ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ МНОГОКРАТНОГО ВЗВЕДЕНИЯ
MULTIPLE-COCKING SAFETY MECHANISM

Изобретение относится к военной технике, а именно к предохранительным механизмам, применяемым в пиросредствах, которые используются в ракетах различного назначения для запуска твердотопливных двигателей, газогенераторов, разделения агрегатов и т.д. Указанные механизмы могут быть использованы и в различных взрывательных устройствах, взводящихся по электрической команде.
Предохранительные механизмы повышают безопасность указанных выше изделий, но снижают их надежность за счет усложнения конструкции изделия. Применение предохранительных механизмов, способных многократно взводиться и возвращаться в служебное (невзведенное) положение при подаче соответствующей команды, позволяет увеличить надежность предохранительного механизма за счет многократной проверки взведения в процессе его изготовления и при эксплуатации. Одновременно повышается и безопасность комплексов, например, ракетных, в которых возможна отмена старта ракеты после взведения предохранительных механизмов в пиросредствах и, соответственно, необходим их возврат в служебное положение.
Известен взрыватель по патенту US №5279226 от 18.01.1994, МПК F42C 15/40, содержащий поворотный ротор с диаметрально закрепленным на нем постоянным магнитом.
В служебном положении два отверстия с закрепленными в них концами детонирующих шнуров смещены примерно на 90° относительно двух электродетонаторов, расположенных в поворотном роторе, который может вращаться внутри обмотки статора, перемещаясь из служебного положения во взведенное и обратно в зависимости от полярности напряжения, подаваемого на обмотку статора.
Поворот ротора обеспечивает сила, возникающая при взаимодействии магнитных полей статора и постоянного магнита.
В крайних положениях ротор фиксируется двумя подпружиненными фиксаторами, размещенными в корпусе механизма и упирающимися своими торцами в лунки, выполненные на боковой цилиндрической поверхности ротора.
При повороте ротор отжимает фиксаторы из лунок. В конечной фазе поворота фиксаторы утапливаются пружинами в другую пару лунок, фиксируя ротор в этом крайнем положении.
Для ограничения угла поворота ротора на его боковой цилиндрической поверхности выполнен паз и в крайних положениях стенки этого паза упираются в фиксатор, неподвижно закрепленный в корпусе механизма.
Для исключения несанкционированного взведения взрывателя от воздействия механических нагрузок ротор в служебном положении дополнительно фиксируется предохранительной чекой, которая вручную удаляется при установке взрывателя на объект или непосредственно перед стартом объекта.
Недостатком данного механизма является ограниченная устойчивость к механическим воздействиям и, как следствие этого, необходимость применения предохранительной чеки. Однако, применение чеки обеспечивает устойчивость к механическим воздействиям только в служебном обращении до ее удаления. Данный недостаток особенно существенен при использовании механизма в ракетной технике, так как на полете ракеты возникают значительные вибрационные и ударные перегрузки, вызванные работой двигателей и срабатыванием различных пиротехнических устройств.
Недостаточная устойчивость к механическим воздействиям не позволяет обеспечить высокую надежность и безопасность изделия. Повысить устойчивость к механическим воздействиям рассматриваемого устройства можно только путем увеличения силы давления фиксаторов на ротор, но увеличение этой силы ограничено величиной вращающего момента ротора, который в свою очередь ограничен габаритами механизма и режимом питания обмотки статора.
