Способ инициирования бортовых систем управляемого снаряда и импульсный магнитоэлектрический генератор для его осуществления (варианты)
METHOD FOR INITIATION OF GUIDED PROJECTILE ONBOARD SYSTEMS AND PULSE MAGNETOELECTRIC GENERATOR FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Предполагаемая группа изобретений относится к области высокоточного оружия - управляемых снарядов (УС) - и может быть использована в качестве:
- способа инициирования бортовых систем УС при выстреле под действием заданной величины ствольной перегрузки (ствольного ускорения) посредством срабатывания импульсного магнитоэлектрического генератора (ИМЭГ);
- ИМЭГ, обеспечивающих приведение в действие бортовых систем УС при достижении заданной величины ствольной перегрузки.
Известен импульсный магнитоэлектрический генератор для приведения в действие электровоспламенительных устройств пусковых и бортовых систем управляемого снаряда (патент РФ №2168699). Известный ИМЭГ содержит смонтированную на ярме магнитоэлектрическую систему с плоским якорем и груз, закрепленный посредством толкателя, расположенного в центральных отверстиях ярма, якоря и груза, гайки и фиксатора. Фиксатор выполнен в виде срезной мембраны, прижатой к ярму фланцем и закрепленной к толкателю вместе с ножом винтом.
Известен импульсный магнитоэлектрический генератор (патент РФ №2226029). В отличие от предыдущего в данном ИМЭГ фиксатор выполнен в виде втулки, закрепленной на толкателе срезным штифтом.
Принятый за прототип способ инициирования бортовых систем УС в известных ИМЭГ основан на генерировании электрического импульса при заданной величине стартовой перегрузки посредством размыкания магнитной цепи ИМЭГ за счет перемещения якоря относительно постоянного магнита и ярма с проводной катушкой. Следовательно, изменение магнитного потока происходит за счет перемещения пассивного элемента магнитной системы, не участвующего в создании магнитного потока, а только проводящего магнитный поток. При этом величина ЭДС в проводной катушке ИМЭГ пропорциональна скорости изменения магнитного потока, создаваемого активным элементом магнитной системы - постоянным магнитом. Перемещение якоря происходит после среза штифта (или мембраны) под действием силы, равной произведению суммарной массы груза и якоря с подвижными элементами его крепления на величину ствольной перегрузки. Соответственно условие реализации известного способа инициирования бортовых систем УС в данных ИМЭГ определяет зависимость
х
p
м
я
гр
где: n - заданная величина стартовой перегрузки срабатывания магнитоэлектрического генератора; F - сила среза фиксатора; F - магнитная сила притяжения якоря; m - суммарная масса якоря с подвижными элементами его крепления; m - масса груза.
х
я
м
гр
В соответствии с зависимостью (1) при заданной величине перегрузки срабатывания (n) увеличение мощности электрического импульса в реализующих известный способ ИМЭГ обусловливает повышение величины магнитного потока в магнитной системе, что достигается увеличением массы и габаритов постоянного магнита или применением постоянных магнитов с более высокой магнитной индукцией (например, на основе сплавов редкоземельных металлов). И то и другое приводит к необходимости увеличения площади сечений в магнитной системе и, следовательно, к увеличению габаритов и массы якоря (m) и ярма, а также - к увеличению магнитной силы притяжения якоря (F), что требует увеличения массы груза (m).
В связи с этим, основной недостаток известного способа инициирования бортовых систем УС - существенное ухудшение габаритно-массовых характеристик реализующих его ИМЭГ при необходимости повышения мощности электрического импульса.
Последнее полностью относится к принятому за прототип ИМЭГ, приведенному в вышеназванном патенте РФ №2226029 и ИМЭГ, описанному в патенте РФ №2168699.
Общая задача предполагаемой группы изобретений - улучшение динамических характеристик ИМЭГ за счет повышения мощности электрического импульса при минимизации его габаритно-массовых характеристик.
