Универсальный инициатор-резак для бортовых детонационных систем разделения
UNIVERSAL CUTTER INITIATOR FOR ON-BOARD DETONATION SEPARATION SYSTEMS

Изобретение относится к ракетно-космической технике (РКТ), более конкретно - к средствам инициирования и к детонационным устройствам разделения и отделения частей и коммуникаций космического объекта или ракеты.
К сожалению, в доступной научно-технической литературе практически отсутствуют сведения о конкретных конструкциях тех или иных бортовых и наземных средств инициирования детонации (часто их называют инициаторами детонации), предназначенных, как правило, для задействования либо непосредственно линейных устройств разделения детонационного типа (например, детонирующих удлиненных зарядов - ДУЗ кумулятивного типа (другое часто встречающееся в технической литературе название их удлиненные кумулятивные заряды - УКЗ) или круглого сечения (другое название их удлиненные заряды - УЗ), либо не разрушаемых герметичных трансляторов детонации, передающих детонационный импульс устройствам разделения «точечного» типа (сосредоточенным устройствам). Однозначно только можно констатировать, что взрывные (инициирующие) элементы-электродетонаторы (ЭД) без корпусов в открытом виде в бортовых и наземных системах пироавтоматики РКТ не применяются. Каждая организация-разработчик ракетно-космической техники использует инициаторы собственной конструкции. В подавляющем большинстве все они содержат корпус из конструкционного металлического или неметаллического материала.
Недостатками инициаторов детонации в корпусах из неметаллических материалов таких, как термореактивная пластмасса АГ-4В, термопласты типа поликарбоната, СТАН, СНК, прессматериалы типа ДСВ, стекловолокниты (например, типа П-2-6В, П-2-6С и др.) или текстолиты являются осколки разрушаемого при срабатывании ЭД корпуса устройства и собственно гильзы (оболочки) ЭД, продукты детонации его снаряжения, повышенные ударные и динамические нагрузки на расположенные вблизи чувствительные (особенно прецизионные) элементы конструкции, приборы, аппаратуру, достаточно большие трудозатраты на их изготовление, связанные как с необходимостью изготовления пресс-инструмента, так и с выполнением ответственных и опасных операций по вклеиванию в корпус ЭД, распайке проводников мостика (мостиков) накаливания в электрический разъем (для ЭД типа 8В11105 или БЭД-83), заливку полости распайки пеногерметиком. Кроме того, в таких корпусах не была предусмотрена возможность дублирования по количеству ЭД (в одном корпусе - один ЭД). Установка инициаторов должна производиться специалистами-взрывниками на старте непосредственно перед пуском ракеты.
Перечисленные выше ограничения снимаются практически полностью при использовании прочных металлических (например, из деформируемых или литейных алюминиевых или упрочняемых титановых сплавов) корпусов. Корпус, как правило, имеет цилиндрическую центральную часть с внутренней соосной полостью. С обоих торцов корпуса выполнены приливы, с одной стороны с двумя каморами (зарядными камерами) для установки в них с помощью резьбовых соединений однотипных электродетонаторов с разъемом (типа УЭД или ЭД-У-1), а с противоположного торца - с каморами для монтажа в них концевых усилительных элементов не разрушаемых трансляторов детонации либо концов ДУЗ с наклеенными на них снаряженными колпачками. Во внутренней полости корпуса, как правило, для усиления и передачи инициирующего импульса от ЭД к трансляторам или к ДУЗ размещают заряд ВВ-боевик.
Одновременно с разделением или отделением элементов конструкции ракеты, ракетного блока или космического аппарата (в процессе отделения пассивного элемента конструкции) приходится решать и задачу по разделению (разрыву) транзитных связей - электрических кабелей, трубопроводов пневматических и гидравлических магистралей, волноводов. С этой целью на борту могут использоваться такие известные разъемные элементы, как разрывные электро- и гидропневмоплаты (Расчет и проектирование систем разделения ступеней ракет: Учеб. пособие / К.С. Колесников, В.В. Кокушкин, С.В. Борзых, Н.В. Панкова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, с. 91-92, фиг.1.72, 1.73).
Недостатками таких устройств являются их громоздкость, большие массы, наличие электромеханического привода и тросовой системы, сложность конструкций гидро- и пневмо разъемов, чрезвычайно большой (отличающийся в несколько раз) разброс усилий расстыковки в зависимости от слабины используемых тросов и углов расстыковки. Перечисленные недостатки исключают возможность применения таких устройств в космической технике, особенно в условиях ее миниатюризации.