Наиболее близким по формальным признакам и достигаемому результату является предохранительный механизм многократного взведения по патенту RU 2708424 от 06.12.2019 МПК F42C 15/40, содержащий корпус с верхней крышкой из диамагнитного и нижней крышкой из ферромагнитного материала, установленный в корпусе поддон с отверстиями, поворотный якорь с постоянным магнитом, выполненный в виде свободно поворачивающегося ротора с каналами, причем каналы в роторе и отверстия в поддоне выполнены таким образом, что в служебном положении механизма они не совмещаются друг с другом, а во взведенном положении - совпадают, образуя канал для огневой цепи, магнитопровод, выполненный из электромагнитов с выступающими сердечниками, к которым примыкает постоянный магнит в крайних положениях, фиксируя механизм во взведенном или служебном положении, оси электромагнитов расположены параллельно оси вращения поворотного якоря и равноудалены от нее, а также устройство контроля взведения и возврата в виде двух герконов, взаимодействующих с постоянным магнитом. В данном техническом решении сердечники электромагнитов изготовлены из ферромагнитного материала с покрытием из диамагнитного материала. Также предохранительный механизм содержит устройство контроля взведения и возврата в виде двух герконов, размещенных в колодке, установленной у одного из полюсов постоянного магнита. Постоянный магнит в крайних положениях примыкает к сердечникам электромагнитов и втулкам с винтами, фиксируя его во взведенном или служебном положении.
Взведение предохранительного механизма осуществляется подачей на выводы катушек электромагнитов постоянного напряжения величиной 27В определенной полярности. Под действием сил, возникающих при взаимодействии постоянного магнита и электромагнитов, ротор поворачивается из одного крайнего положения в другое. При этом каналы ротора совмещаются с отверстиями в поддоне, открывая огневую цепь между инициатором и зарядом, контакты первого геркона замыкаются, а контакты второго геркона размыкаются. Возврат предохранительного механизма в служебное положение осуществляется аналогично взведению, но напряжение на катушки электромагнитов подается обратной полярности. Ротор поворачивается в исходное положение, контакты первого геркона размыкаются, а контакты второго геркона замыкаются.
Недостатком данного механизма является то, что для взведения и возврата напряжение поочередно подается на одни и те же выводы электромагнитов, но разной полярности. Для этого необходимо использовать дополнительное устройство для смены полярности подаваемого напряжения. При отключении источника питания в цепях электромагнитов создается электродвижущая сила самоиндукции, которую достаточно сложно погасить при данной схеме подключения, так как цепи взведения и возврата являются гальванически связанными.
Так же недостатком является то, что для поворота ротора используется только один полюс постоянного магнита, примыкающий к электромагнитам. Второй же полюс постоянного магнита, примыкающий к дюралевым втулкам с винтами, отрывается от них только за счет момента сил, возникающих при повороте ротора без дополнительной силы отталкивания постоянного магнита от втулок с винтами.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание предохранительного механизма многократного взведения с устройством контроля взведения и возврата, с гальванически несвязанными цепями взведения и возврата, с повышенными показателями надежности, безопасности и устойчивости к виброударным нагрузкам без увеличения его габаритных размеров.
Поставленная задача достигается тем, что в предохранительном механизме многократного взведения, содержащем корпус с верхней крышкой из диамагнитного и нижней крышкой из ферромагнитного материала, установленный в корпусе поддон с отверстиями, поворотный якорь с постоянным магнитом, выполненный в виде свободно поворачивающегося ротора с огневыми каналами, причем каналы в роторе и отверстия в поддоне в служебном положении механизма не совмещаются друг с другом, а во взведенном положении - совпадают, образуя единый канал для огневой цепи между инициатором и зарядом, магнитопровод, состоящий из электромагнитов с выступающими сердечниками, к которым в крайних положениях примыкает постоянный магнит, фиксируя механизм во взведенном или служебном положениях, при этом оси электромагнитов расположены параллельно оси вращения поворотного якоря и равноудалены от нее, а также устройство контроля взведения и возврата в виде двух герконов, взаимодействующих с постоянным магнитом, магнитопровод выполнен в виде двух пар диагонально расположенных электромагнитов, в каждой из которых обмотки электромагнитов соединены между собой, образуя электрическую цепь, а герконы размещены у разных полюсов постоянного магнита, примыкающего в крайних положениях к сердечникам одной из пар электромагнитов. Огневые каналы на выходе из ротора могут быть расположены под острым углом друг к другу и направлены зоной сужения в сторону заряда.
