부에 공급되고 2차 연료는 전기 방전을 통해 추가 처리되어 연소실 하류로 공급된다. 발명은 비행 마하 수를 확장하고 원동기의 작동 효율성을 향상시킨다.

이러한 기술적 해법의 단점은, 특히 수소와 같은, 한 종류의 연료를 사용할 때 비추력을 향상시키기 위한 원동기의 촉진은 고고도에서 산소가 부족하여 GPVRD의 사용을 제한하는, 더 큰 공기 비_{удельный}소모율이 요구된다는 점에 있다. 공기량을 늘리기 위한 조치는 원동기 전체 치수와 중량의 증가를 동반한다.

본 발명의 과제는 GPVRD 의 종합 치수를 보존하며 엔진을 강화하고 고도를 높이는 것이다.

GPVRD를 촉진하는 유망한 접근법 중 하나는 연소 연료 영역과 분사구 사이의 원동기 경로에 알루미늄 나노입자를 주입하는 것이다. 알루미늄 입자는 수증기와의 산화 반응을 통하여 상당한 양의 열을 방출하며 연소 생성물이 분사구에서 팽창될 때 제트에 추가 펄스를 전달한다. GPVRD를 촉진하는 이러한 방법의 장점은 알루미늄의 산화에 H>30km 고도에서 공기가 매우 희박하여 추가 공기의 공급을 확보하는 것이 문제되는 추가적인 공기의 소모가 요구되지 않는다는 점이다.

청구된 발명의 기술적 결과는 원동기의 비추력을 향상시키는 것이다.

제시된 문제는 공기와 1차 연료를 연소실로 공급하여 1차 가연성 혼합물의 형성을 보장하고, 산화제 및 2차 연료를 연소실로 공급하여 2차 가연성 혼합물의 형성을 보장하며, 발명에 따라 연소실은 주 연소실과 추가 연소실이 순차적으로 배치되고 가스역학적으로 상호 연결된 형태로 구성되며 주 연소실에서 1차 가연성 혼합물을, 추가 연소실에서 2차 가연성 혼합물의 연소를 보장하고 주 연소실에서 발생한 연소 생성물은 2차 연료의 산화제로 사용된다는 사실을 포함하는 극초음속 공기-반응 엔진의 연소 조직 방법으로 달성된다.

수소를 1차 연료로, 비산화 알루미늄 나노입자를 2차 연료로 사용하는 것이 바람직하며, 알루미늄 나노입자의 반경은 25nm를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

또한 산화방지 코팅을 적용하여 산화로부터 알루미늄 나노입자를 방호하는 것이 바람직하며, 산화방지 코팅을 추가적인 2차 연료로 사용하는 것이 타당하다.

특정한 경우 본 발명에서 산화방지 코팅은 알루미늄 카바이드로 만들어질 수 있으며, 그 두께는 2-5nm일 수 있다.

청구된 방법에서는 2단계 연소 (첫 단계는 공기 중에서 수소의 연소, 두 번째 단계는 1차 연소 생성물에서 알루미늄 나노입자의 연소), 이의 두 번째 단계에서는 산소가 필요하지 않는다는 사실로 제시된 문제가 해결되며 알려진 유사체와 비교하여 본 발명의 더 높은 원동기 작동 고도의 작동 범위로 구별된다. 또한, 연료의 에너지용량 향상을 위해 알루미늄 입자의 반경을 25nm로 제한하여 높은 열방출로 완전 연소를 유도하고, 산화 방지를 위해 AlC₃ (알루미늄 카바이드) 와 같이 고열 산화가 가능한 알려진 재료로 두께 2-5nm의 산화방지 코팅이 적용된다.

본 발명은 도해를 참조하여 상세히 설명된다. 그림 1 은 GPVRD 도식을 도시하고, 그림 2 는 추기 연소실에서 연소 생성물에서 형성된 알루미늄 산화물 입자의 크기의 가스 체류 시간 대 유도 시간의 비율에 대한 의존성을 나타낸다.

그림 1 은 이하와 같다:

1. GPVRD 외피
2. 공기 유동
3. 공기흡입구
4. 중심 동체
5. 주 연소실
6. GPVRD 가스 경로 확장 구획
7. 추가 연소실
8. 알루미늄 나노입자 공급 채널
9. 2차 연소 생성물 유동
10. 초음속 분사구
11. 수소 공급 채널
12. 밀폐 도약 시스템_{система скачков уплотнения} (제대로 번역된 것이 아님 ─ 역자 주)

원동기 외부는 원형 혹은 직사각형 단면의 외벽이다. 공기 2 는 공기흡입구 3 으로 유입되고, 여기서 공기흡입구 3 과 중심 동체 4 외피에 의해 형성된 좁아지는 통로에서 필요한 수준까지 압축된다. 동체 4 는 축대칭 혹은 설형_楔形으로 만들어질 수 있다.

