ВОДЯНАЯ БАЛЛИСТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ И СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ЕЁ К РАБОТЕ
WATER BALLISTIC UNIT FOR SPACE-MISSION AND METHOD FOR ITS PREPARATION FOR OPERATION

Изобретение относится к газодинамическим баллистическим установкам и предназначено для использования на космических объектах для борьбы с метеоритами и космическим мусором.
Газодинамические баллистические установки используются в лабораториях для высокоскоростного метания твердых тел газовым потоком. По своей конструкции они аналогичны ударным трубам, но в их стволе (отсеке низкого давления) размещается метаемое тело (снаряд). Чтобы получить высокую скорость снаряда в наземных установках этого типа, как и в ударных трубах, в качестве толкающего газа используют водород (или гелий, но это дороже), обладающий наибольшей среди газов удельной внутренней энергией. Реально измеряемым критерием последней служит, как известно, скорость звука и показатель адиабаты. Для водорода в нормальных условиях эти параметры составляют примерно 1300 м/с и 1,4 соответственно. Перед метанием снаряда энергию толкающего водорода повышают, нагревая его, например, разрядом электротока или путем адиабатического сжатия. J Нагревают водород в отсеке высокого давления (ОВД), который отделен от ее ствола (составленного из отдельных секций) разрушаемой мембраной, за которой в стволе размещают снаряд. Для удобства замены мембраны она устанавливается в специальном мембранном узле (МУ). При сжатии водорода и повышении давления в ОВД мембрана рвется, и горячий водород, расширяясь, ускоряет снаряд в стволе (В.А. Афанасьев и др. «Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов» под ред. Н.В. Холодкова. - М.: МАИ, 1994 г., с. 149-152, патент RU №2168138, опубл. 27.05. 2001 - аналоги). Подобные легкогазовые пушки (ЛГП) используются для наземных испытаний средств противометеоритной защиты космического аппарата (КА), а в качестве снаряда при этом используется обычно алюминиевый шарик нормированного размера и массы.
Недостатком аналога является то, что несмотря на простоту принципа работы ЛГП подготовка их к работе достаточно трудоемка, требует использования крупногабаритных служебных систем (электроконденсаторы, компрессоры, газовые баллоны и пр.) и весьма энергозатратна. Все это делает такие ЛГП непригодными для использования в космосе.
Более компактными и простыми по конструкции являются установки, использующие для сжатия водорода горючие и взрывчатые вещества (ВВ), включая кислородно-водородные смеси (КВС) («Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях» под ред. Н.А. Златина и Г.И. Мишина, изд. гл. ред. ФМЛ, М.: 1974, § 1.3. «Одноступенчатые газодинамические метательные устройства», с. 18-21 - прототип). При этом взрыв ВВ используют для разгона поршня, сжимающего толкающий снаряд водород (двухкамерная схема ОВД), поскольку скорость звука в продуктах сгорания ВВ сравнительно мала (около 800 м/с). Взрыв КВС (с более высокой скоростью звука в горячем водяном паре) зачастую производят непосредственно в толкающем водороде, для чего туда добавляют некоторое количество кислорода. При этом продукты взрыва, кроме водорода, содержат примесь паров воды, количество которых определяется количеством добавленного в водород кислорода. Это снижает скорость звука в толкающем газе, однако не слишком сильно, в то время как методика испытаний и трудозатраты на подготовку ЛГП к работе упрощаются кардинально (в этом случае не требуется дополнительный взрывной отсек, поршень, вторая диафрагма и т.д.). Последний способ эксплуатации применяется и в ударных трубах, имеющих весьма высокие характеристики (new.tsniimash.ru>Справочная информация>МБУ). ОВД таких установок подключается к лабораторным системам газоснабжения пневмомагистралями, т.е. трубопроводами с установленными на них запорными элементами, например вентилями (при ручном управлении) или электропневмоклапанами (при автоматическом). Подобная конструкция установки и соответствующая методика подготовки ее к работе приняты здесь за прототип. Также, как в данном предложении, в прототипе используется ЛГП, состоящая из ствола, куда помещается снаряд, и ОВД, где производится взрыв КВС. От ствола ОВД отделяется герметизируемым мембранным узлом (в котором размещают разрушаемую мембрану). ОВД снабжен устройством поджига КВС (например, электросвеча), датчиком давления (или манометром) и штуцерами для подачи в отсек водорода и кислорода. В процессе подготовки ЛГП к работе в столе размещают метаемое тело, а в мембранный узел устанавливается мембрана. После этого в ОВД набирают КВС расчетного состава, ориентируясь по парциальным давлениям газов, которые подаются в отсек раздельно через соответствующие штуцеры, - и установка готова к работе.