Повышение надежности огневой цепи достигается за счет придания огневым каналам на выходе из ротора и центральному отверстию в верхней крышке выраженной направленности в сторону заряда.
Повышение надежности взведения и возврата достигается тем, что поворот якоря происходит за счет одновременного отталкивания обоих полюсов постоянного магнита от двух электромагнитов. Исходя из этого, появляется возможность увеличить силу притяжения постоянного магнита к сердечникам электромагнитов путем уменьшения толщины диамагнитного покрытия сердечников или замены его на ферромагнитное, что в свою очередь, повышает безопасность предохранительного механизма в служебном обращении и его устойчивость к виброударным нагрузкам.
Повышение надежности и безопасности предохранительного механизма также достигается тем, что цепи взведения и возврата гальванически не связаны, то есть могут быть выведены на разные штыри вилки разъема, что позволяет достаточно легко ограничить электродвижущую силу самоиндукции, возникающую при отключении электромагнитов от источника питания, например, с помощью параллельно подключенных диодов.
Повышение надежности и безопасности предохранительного механизма достигнуто без увеличения его габаритных размеров.
Таким образом, совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения обеспечивает достижение поставленной цели.
Конструктивное оформление предохранительного механизма многократного взведения представлено на фиг. №№1, 2, 3, 4, 5, 6; схема электрическая принципиальная - на фиг. 7.
Фиг. 1 - продольный разрез Б-Б предохранительного механизма;
Фиг. 2 - поперечный разрез А-А предохранительного механизма в служебном положении;
Фиг. 3 - продольный разрез В-В предохранительного механизма в служебном положении;
Фиг. 4 - поперечный разрез А-А предохранительного механизма во взведенном положении;
Фиг. 5 - продольный разрез Г-Г предохранительного механизма во взведенном положении;
Фиг. 6 - выносной элемент (вид Д) предохранительного механизма во взведенном положении;
Фиг. 7 - схема электрическая принципиальная предохранительного механизма.
Предохранительный механизм содержит корпус 1 с размещенным в нем ротором 2 с постоянным магнитом 3, который своими полюсами притянут к сердечникам одной из двух пар электромагнитов 4 или 5, соединенных с нижней крышкой 6 из ферромагнитного и верхней крышкой 7 из диамагнитного материала с помощью винтов 8. Покрытие сердечников пар электромагнитов 4 и 5 может быть выполнено как диамагнитным, так и ферромагнитным.
Соединение обмоток пар электромагнитов 4 и 5 показано на схеме электрической принципиальной.
В служебном положении огневые каналы 9 в роторе 2 смещены относительно отверстий 10 в поддоне 11, размещенном между инициатором 12 и ротором 2, который удерживается в крайнем положении силой притяжения постоянного магнита 3 к сердечникам пары электромагнитов 4. Контакты геркона 13 разомкнуты, геркона 14 замкнуты. Отверстия 10 в поддоне 11 при их совмещении с каналами 9 ротора 2 образуют огневую цепь между инициатором 12 и зарядом 15. Каналы 9 на выходе из ротора 2 расположены под острым углом друг к другу и направлены зоной сужения в сторону заряда 15.
Описание работы устройства: взведение предохранительного механизма осуществляется подачей на выводы катушек пары электромагнитов 4 постоянного напряжения определенной полярности. Под действием сил, возникающих при взаимодействии постоянного магнита 3 и пары электромагнитов 4, ротор 2 поворачивается из одного крайнего положения в другое. При этом каналы 9 ротора 2 совмещаются с отверстиями 10 в поддоне 11, открывая огневую цепь между инициатором 12 и зарядом 15, контакты геркона 13 замыкаются, а контакты геркона 14 размыкаются. Возврат предохранительного механизма в служебное положение осуществляется аналогично взведению, но напряжение подается на выводы катушек пары электромагнитов 5. Ротор 2 поворачивается в исходное положение, контакты геркона 13 размыкаются, а контакты геркона 14 замыкаются.