Для решения этой задачи в заявляемом способе инициирования бортовых систем управляемого снаряда, включающем индуцирование ЭДС при перемещении якоря магнитоэлектрического генератора относительно ярма с проводной катушкой под действием ствольного ускорения, новым является то, что индуцируют дополнительную ЭДС за счет перемещения постоянного магнита относительно проводной катушки, которое производят одновременно с перемещением якоря. Суммирование ЭДС, обусловленную перемещением якоря относительно ярма с проводной катушкой, с дополнительной ЭДС осуществляют соответствием направления намотки проводной катушки направлению поляризации постоянного магнита.
Для решения поставленной задачи в первом варианте ИМЭГ, содержащем ярмо и якорь с осевыми отверстиями, размещенные между ярмом и якорем постоянный магнит и проводную катушку, шток с фиксатором в виде закрепленной срезным штифтом втулки новым является то, что якорь выполнен с осевым кольцевым выступом и жестко связан со штоком. Направление намотки проводной катушки соответствует направлению поляризации постоянного магнита. Внутренний диаметр постоянного магнита выполнен больше наружного диаметра проводной катушки. Диаметр кольцевого выступа якоря выполнен равным диаметру осевого отверстия ярма. Кольцевой выступ якоря размещен в центральном отверстии ярма. Жгут проводной катушки зафиксирован скобой, закрепленной винтом на основании ярма. Скоба выполнена крестовидной в виде ограничителя перемещения втулки.
Для решения поставленной задачи во втором варианте ИМЭГ, содержащем ярмо и якорь с осевыми отверстиями, размещенные между ярмом и якорем постоянный магнит и проводную катушку, шток с фиксатором в виде закрепленной срезным штифтом втулки новым является то, что якорь выполнен с осевым кольцевым выступом и жестко связан со штоком. Направление намотки проводной катушки соответствует направлению поляризации постоянного магнита. Внешний диаметр постоянного магнита выполнен меньше внутреннего диаметра проводной катушки. Внутренний диаметр кольцевого выступа якоря выполнен больше наружного диаметра проводной катушки. Втулка закреплена в осевом отверстии ярма. Шток выполнен с радиальным уступом, к которому якорем закреплен постоянный магнит. На внутренней поверхности ярма выполнена центральная проточка, диаметр и глубина которой больше соответственно диаметра и толщины уступа штока. Якорь и постоянный магнит установлены с одинаковым зазором относительно ярма. Жгут проводной катушки зафиксирован скобой, закрепленной винтом на основании ярма.
Для решения поставленной задачи в третьем варианте ИМЭГ, содержащем Т-образное в сечении цилиндрическое ярмо с осевым отверстием, якорь с осевым отверстием, размещенные между ярмом и якорем кольцевой постоянный магнит и проводную катушку, новым является то, что в центральном отверстии ярма установлен цилиндрический магнитопровод, закрепленный в выполненном с резьбой осевом отверстии якоря. Якорь установлен с зазором относительно ярма. Направление намотки проводной катушки соответствует направлению поляризации постоянного магнита. Диаметр магнитопровода равен диаметру осевого отверстия ярма.
Для решения поставленной задачи в четвертом варианте ИМЭГ, содержащем Т-образное в сечении цилиндрическое ярмо с осевым отверстием, якорь с осевым отверстием, размещенные между ярмом и якорем кольцевой постоянный магнит и проводную катушку, новым является то, что в центральном отверстии ярма установлен цилиндрический магнитопровод, закрепленный в выполненном с резьбой осевом отверстии якоря. Якорь установлен с зазором относительно ярма. Направление намотки проводной катушки соответствует направлению поляризации постоянного магнита. Центральное отверстие ярма выполнено глухим с плоским дном. Магнитопровод установлен с регулируемым зазором относительно дна ярма. Зазор между боковыми поверхностями магнитопровода и центрального отверстия ярма и зазор между ярмом и якорем выполнен больше регулируемого зазора. Жгут проводной катушки зафиксирован скобой, закрепленной винтом на основании ярма.
