РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОДАЧИ ЗАРЯДА РАЗМИНИРОВАНИЯ
CHARGE ROCKET ENGINE FOR DE-MINING CHARGE

Изобретение относится к ракетным двигателям твердого топлива (РДТТ), используемым для подачи по воздуху заряда разминирования на заданную дистанцию при его применении в установках разминирования (УР). Заряды разминирования предназначены для проделывания проходов взрывным способом в противотанковых и противопехотных минных полях.
Заряд разминирования представляет собой линейный набор секций детонирующего кабеля (Инженерные боеприпасы. Руководство по материальной части и применению. Книга вторая. - М.: Военное издательство Министерства Обороны СССР, 1977, с. 89-104). Каждая секция имеет капроновую оболочку и снаряжена цилиндрическими тротиловыми шашками либо пластичным взрывчатым веществом. Прочность конструкции обеспечивается капроновыми нитями, установленными либо по периметру, либо по оси секции. Секция снабжена узлом передачи детонации. На концах имеются резьбовая втулка и накидная гайка для соединения секций между собой.
Зарядом разминирования снаряжается УР. При подаче импульса электрического тока с пульта управления УР на воспламенительные устройства реактивных двигателей происходит воспламенение твердотопливных зарядов. Под действием реактивной тяги двигатели сходят с направляющей. При этом выдергивается тросик разъединительного устройства и в нем загорается пиротехнический замедлитель. Двигатели при движении за соединительный трос вытягивают за собой заряд разминирования и он, начиная с головной части, выбирается из кассеты.
После выбора заряда разминирования из кассеты заряд увлекает за собой тормозной канат, выбирая его из ящиков. После окончания работы двигатели отсоединяются от заряда разминирования взрывом заряда разъединительного устройства. Взрывом разрушается разрывной болт и двигатели отсоединяются от заряда разминирования. После выбора тормозного каната на всю длину, полет заряда разминирования тормозится и он падает на минное поле. Движением УР задним ходом заряд за тормозной канат выпрямляется и натаскивается на минное поле. После натаскивания заряда с пульта управления по проводу в тормозном канате подается импульс электрического тока на взрыватель и заряд разминирования взрывается. От действия ударной волны взрыва заряда разминирования мины срабатывают, и в минном поле образуется проход, осью которого является ров, образованный взрывом.
Особенностью РДТТ, используемых для подачи удлиненного заряда разминирования, является их многосопловая схема с расположением сопел под углом к продольной оси для защиты заряда разминирования от воздействия высокотемпературной струи продуктов сгорания. В передней и сопловой части двигателя имеются резьбовые втулки для последовательного соединения двигателей и крепления заряда разминирования.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является реактивный двигатель ДМ-70 для заряда разминирования УЗП-77 в составе установок разминирования УР-77 (Инженерные боеприпасы. Руководство по материальной части и применению. Книга вторая. - М.: Военное издательство Министерства Обороны СССР, 1977, с. 101-102), создающий реактивную тягу для подачи по воздуху заряда разминирования на заданную дистанцию. Данная конструкция реактивного двигателя была использована в качестве прототипа.
Двигатель ДМ-70 состоит из корпуса, снаряженного зарядом твердого ракетного топлива (ТРТ) и пороховым воспламенителем. В корпусе с помощью резьбового соединения установлено дно и сопловой блок. В дно ввинчен пиропатрон ДП4-4. На дне имеется патрубок с наружной резьбой, на котором закреплена втулка, которая служит для соединения двигателей при их попарно-последовательном соединении.
Сопловой блок имеет шесть сопел, наклоненных к продольной оси, и патрубок с наружной резьбой, на который при хранении навинчивается колпачок.
Заряд ТРТ представляет собой одноканальную шашку, бронированную по наружной поверхности. Канал выполнен со смещением относительно продольной оси заряда, что позволяет увеличить время его работы. В сопловой части заряд установлен на опоре, снабженной резиновым обтюратором, предотвращающим перетекание продуктов сгорания в зазор между корпусом и наружной бронированной поверхностью заряда.
Двигатель ДМ-70 имеет массу 70 кг, заряд ТРТ - 27 кг. Время работы двигателя 6-8 с.