Облегченные варианты ЛГП, использующих ВВ или КВС, вполне пригодны для установки, например, на борту орбитальной станции, однако и в этом случае существуют проблемы, связанные с выполнением механических операций по герметизации ОВД, т.е. установки разрушаемой мембраны в мембранный узел, а также с хранением ВВ на борту КА. Кроме того, при использовании КВС работа ЛГП должна обеспечиваться от водородных баллонов, имеющих достаточно большой объем, а расходовать кислород в космосе в принципе желательно только на дыхание. Хранение же на борту КА взрывчатки противоречит самим основам правил пожаровзрывобезопасности космических объектов.
Задачей данного предложения является разработка принципиальной схемы водяной баллистической установки и способа подготовки ее к работе, адаптированных к условиям орбитального полета, т.е. установки, имеющей минимальные массогабаритные характеристики при максимальной скорости снаряда, повышенную взрывобезопасность, возможность длительной работы без техобслуживания и максимальной автоматизации.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции бортовой водяной баллистической установки, снижение ее массогабаритных характеристик и ее пригодность для разрушения крупных метеоритов, угрожающих КА. Установка не требует специальных служебных систем, хорошо интегрируется с системой жизнеобеспечения обитаемых объектов, а ее работа может быть полностью автоматизирована.
Технический результат достигается тем, что водяная баллистическая установка космического назначения, включающая газовую пушку, состоящую из секционированного ствола, соединенного герметизируемым мембранным узлом с отсеком высокого давления, снабженным датчиком давления и устройством поджига газа, подключенным к управляемому источнику электропитания, а также штуцерами для водорода и кислорода, и систему контроля параметров, дополнительно содержит подключенный к управляемому источнику электропитания электролизер воды, выходные магистрали которого по водороду и кислороду соединены с соответствующими штуцерами отсека высокого давления, а выход по кислороду подключен также к магистрали выдачи кислорода потребителю, и герметичный резервуар с водой, который снабжен датчиком давления, внутренним вкладышем из пористого гидрофильного материала и штуцером наддува, подключенным к водородной магистрали электролизера, при этом резервуар с водой гидравлически связан с электролизером и мембранным узлом, имеющим гидрофильную внутреннюю поверхность и штуцер для воды, причем на гидромагистрали, подключенной к этому штуцеру и связывающей мембранный узел с резервуаром с водой, установлен расходомер.
1
2
2
1
Технический результат достигается также и тем, что в способе подготовки водяной баллистической установки космического назначения к работе, включающем размещение снаряда в стволе ее газовой пушки, герметизацию ее мембранного узла, заполнение отсека высокого давления водородом и кислородом до контрольного давления с регистрацией парциальных давлений газов, отличающийся тем, что герметизацию мембранного узла осуществляют путем заполнения его водой в вакууме и последующей ее выдержки там до замерзания и образования ледяной пробки - снаряда, затем подают электропитание на электролизер и заполняют отсек высокого давления полученными в процессе электролиза воды водородом и кислородом в стехиометрическом соотношении до достижения там начального контрольного давления Р, затем подачу кислорода в отсек прекращают, а водород продолжают подавать до достижения там заданного контрольного давления Р при соблюдении условия: Р>10 P/3.
Суть данного предложения в том, что и ВВ, и снаряды, необходимые для работы бортовой ЛТП, производятся по необходимости, непосредственно в условиях полета, т.е. не доставляются с Земли и не хранятся на борту КА. При этом удельная энергия толкающего газа близка к максимально возможному значению, которое может обеспечить химическая реакция, а горение газов происходит в бездетонационном режиме. Установка при этом имеет простую разборную конструкцию, не требует громоздких служебных систем, а работа ее может быть полностью автоматизирована. При использовании такой пушки на борту обитаемого космического объекта она может быть интегрирована с его системой жизнеобеспечения (и по воде, и по кислороду).
Принципиальная схема водяной баллистической установки (ВБУ) космического назначения представлена на фиг. 1. Основным ее элементом является газовая пушка, имеющая модульную конструкцию и состоящая из секционированного ствола (1), в котором размещен снаряд - ледяная пробка (22), и ОВД (4), соединенных мембранным узлом (2) со штуцером (3) для подвода воды. Внутренняя поверхность мембранного узла (МУ) гидрофильная. ОВД (4) снабжен устройством для поджига газа (5), датчиком давления (или манометром) (6) и штуцерами для водорода (20) и кислорода (21), а магистрали (т.е. трубопроводы с запорными элементами) водорода (7) и кислорода (8) пневматически связывают ОВД (4) с соответствующими выходами электролизера (9). При этом кислородная магистраль (8) соединена также с магистралью (10) для выдачи кислорода потребителю, а водородная магистраль (7) подключена к штуцеру наддува (11) резервуара с водой (РСВ) (12) магистралью (13).
Внутри РСВ (12), снабженного также датчиком давления (14), размещен пористый гидрофильный вкладыш (15) для сбора воды в условиях невесомости. Он гидравлически связан с гидромагистралями (16) и (17), подключенными к РСВ (12). Первая из них (16) служит для водоснабжения электролизера (9), вторая (17) - для подачи воды в МУ (2). Для этого она подключена к его штуцеру (3), и на ней установлен расходомер (18). Выдача воды из РСВ осуществляется избыточным давлением газа в его газовой подушке.