Конструкции заявляемых устройств пояснены чертежами, где представлены:
на фиг. 1 - общий вид на основание первого варианта ИМЭГ;
на фиг. 2 - поперечный разрез А-А первого варианта ИМЭГ по плоскости симметрии;
на фиг. 3 - общий вид на основание второго варианта ИМЭГ;
на фиг. 4 - поперечный разрез Б-Б второго варианта ИМЭГ по плоскости симметрии;
на фиг. 5 - общий вид на основание третьего варианта ИМЭГ;
на фиг. 6 - поперечный разрез В-В третьего варианта ИМЭГ по плоскости симметрии;
на фиг. 7 - общий вид на основание четвертого варианта ИМЭГ;
на фиг. 8 - поперечный разрез Г-Г четвертого варианта ИМЭГ по плоскости симметрии.
Базовым конструктивным элементом в первом варианте ИМЭГ служит (см. фиг. 1 и 2) Т-образное в сечении цилиндрическое ярмо 1, на котором смонтирована магнитоэлектрическая система, включающая кольцевой постоянный магнит 2, проводную катушку 3 и Т-образный в сечении цилиндрический якорь 4, закрепленный штоком 5, на котором срезным штифтом 6 закреплена втулка 7.
Проводной жгут 8 катушки 3 закреплен к основанию ярма 1 скобой 9, выполненной с ограничителем перемещения втулки 7. Скоба 9 закреплена на основании ярма 1 винтом 10.
p1
Генерирование электрического импульса в первом варианте ИМЭГ происходит при срезании штифта 6 под действием инерционной силы (F), величину которой определяет зависимость
p1
х
я
м
м
где: F - сила среза штифта 6; n - заданная величина стартовой перегрузки срабатывания ИМЭГ; m - суммарная масса якоря 4 с подвижными элементами его крепления; m - масса постоянного магнита 2, F - магнитная сила притяжения постоянного магнита 2 к ярму 1. При этом ЭДС индукции создается в проводной катушке 3 не только за счет разрыва магнитной цепи (как в прототипе) вследствие перемещения якоря 4 относительно ярма 1, но и за счет движения постоянного магнита 2 относительно проводной катушки 3 (согласно закону электромагнитной индукции Фарадея).
Суммирование ЭДС индукции, обусловленной перемещением якоря 4 относительно ярма 1 с проводной катушкой 3, и ЭДС индукции, вызванной движением постоянного магнита 2 относительно проводной катушки 3, определяет соответствие направления намотки проводной катушки 3 направлению поляризации постоянного магнита 2.
В связи с добавлением ЭДС индукции, вызванной движением постоянного магнита 2 относительно проводной катушки 3, повышается мощность электрического импульса ИМЭГ, а замена массы дополнительного груза, применяемого в известных конструкциях ИМЭГ, массой постоянного магнита 2, что реализовано в заявляемом ИМЭГ, обеспечивает минимизацию его габаритно-массовых характеристик.
Базовая деталь второго варианта ИМЭГ (см. фиг. 3 и 4) - ярмо 1 в виде диска с центральным резьбовым отверстием - выполнено совместно с диэлектрическим каркасом проводной катушки 3, проводной жгут 8 которой выведен через отверстие в ярме 1. На штоке 5 срезным штифтом 6 закреплена резьбовая втулка 7, посредством которой шток 5 установлен в центральном резьбовом отверстии ярма 1. Постоянный магнит 2 в виде цилиндра с центральным отверстием закреплен к радиальному уступу штока 5 стаканообразным якорем 4 и размещен в диаметрально равном центральном отверстии каркаса проводной катушки 3. Якорь 4 и постоянный магнит 2 установлены с одинаковым зазором относительно ярма 1 и образуют с ним разомкнутую магнитную цепь, для чего шток 5 выполнен из немагнитного материала. Возможность замыкания данной магнитной цепи обеспечивают выполнение внутреннего диаметра якоря 4 больше наружного диаметра проводной катушки 3 вместе с каркасом, а также выполнение центральной проточки 11 на внутренней поверхности ярма 1, диаметр и глубина которой больше соответственно диаметра и толщины радиального уступа штока 5.
Как и в первом варианте ИМЭГ суммирование ЭДС индукции, обусловленной перемещением якоря 4 относительно ярма 1 с проводной катушкой 3, и ЭДС индукции, вызванной движением постоянного магнита 2 относительно проводной катушки 3, определяет соответствие направления намотки проводной катушки 3 направлению поляризации постоянного магнита 2.