При подаче заряда разминирования на 200 м используется один двигатель ДМ-70, а на 500 м - два двигателя.
Заряд в виде одноканальной шашки со смещенным каналом, бронированный по наружной поверхности, используемый в прототипе, обладает тем недостатком, что зависимость площади поверхности горения от горящего свода представляет собой короткий прогрессивный и длинный дегрессивный участок. График зависимости площади поверхности горения от свода представлен на фиг. 1. Аналогичную форму имеет и зависимость тяги двигателя от времени.
Алгоритм работы двигателя подачи заряда разминирования заключается в том, что в начале работы происходит постепенное увеличение нагрузки, т.к. осуществляется последовательная выборка линейного заряда разминирования и далее по воздуху заряд подается на заданное расстояние. Таким образом, оптимальной зависимостью тяги от времени является наличие прогрессивного участка при выборке заряда и постоянная тяга на участке подачи заряда по воздуху. Тяговые характеристики заряда ТРТ двигателя ДМ-70 не отвечают этим требованиям, что является существенным недостатком прототипа.
Также к недостаткам конструкции прототипа является использование для зажжения заряда порохового воспламенителя, который представляет собой футляр с навеской ружейного пороха. Продукты сгорания воспламенителя должны прогреть поверхность заряда до температуры воспламенения и создать необходимое давление в камере сгорания для обеспечения устойчивого воспламенения и горения заряда ТРТ. Сгорание навески ружейного пороха приводит к быстрому росту и спаду давления, что может быть недостаточным для обеспечения необходимых параметров воспламенения заряда, особенно при использовании высокоэнергичного баллиститного топлива содержащего взрывчатые вещества, при большом удлинении заряда и работе при значительных величинах отрицательных температур.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение эффективности работы двигателя, т.е. достижения формы тяговой характеристики в виде кривой, содержащей начальный прогрессивный участок и дальнейший «постоянный» участок. Такая форма тяговой характеристики позволяет осуществлять подачу заряда разминирования на большую дальность. Кроме того, целью изобретения является повышение надежности процесса воспламенения заряда ТРТ.
Указанная цель повышения эффективности работы двигателя оптимизацией тяговой характеристики достигается тем, что в одноканальном осесимметричном заряде, бронированном по наружной поверхности и части торцов, выполнены две группы радиальных проточек различного диаметра у переднего и соплового торцов. Вследствие этого проточки имеют разное расстояние до наружной поверхности топлива заряда.
Прогрессивное горение заряда происходит до момента прогорания свода от проточки до наружного диаметра топлива заряда. Эта точка является началом квазистационарной поверхности горения и, как следствие, тяги. В момент достижения фронта горения бронирующего покрытия появляются дегрессивные участки горения заряда (уменьшение поверхности горения). Эти участки образуются при смыкании поверхностей горения между проточками и между проточкой и незабронированной поверхностью торца заряда. Совокупность дегрессивных участков и прогрессивным участком, формируемым каналом заряда, обеспечит квазипостоянную поверхность горения.
Для каждой группы проточек расстояние от торца заряда до проточки, ближайшей к торцу, составляет 0,8-1 расстояния от проточки до наружной поверхности топлива заряда. Расстояние между ближайшими поверхностями соседних проточек составляет 1,6-2 расстояния от проточки до наружной поверхности топлива заряда. Указанные соотношения определяются проектированием реальных прототипов двигателей.
Благодаря такому соотношению размеров прогорание дегрессивных участков будет происходить в разное время, что позволяет сгладить квазистационарный участок поверхности горения.
Изменение поверхности горения для указанного заряда представлено на фиг. 2, график зависимости площади поверхности горения от свода - на фиг. 3. Пики на квазистационарном участке обозначают начало горения соответствующего дегрессивного участка, а локальные минимумы - окончание его горения.
Повышение надежности процесса воспламенения заряда ТРТ, являющееся целью изобретения, достигается использованием пускового генератора (ПГ), который представляет собой неразрушаемый корпус, в котором установлена канальная шашка ТРТ. Корпус совместно с перфорированной решеткой с помощью гайки крепится к передней крышке двигателя. ПГ большей частью размещен в канале заряда ТРТ и имеет две группы расходных отверстий. Радиальные отверстия выполнены между передней опорой и зарядом, а осевые - с противоположного торца корпуса ПГ.