공기흡입구 3 뒤에는 주 연소실 5 가 위치하며, 가스 경로 6 의 확장 구획에 의해 추가 연소실 7 과 연결된다. 초음속 비행 속도에서 공기흡입구 3 과 중심 동체 4 의 전면 날에는 밀폐 도약 시스템 12 가 구현된다.

수소가 사용되는 1차 연료는 채널 11 을 통해 주 연소실 5 로 공급된다. 2차 연료 - 알루미늄 나노입자 - 는 채널 8 을 통해 추가 연소실 7 로 긍급된다. 2차 연소 생성물 9 의 유동은 초음속 분사구 10 을 통해 원동기 외부로 배기된다.

극초음속 공기-반응 엔진에서 연소를 조직하는 선언된 방법은 이하와 같이 구현된다.

압력 P=0.01atm, 온도 T=250K, 마하 수 M=4-8에서 순항 비행 모드의 공기 2 가 공기흡입구 3 으로 들어가고, 여기서 중앙 동체 4 로 형성된 공기흡입구 채널은 필요한 압축 수준으로 압축시킨다 (내부 압력 P=0.1atm, 온도 T=700-1400K). 수소 (1차 연료) 는 전통적인 방식으로 파일런 (그림 1 에는 도시되지 않음) 에서 채널 11 을 통해 주 연소실 5 로 공급된다. 공기흡입구 3 에서 나오는 압축 공기 2 와 혼합되는 수소는 주 연소실 5 에서 1차 가연성 혼합물을 형성한다.

실제로 연소실 5 는 T=2700K 온도에서 비산화 알루미늄 나노입자를 산화시키기 위해 추가 연소실 7 에서 팽창된 후 사용되는 수증기 제조를 위한 정압 화학 반응기이기도 하다. 비산화 알루미늄 나노입자는 공기흡입구 3 에서 취한 공기 유동 8 로 분연기_{форсунка} (그림 1 에 도시되지 않음) 를 통해 8의 통로로 추가 연소실 7 로 공급된다. 알루미늄 나노입자를 주입하기 위해 필요한 공기량은 전체 공기 소모량의 1% 이하이다. GPVRD 가스 경로의 확장 구획 6 을 통하여 주 연소실 5 에서 나온 연소 생성물과 혼합되는 알루미늄 나노입자는 추가 연소실 7 에서 2차 가연성 혼합물을 형성한다. GPVRD 가스 경로는 연소실 7 의 온도와 압력이 알루미늄 나노입자의 산화 반응을 유도할 수 있도록 프로파일링된다. 설계된 원동기에서 이러한 매개변수는 T=1300K 및 P=0.1atm 이다.

주어진 조건 (상기 참조) 에서 추가 연소실 7 에서 수증기가 알루미늄 나노입자와 산화 반응을 일으키고, 2차 연소 생성물인 분자 수소와 산화 알루미늄을 생성한다. 2차 연소 생성물은 또한 1차 연소 생성물과 함께 분열_{расщепляться} 분사구 6 을 통해 인입되는 질소 및 그 산화물을 포함한다. 연소 영역에서 알루미늄의 화학양론적 산화 간 2차 연소 생성물의 온도는 3100K에 이른다. 초음속 분사구 10 에서 분출되는 2차 연소 생성물 9 의 유동은 팽창 중에 추가적인 추력을 생성하고 연소 생성물의 온도는 600-800K로 감소한다.

계산은 추가 연소실 7 에서 이러한 연소 조직으로 P=0.1atm 에서 2차 연소 생성물의 충분히 높은 성능_{работоспособность} (A_e) 이 달성됨을 보여준다.

연소실 7 의 출구에서 Al 반응제와 H₂O의 연소 생성물로는 질소의 존재 하의 알루미늄 및 수증기의 화학양론적 혼합물의 연소 조건 (Al/H₂O/N₂=2/3/5.64) 에서 H₂와 액상 Al₂O₃ 입자의 혼합물이 얻어진다. 연소 생성물의 성능 A_e는 R·ΔT_e/μ 로 얻어지며, 이 때 r - 기체 상수, ΔT_e=T_a-T_c=3100K-800K (600K) = 2300K-2500K, 이 때 T_a - 단열 연소 온도, T_c - 분사구 10 의 출구 단면에서 연소 생성물의 온도, μ=27g/㏖ - 2차 연소 생성물의 분자량이다. 이러한 조건에서 A_e=710-770kJ/kg이다.

이들의 성능을 1차 연소 생성물의 성능과 비교해 보자.