Электроснабжение ВБУ осуществляется от управляемого источника электропитания (19), силовые выходы которого соединены с электролизером (9) и устройством поджига газа (5), а выход управления может подключаться к системе управления (на фиг. 1 не показана), если ВБУ работает в автоматическом режиме.
В условиях полета (невесомость, вакуум) установка работает следующим образом. В исходном положении пористый вкладыш (15) РСВ (12) заполнен водой, а сам РСВ находится под давлением водорода или азота. По команде открывается клапан на магистрали (17) (дальше - «открывается магистраль») и МУ (2) заполняется водой через штуцер (3), при этом расходомер (18) фиксирует объем воды, поступившей в МУ. Благодаря гидрофильности внутренней поверхности узла вода в условиях невесомости удерживается в нем. Когда объем воды, вытесненной из РСВ в МУ, станет равным внутреннему объему последнего, магистраль (17) перекрывается, и вода выдерживается в МУ до замерзания (время выдержки определяется заранее экспериментально). При замерзании объем воды увеличивается, и МУ герметизируется ледяной пробкой, которая играет роль снаряда. Следует при этом отметить, что при "метеоритных" скоростях материал снаряда не имеет большого значения. Более того, с точки зрения возможного разрушения мишени ледяной снаряд может быть предпочтительнее, поскольку при попадании в цель способен испариться взрывным образом.
Затем включают электролизер (9), для чего открывается магистраль (16), включают питание электролизера от источника (19) и начинают заполнение ОВД (4) через штуцеры (20) и (21) водородом и кислородом по магистралям (7) и (8) соответственно. Магистрали (10) и (13) при этом перекрыты. Давления в ОВД (4) при этом регистрируется датчиком (манометром) (6).
1
Заполнение ОВД газами производится в два этапа. Сначала его заполняют одновременно и водородом, и кислородом в стехиометрическом соотношении (так, как выдает эти газы электролизер), а на втором этапе, при достижении начального контрольного давления Р, кислородную магистраль (8) перекрывают, открывая магистраль выдачи кислорода (10). Водород же продолжает поступать в ОВД (4) по магистрали (7). В момент переключения подачи кислорода давления газов в отсеке составляют таким образом:
2
1
2
На втором этапе заполнение ОВД водородом продолжают до достижения там заданного контрольного давления Р, при этом содержание водорода в КВС, заполняющей отсек, должно быть не менее 90% (об.) - это обеспечивает бездетонационный характер горения газовой смеси (Справочник «Водород, свойства, получение, хранение…», Москва, Химия, 1989, стр. 50). В этом случае с учетом (1) для контрольных давлений P и Р можно получить соотношение:
Как показали испытания, после взрыва таких КВС давление в ОВД повышается в 8-10 раз, а скорость звука в продуктах взрыва превышает 1800 м/с. Показатель адиабаты газов при этом составляет около 1, 2.
2
После достижения заданного давления Р в ОВД электролизер (9) отключают от источника электроэнергии (19) и перекрывают магистрали (7), (10) и (16). В дальнейшем при необходимости от источника (19) подают напряжение на устройство поджига газа (5). КВС в ОВД (4) взрывается в дефлаграционном режиме, продукты взрыва выбивают ледяную пробку из МУ (2), и производится выстрел.
Предварительные оценки показывают, что даже при небольших габаритах такая установка может обеспечить скорость снаряда, сравнимую со скоростью метеоритов в околоземном пространстве (около 10 км/с). Для примера ниже приводятся результаты простой оценки скорости снаряда массой 10 г при следующих параметрах пушки:
Исходные данные:
- объем ОВД - 1 л;
- объем ствола - 2 л (4 секции длиной 1 м с внутренним диаметром 25 мм);
- давление продуктов взрыва КВС в ОВД (водород с примесью паров воды) - 200 атм;
- скорость звука в продуктах взрыва - 1800 м/с;
- показатель адиабаты продуктов взрыва - 1,2.
Параметры продуктов взрыва КВС, использованные для оценки скорости снаряда, получены экспериментально и даются с точностью порядка 10%. Такие характеристики реализуются, например, при сгорании КВС с парциальным содержанием водорода 90% и более и начальным давлением около 20 атм. Из закона сохранения энергии (кинетическая энергия снаряда равна энергии адиабатического расширения газов из ОВД в ствол) получается, что снаряд массой 10 г приобретет скорость около 3 км/с. При этом в отличие от наземных условий его скорость после этого не уменьшается из-за сопротивления воздуха. Можно отметить также, что при скоростях больше 2-3 км/с ледяной снаряд при попадании в цель может полностью испариться, как это происходит с ледяными метеоритами в атмосфере (т.е. в этом случае снаряд приобретает свойства разрывного).
Таким образом, предлагаемая ВБУ, обладая простой конструкцией и небольшими размерами, позволяет получать достаточно высокие скорости снарядов, при этом она не требует специальных служебных систем и прекрасно интегрируется с системой жизнеобеспечения КА.