Зажжение шашки ПГ осуществляется воспламенителем, представляющим собой перкалевый картуз с навеской дымного пороха, который размещен в проточке передней крышки между ней и перфорированной решеткой.
Размещение группы расходных отверстий ПГ между передней опорой и зарядом позволяет обеспечивать опережающую подачу продуктов сгорания в зазор между корпусом и наружной поверхностью заряда, что создает поджатие заряда к обтюратору сопловой опоры. Указанное поджатие предотвращает перетекание газа через зазор между зарядом и корпусом, что обеспечивает целостность бронирующего покрытия заряда и возможность использовать корпус двигателя без теплозащитного покрытия и, как следствие, снижение массы двигателя. Кроме того эта группа расходных отверстий ПГ позволяет создавать давление в зазоре между корпусом и бронирующим покрытием заряда, что приводит к существенному уменьшению радиального перепада давления, действующего на заряд.
При горении заряда ПГ, газ истекает как через радиальные отверстия в передней части ПГ, так и через отверстия в торцевой части корпуса.
Расход газа из отверстий можно оценить по формуле
p
1
р
G=А⋅р⋅σ - для расхода через радиальные отверстия для заполнения застойной зоны и опережающего поджатие заряда;
m
1
m
G=А⋅р⋅σ - для расхода через отверстия в торцевой части ПГ,
p
m
где G, G - расход через радиальные и торцевые отверстия соответственно;
р
m
σ, σ - площадь отверстий в передней и торцевой части ПГ соответственно;
1
2
A, А - коэффициенты расхода.
1
2
Для оценочных расчетов можно принять А=А.
Тогда, учитывая уравнение состояния идеального газа, соотношение площадей проходных сечений решетки и фиксатора можно приблизительно определить по формуле
зз
со
где m, m - масса газа в застойной зоне от торцевых отверстий до обтюратора сопловой опоры и масса газа от торцевых отверстий через застойную зону до сопловых мембран;
зз
co
W, W - свободный объем застойной зоны и предсопловой объем от торцевых отверстий до мембран соответственно.
зз
co
Данное соотношение обеспечивает примерное равенство давлений в объемах W и W до момента воспламенения заряда. Опережающий подпор давления для обеспечения поджатия заряда к обтюратору может быть достигнут при
Таким образом, приблизительная оценка показывает, что надежная работа обтюратора и, как следствие, надежная работа заряда ТРТ, будет происходить при отношении площади радиальных отверстий в ПГ между передней опорой и зарядом к площади торцевых отверстий большей, чем отношение свободного объема застойной зоны между торцевыми отверстиями и обтюратором к предсопловому объему между торцевыми отверстиями и мембранами.
На иллюстрациях представлена конструктивная схема двигателя, поясняющая сущность изобретения, где:
- на фиг. 1 представлена зависимость площади поверхности горения от свода для прототипа;
- на фиг. 2 показано изменение поверхности горения заряда;
- на фиг. 3 представлена зависимость площади поверхности горения от свода для конструкции заряда предлагаемого изобретения;
- на фиг. 4 представлена конструктивная схема двигателя;
- на фиг. 5 - конструкция пускового генератора.
Силовая оболочка двигателя образована цилиндрическим корпусом 1, передней крышкой 2 и сопловым блоком 3. Крышка и сопловой блок соединены с корпусом резьбовым соединением. Герметизация стыка и фиксация элементов силовой оболочки обеспечивается герметиком.
Газовый тракт сопловой крышки образован входной облицовкой 4 и шестью соплами, расположенными под углом к продольной оси соплового блока. Каждое сопло состоит из раструба 5, установленного на резьбе, и вставки критического сечения 6. Облицовка 4 и вставка 6 изготовлены из эрозионно-стойких материалов, а раструб 5 - из низкоуглеродистой стали с напылением на внутреннюю поверхность термобарьерного покрытия. Герметизация камеры сгорания обеспечивается мембранами 7. Раструбы сопел установлены таким образом, что они не выступают за радиальный габарит (калибр) ракетного двигателя.