Срез штифта 6 происходит под действие инерционной силы
p2
х
я
м
где: F - сила среза штифта; n - величина стартовой перегрузки срабатывания ИМЭГ; m - суммарная масса якоря 4 с подвижными элементами его крепления; m - масса постоянного магнита 2. При этом ЭДС индукции создается в проводной катушке 3 не только за счет замыкания магнитной цепи вследствие перемещения постоянного магнита 2 с якорем 4 к ярму 11, но и за счет движения постоянного магнита 4 внутри проводной катушки 3. В связи с этим повышается мощность электрического импульса ИМЭГ, а замена массы дополнительного груза, применяемого в известных конструкциях ИМЭГ, массой постоянного магнита 2, что реализовано в заявляемом ИМЭГ (как и в первом варианте), обеспечивает минимизацию его габаритно-массовых характеристик.
Следует отметить, что в отличие от первого варианта ИМЭГ при срабатывании второго варианта ИМЭГ действие ствольной перегрузки имеет противоположное направление относительно оси основания ярма.
Базовая деталь третьего варианта ИМЭГ (см. фиг. 5 и 6) - Т-образное в сечении цилиндрическое ярмо 1 с центральным отверстием. На ярме 1 установлена проводная катушка 3. Якорь 4 в виде шайбы удерживается силой постоянного кольцевого магнита 2, размещенного между ярмом 1 и якорем 4. В центральном резьбовом отверстии якоря 4 закреплен цилиндрический магнитопровод 12, размещенный в центральном отверстии ярма 1, при этом диаметр магнитопровода 12 равен диаметру центрального отверстия ярма 1. Жгут 8 проводной катушки 3 закреплен к основанию ярма 1 скобой 9, закрепленной винтом 10.
м
Сила притяжения якоря 4 к постоянному магниту 2 (F) в основном зависит от величины магнитного потока (Ф) в замкнутой магнитной цепи ИМЭГ, которую определяет зависимость
min
м
где В - индукция материала постоянного магнита 2, S - минимальная площадь сечения в магнитной цепи ИМЭГ. При изготовлении постоянных магнитов методом литья или прессования (из порошка) разброс величины остаточной индукции материала может достигать 50%, что, соответственно, определяет и непостоянство силы притяжения постоянного магнита 2 к ярму 1 (F).
х
Заданную перегрузку срабатывания (n) в этом варианте ИМЭГ определяет соотношение
я
м
х
м
м
х
где: m - суммарная масса якоря 4 и магнитопровода 12; m - масса магнита 2. Поэтому требуемое для обеспечения заданной величины перегрузки срабатывания (n) значение силы магнитного притяжения (F) согласно зависимости (4) предварительно регулируют изменением величины погружения (Δ) магнитопровода 12 в центральное отверстие ярма 1. Проводимость магнитной цепи «ярмо 1 - постоянный магнит 2 - магнитопровод 12 - якорь 4» зависит от величины погружения (Δ) магнитопровода 12 в центральное отверстие ярма 1, которая определяет минимальную площадь магнитной цепи и, согласно зависимости (4), величину магнитного потока (Ф), а, следовательно, и величину силы магнитного притяжения (F) якоря 4 и магнита 2 к ярму 1. Это согласно зависимости (5) минимизирует нежелательный разброс величины стартовой перегрузки срабатывания ИМЭГ (n) и стабилизирует разницу между величиной стартовой перегрузкой срабатывания и заданной величиной перегрузки безопасности, при которой ИМЭГ гарантированно не должен срабатывать.
Условие срабатывания ИМЭГ определяет неравенство
x
x
я
м
где t - время с момента старта УС, a F(t)=n(t)⋅(m+m).
х
Практически в момент достижения стартовой перегрузкой УС величины n магнит 2 и якорь 4 отрываются от ярма 1, а в проводной катушке 3 создается ЭДС индукции за счет размыкания магнитной цепи ИМЭГ вследствие перемещения постоянного магнита 2 с якорем 4 от ярма 21 и за счет перемещения постоянного магнита 2 относительно проводной катушки 3. Как и в предыдущих вариантах ИМЭГ суммирование ЭДС индукции, обусловленной перемещением постоянного магнита 2 с якорем 4 относительно ярма 1, и ЭДС индукции, вызванной движением постоянного магнита 2 относительно проводной катушки 3, определяет соответствие направления намотки проводной катушки 3 направлению поляризации постоянного магнита 2.