Пример реализации устройства: корпус 1 выполнен из дюраля, винты 8 - из стали, ротор 2 - из латуни. Постоянный магнит 3 выполнен из материала 25Х12К2БА ГК и после намагничивания имеет коэрцитивную силу не менее 40 кА/м и индукцию на одном из полюсов не менее 0,15Т. Электромагниты соединены таким образом, что сопротивление электрической цепи каждой пары электромагнитов 4 или 5 составляет 5,4 Ом. При подаче напряжения на пару электромагнитов 4 (при взведении) или 5 (при возврате) они работают на отталкивание постоянного магнита 3. Магнитодвижущая сила пары электромагнитов 4 или 5 при подаче на них постоянного напряжения определенной величины начинает превышать силу притяжения постоянного магнита 3 к сердечникам пары электромагнитов 4 или 5. Диамагнитное покрытие из цинка толщиной 10 мкм сердечников пары электромагнитов 4 или 5 в месте их контакта с постоянным магнитом 3 обеспечивает условия, при которых напряжение переключения находится в пределах 10-20 В (ферромагнитное покрытие из никеля толщиной 6 мкм обеспечивает напряжение переключения в пределах от 40 до 90 В для предохранительных механизмов с рабочим напряжением 127 В). Безопасный ток для подобных устройств составляет 0,5А, что в данной конструкции соответствует напряжению 2,7 В. Таким образом обеспечивается более чем 3-х кратный запас по безопасному напряжению переключения (10:2,7=3,7 раза). Рабочее напряжение для подобных устройств составляет 27В. Таким образом, запас по напряжению надежного переключения составляет 1,35 (27:20=1,35 раза). В процессе изготовления подобные предохранительные механизмы проходят многократные проверки напряжения переключения, что гарантирует их работоспособность в дальнейшем. Время переключения предохранительного механизма также соответствует требованиям, предъявляемым к подобным устройствам (не более 0,2с). По результатам испытаний время переключения находится в пределах (20-30) мс. Таким образом, получаем не менее чем 6-ти кратный (200:30=6,6 раза) запас по времени переключения. Каналы огневой цепи в верхней части ротора имеют диаметр 1,8 мм и расположены под углом 77° друг к другу.
Характеристики материалов, из которых изготавливаются магниты 3, например материала 25Х12К2БА ГК, изменяются (снижаются) незначительно (не более нескольких процентов) при хранении и эксплуатации в течение 20 лет при температуре от плюс 50 до минус 50°C. В этом случае надежность переключения даже повышается, так как фактическое напряжение переключения снижается, а безопасность уменьшается незначительно с учетом 3-х кратного запаса по минимальному напряжению переключения.
Опытные образцы предохранительного механизма многократного взведения прошли успешные испытания на базе АО «НИТИ им. П.И. Снегирева» на стойкость к транспортированию, виброустойчивость и устойчивость к ударным нагрузкам, а также проверку безопасности огневой цепи в служебном положении и надежности срабатывания огневой цепи во взведенном положении предохранительного механизма. Подтверждены ожидаемые величины напряжения переключения и времени переключения (взведения и возврата) предохранительного механизма.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что при реализации изобретения поставленная задача - создание предохранительного механизма многократного взведения с устройством контроля взведения и возврата, с гальванически несвязанными цепями взведения и возврата, с повышенными показателями надежности, безопасности и устойчивости к виброударным нагрузкам без увеличения его габаритных размеров решена, а заявленный технический результат - повышение надежности и безопасности устройства - достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле изобретения признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения заявленного технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, относится к области военной техники, а именно к предохранительным механизмам, применяемым в пиросредствах, и предназначенных для запуска твердотопливных двигателей, газогенераторов, разделения агрегатов;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке и известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, причем используемые решения не являются очевидными для специалиста и явным образом не следуют из уровня техники. Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «промышленная применяемость» и «изобретательский уровень», согласно существующим в законодательстве требованиям, предъявляемым к изобретению.