P=0.1atm 에서 공기 중 H₂의 화학양론적 연소 생성물은 물과 질소 H₂O/N₂=2/3.76 혼합물이다. 1차 생성물의 성능은 A_e^'=475kJ/kg과 같으며 그 뿐 아니라, ΔT_e^'=T_a^'-T_c^'=2700K-1300K=1400K, 이 때, T_a^'=단열 연소 온도, T_c^'=추가 연소실 7 앞의 연소 생성물 온도, μ^'=24.5g/㏖ - 1차 연소 생성물의 분자량이다.

보이는 대로, 알루미늄 나노입자를 주입하게 되면 합산 성능과 비추력이 2.5배 가량 증가한다.

본 발명에서는 반경이 25nm를 초과하지 않는 나노미터 치수의 비산화 알루미늄 입자를 애프터버너 연료로 사용함으로써 문제를 해결하였다.

알루미늄과 물 혼합물의 화학양론적 산화 반응 2Al+3H₂O→Al₂O₃+3H₂ 은 상당한 열 Q=481kJ/㏖의 방출과 함께 다량의 수소 방출을 수반한다. H₂O 혼합물에서 Al 나노입자 연소의 결과로 방출되는 열은 추가 추력으로 변환된다. 비산화 알루미늄이 수증기와 접촉한 결과 입자는 극도로 신속하게 형성되는 산화막으로 피복되어 추가 산화를 방지한다 (산화막의 비등점은 2380K). 산화되지 않는 Al 입자의 특정 치수 (반경 25nm 미만) 에서 입자 표면의 산화 반응은 너무나 큰 열 방출을 수반하여 입자가 외부 공간으로 열을 방사할 시간 여유가 없고 입자 내부의 알루미늄이 증발하고 팽창하며 산화물 층을 파괴한다. 이 경우 알루미늄은 원자화되어 기상 혹은 액상 H₂O와 반응한다. 이 경우 마이크로미터 크기의 입자의 연소와는 대조적으로 알루미늄은 공기 중 수소 연소의 1차 생성물인 수증기에서 실질적으로 완전히 연소된다.

Al 나노입자 연소 간 연소 생성물 내에 액상 Al₂O₃ 입자가 균일 결정핵생성 메카니즘을 통해 형성되며, 계산에서 보여주듯, 혼합물이 추가 연소실 7 에서 압력 P=0.1-0.5atm 및 온도 T=3100K에서 체류할 동안 크기가 증가할 시간이 없다 (그림 2 에 상대 시간 t^*=τ_k.s./τ_ind. 에 대한 연소 생성물 내 액상 Al₂O₃ 입자의 평균 반경의 의존성을 보여줌, 이 때 τ_k.s. - 연소실 내 가스 체류 시간, τ_ind. - 점화 지연 시간 혹은 유도 시간). 이러한 조건에서 원자화된 기상 알루미늄의 점화 지연 시간은 ~60μs, 유속은 ~3km/s에 달하므로 점화 거리는 ~0.2m이다. 따라서 추가 연소실의 길이는 0.5m를 초과하지 않고 (2m 미만) GPVRD 경로를 본질적으로 연장시키지 않으며 대량의 액상 Al₂O₃ 입자의 크기는 40-50nm 미만 (2m 미만의 거리에서) 이다. 이러한 입자는 짧은 열 및 동적 완화_{релаксация} 시간 (~10^-7 - 10^-6 s) 을 가지며 비추력에서 기상 및 액상 연속체의 속도와 온도가 다른 제약 (이_貳상 손실) 으로 인한 가시적 손실을 초래하지 않는다.

마이크로미터 치수의 Al 입자를 연소할 때에는 동역학적이 아닌 확산 모드 연소가 구현되며 이 경우 입자는 완전히 연소되지 않는다 (10-15nm 크기의 가장 작은 입자가 잔류함). 이러한 경우 불균일 응축으로 인하여 미크론 치수 (10-50μm) 인 액상 Al₂O₃가 생성된다. 이런 입자는 매우 긴 열 및 동적 완화 기간을 가지게 되어 연소 과정 중 방출되는 모든 에너지를 비추력으로 변환할 수 없는, 큰 이상 손실을 가진다.

GPVRD에서 LA 동체에 저장되고 연료 공급선을 통해 두께 2-5nm AlC₃로 코팅된 반경 25nm 이하의 비산화 Al 나노입자를 공급하는 것이 제안되었다. 이러한 탄화 알루미늄 코팅 (산화방지용 보호제) 은 보관 시 알루미늄 입자의 산화를 방지함과 동시에 추가 연소실 7 에서 상당한 열을 방출하며 스스로 연소된다. 코팅은 플라즈마 분사법으로 알루미늄 입자에 적용될 수 있다.



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