м
м
Регулировку силы магнитного притяжения (F) осуществляют в приспособлении, обеспечивающим жесткую фиксацию ярма 1, нагружение магнита 2 в направлении отрыва от ярма 1 силой F=F и перемещение магнитопровода 12 (изменение величины Δ).
Конструкция четвертого варианта (см. фиг. 4) аналогична третьему варианту ИМЭГ. Базовая деталь четвертого варианта ИМЭГ - Т-образное в сечении цилиндрическое ярмо 1 с глухим центральным отверстием. На ярме 1 установлена проводная катушка 3. Якорь 4 в виде диска удерживается силой постоянного кольцевого магнита 2, размещенного между ярмом и якорем 4. В центральном резьбовом отверстии якоря 4 закреплен цилиндрический магнитопровод 12, размещенный в центральном отверстии ярма 1. Торцевая поверхность магнитопровода 12 расположена с регулируемым зазором ε относительно донной стенки центрального отверстия ярма 1. Зазоры между боковыми поверхностями магнитопровода 12 и центрального отверстия ярма 1, между ярмом 1 и якорем 4 по величине больше регулируемого зазора ε, что обеспечивает прохождение магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом 2 в магнитной цепи «ярмо 1 - постоянный магнит 2 - магнитопровод 12 - якорь 4» через торцевую поверхность магнитопровода 12 и регулируемый зазор ε. Жгут 8 проводной катушки 3 закреплен к основанию ярма 1 скобой 9 и винтом 36.
м
х
Проводимость магнитной цепи «ярмо 1 - постоянный магнит 2 - магнитопровод 12 - якорь 4» зависит от величины регулируемого зазора ε, которая определяет величину магнитного потока (Ф) и, следовательно, величину силы магнитного притяжения (F) якоря 4 и магнита 2 к ярму 1. Заданную перегрузку срабатывания (n) в этом варианте ИМЭГ определяет соотношение (5).
х
м
м
Требуемое для обеспечения заданной величины перегрузки срабатывания (n) значение силы магнитного притяжения (F) согласно зависимости (5) предварительно устанавливают изменением величины регулируемого зазора (ε). Условие срабатывания ИМЭГ определяет зависимость (6), а процессы регулировки силы магнитного притяжения (F) и срабатывания аналогичны рассмотренным выше для третьего варианта ИМЭГ.
Конструкции четырех вариантов ИМЭГ предполагают жесткое крепление ярма в корпусе УС.
Выбор одного из четырех приведенных вариантов ИМЭГ для конкретного УС определяет анализ следующих условий:
- требуемые значения перегрузок срабатывания и безопасности;
- условия эксплуатации (диапазон эксплуатационных температур, диапазон ударных и вибрационных нагрузок на траектории полета и при транспортировании, продолжительность и условия хранения);
- габаритно-массовые и другие конструкционные ограничения, связанные с общей компоновкой УС.
Из широко применяемых в настоящее время магнитотвердых сплавов в качестве материала постоянного магнита целесообразно использование магнитотвердых сплавов «железо-никель-алюминий» для ИМЭГ первого варианта и магнитотвердых сплавов «самарий-кобальт», «неодим-железо-бор» для остальных вариантов ИМЭГ.
Таким образом, решение общей задачи в предполагаемой группе изобретений достигается за счет:
- реализации перемещения постоянного магнита относительно проводной катушки при размыкании или замыкании магнитной системы, что обусловливает повышение мощности электрического импульса ИМЭГ;
- использования постоянного магнита вместо дополнительного груза, что определяет минимизацию габаритно-массовых характеристик ИМЭГ;
- предварительной регулировки силы притяжения постоянного магнита к ярму, что обеспечивает стабилизацию динамических характеристик ИМЭГ (перегрузки срабатывания и мощности электрического импульса).