Расположение сопел под углом к продольной оси позволяет обеспечить совместную работу при попарно-последовательном соединении двигателей и защитить заряд разминирования от воздействия продуктов сгорания твердого топлива.
Сопловой блок снабжен посадочным местом с наружной резьбой для соединения со стыковочным узлом, а также для соединения двигателя с тросом соединительным заряда разминирования. В транспортном положении резьба защищается крышкой 8.
Передняя крышка 2 имеет посадочное место с внутренней резьбой для установки узла стыковки с другим двигателем при использовании попарно-последовательного варианта соединения. В транспортном положении резьба защищена предохранительной пробкой 9.
Заряд ТРТ 10 выполнен в виде одноканальной шашки, бронированной по наружной поверхности и части торцов. Канал заряда имеет форму звезды в центральной части и цилиндрическую форму со стороны торцов. Цилиндрический участок в передней части заряда необходим для установки пускового генератора. Со стороны соплового торца заряда цилиндрический участок служит для увеличения проходного сечения с целью предотвращения эрозионного горения топлива.
У переднего и соплового торцов заряда выполнены две группы радиальных проточек различных размеров для каждой группы, таким образом, что проточки имеют разное расстояние до наружной поверхности топлива заряда.
Для каждой группы проточек расстояние от торца заряда до проточки, ближайшей к торцу, составляет 0,8-1 расстояния от проточки до наружной поверхности топлива заряда. Расстояние между ближайшими поверхностями соседних проточек составляет 1,6-2 расстояния от проточки до наружной поверхности топлива заряда.
Фиксация заряда в осевом направлении осуществляется передней 11 и сопловой 12 опорами. На передней опоре установлены амортизаторы 13 в виде резиновых секторов, а сама опора имеет отверстия для обеспечения протока газа при горении заряда. Сопловая опора 12 выполнена в виде кольца из эрозионно-стойкого материала, на котором установлен обтюратор 14, предотвращающий перетекание газа через зазор между зарядом 10 и корпусом 1.
Воспламенение заряда 10 осуществляется пусковым генератором 15, который представляет собой одноканальную шашку 16, размещенную в корпусе 17, который совместно с перфорированной решеткой 18 крепится с помощью гайки 19 к передней крышке 2.
В корпусе 17 выполнены две группы расходных отверстий. Радиальные отверстия 20 размещены в корпусе 17 ПГ между передней опорой и зарядом, торцевые отверстия 21 - с противоположной стороны корпуса.
Размеры отверстий обеспечивают отношение площади радиальных отверстий в ПГ и торцевых отверстий большее, чем отношение свободного объема между торцевыми отверстиями через застойную зону и обтюратором к предсопловому объему между торцевыми отверстиями и мембранами.
Воспламенитель 22, представляющий собой перкалевый картуз с навеской дымного пороха, размещен в проточке передней крышки 2 между крышкой 2 и решеткой 18. С внешней стороны передней крышки установлен пиропатрон 23, соединенный каналом с воспламенителем.
Конструкция заряда ТРТ двигателя подачи заряда разминирования с двумя группами радиальных проточек у переднего и соплового торцов заряда выполненных таким образом, что проточки каждой группы имеют разное расстояние до наружной поверхности топлива заряда, причем для каждой группы проточек расстояние от торца заряда до проточки, ближайшей к торцу, составляет 0,8 -1 расстояния от проточки до наружной поверхности топлива заряда, а расстояние между ближайшими поверхностями соседних проточек составляет 1,6-2 расстояния от проточки до наружной поверхности топлива заряда позволяет повысить эффективность работы двигателя, т.е. достижения формы тяговой характеристики в виде кривой, содержащей начальный прогрессивный участок и дальнейший постоянный участок.
Использование в качестве воспламенительного устройства пускового генератора с двумя группами расходных отверстий - радиальных, размещенных в корпусе ПГ между передней опорой и зарядом и торцевых отверстий выполненных с противоположной стороны корпуса ПГ с отношением площади радиальных и торцевых отверстий большей, чем отношение свободного объема между торцевыми отверстиями через застойную зону и обтюратором к предсопловому объему между торцевыми отверстиями и мембранами позволяет повысить надежность процесса воспламенения, работы обтюратора и, как следствие, работы двигателя.