Известны (1. Расчет и проектирование систем разделения ступеней ракет: Учеб. пособие / К.С. Колесников, В.В. Кокушкин, С.В, Борзых, Н.В. Панкова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, с. 91-92, фиг.1.72, 1.73). 2. Ефанов В.В., Горовцов В.В. Конструкция и расчет систем и устройств разделения космических аппаратов: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МАИ, 2015, с. 25-27, фиг.3.7-3.9. 3. Устройство ракет-носителей (вспомогательные системы): Учеб. пособие / Л.П. Юмашев. - Самара. Изд-во Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 1999, с. 67-68, фиг.1.37) пиротехнические ножи (пирорезаки) различных конструктивных исполнений, которые достаточно просты в исполнении, компактны и надежны. Они не требуют установки на разделяемом стыке разъемов, срабатывают от пироэнергодатчиков - ПЭД (часто встречающееся на практике другое их название «пиропатроны» - ПП) электрического типа, могут дополнительно содержать пиротехнический заряд. Продукты сгорания ПЭД (или ПЭД и дополнительного пирозаряда) действуют на поршень с ножом на торце. Двигаясь поршень перерезает ножом жгут (ствол) транзитного кабеля (в том числе и кабель, подающий напряжение на ПЭД), небольшие трубопроводы пневмо-гидросистемы, высокочастотные волноводы и т.д., предварительно заложенные между ножом и наковальней. При всей простоте и надежности действия пироножи в сочетании с инициаторами детонации систем разделения имеют ряд недостатков. Во-первых, для задействования ПЭД (обычно для повышения надежности их дублируют) требуются дополнительные кабели с разъемами, что усложняет и утяжеляет бортовую кабельную сеть, создает дополнительную нагрузку на бортовые источники питания и на систему управления (СУ), т.к. электрический сигнал на мостики накаливания ПЭД пироножа не должен придти раньше сигнала на электродетонаторы инициатора. Во-вторых, установка в поясе разделения двух пироустройств (инициатора и пироножа) ухудшает массово-габаритные характеристики системы разделения в целом. Кроме того, серьезным недостатком является то, что инициатор содержит взрывные устройства (электродетонаторы) с детонирующим снаряжением, а ПЭД пироножа - с горящим. Времена срабатывания ЭД и ПЭД и их разброс отличаются на порядок; у ЭД эти характеристики меньше и являются более стабильными, в то время, как у ПЭД они зависят от температуры пиротехнического состава, плотности его запрессовки, давления окружающей среды. Разброс по давлениям, создаваемым пироэнергодатчиками в замкнутом объеме, также очень большой (от ±20 до ±35%).
Известен (Расчет и проектирование систем разделения ступеней ракет: Учеб. пособие / К.С. Колесников, В.В. Кокушкин, С.В. Борзых, Н.В. Панкова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, с. 94, фиг.1.75) пирорезак с линейным зарядом ВВ кумулятивного типа (УКЗ). Кабели и трубопроводы, подлежащие разрезанию, пропущены между двумя отрезками УКЗ, кумулятивные канавки которых направлены навстречу друг другу. Для задействования их используют, как и в инициаторе детонации, электродетонаторы. Этот факт упрощает систему управления в плане создания временных уставок и очередности подачи электрических команд на оба пироустройства и повышает надежность и безотказность системы разделения вцелом. Недостатками данного устройства являются:
а) невозможность применения его (в силу его предназначения) в качестве инициатора, как в «точечных», так и в линейных системах отделения элементов конструкций ракет и КА;
б) образование при срабатывании высокоскоростных осколков как от самих УКЗ, так и от корпуса устройства;
в) большие ударно-волновые нагрузки на близлежащие узлы, агрегаты, аппаратуру, приборы, прецизионные элементы конструкции.
Известно (патент РФ №2463544, опубл. 10.10.2012) линейное устройство разделения на удлиненном кумулятивном заряде. Устройство реализует принцип одновременного разделения конструкции (с помощью УКЗ), разрыва кабеля питания инициирующего устройства - электродетонатора и возможно дополнительно жгута проводов телеметрии (осколками тыльной части металлической оболочки (корпуса) УКЗ), а также капроновых лент или жгутов, стягивающих уложенный в контейнере парашют (остатками кумулятивного ножа за разрезаемой преградой). Данное устройство снимает практически все ограничения, присущие перечисленным выше аналогам. Однако, преимущества данной конструкции устройства могут быть реализованы только в системах отделения (разделения) на основе УКЗ. Для системы отделения на детонационных замках или болтах, срабатывающих от не разрушаемых трансляторов детонации (например, типа «Транер»), данное техническое решение не применимо.
Во всех приведенных аналогах перед подачей команды на отделение необходимо ввести еще одну команду - на резку или разделение (кабельной части, транзитных трубопроводов или волноводов) - и строго контролировать последовательность подачи команд на устройства отделения. Это ведет к усложнению и удорожанию системы управления. Необходимы дополнительные телеметрические ячейки контроля состояния пироузлов, дополнительные блоки преобразования слаботочных командных импульсов СУ в «силовые» команды с величиной тока не менее 2А (на практике - до 6А) на каждый мостик накаливания пироузла.
Техническое решение по предлагаемому изобретению направлено на достижение технического результата, заключающегося:
- в существенном расширении функциональных возможностей устройства и его унификации;
- в снижении массово-габаритных характеристик и компоновочных параметров как предлагаемого устройства, так и всего изделия в целом;
- в снижении ударно-волновых нагрузок на элементы конструкции и чувствительные приборы, агрегаты, аппаратуру;
- в значительном снижении энергопотребления, улучшении энергомощностных характеристик бортовой системы энергоснабжения, упрощении и облегчении бортовой кабельной сети;
- в упрощении и снижении нагрузки на бортовой комплекс управления КА (в частности, на программно-временные устройства).
Таковы задачи настоящего изобретения, которые становятся особо актуальными для малоразмерных КА при дефиците команд бортовой СУ. Поставленные задачи решены согласно предлагаемому изобретению тем, что универсальный инициатор-резак для бортовых систем разделения детонационного типа, как и ряд его аналогов, содержит прочный не разрушаемый при срабатывании металлический корпус цилиндрической формы с внутренней соосной полостью - зарядной камерой в верхней части, в которой размещены взрывной элемент - инициирующее устройство (например, электродетонатор) и заряд взрывчатого вещества, а с противоположной стороны (в нижней части) корпус имеет два диаметрально расположенных боковых прилива с полостями, в которые заведены концевые элементы не разрушаемых трансляторов детонации (например, типа «Транер») и/или концы ДУЗ (УКЗ, УЗ) со снаряженными колпачками на торцах.
В отличие от известных аналогов предлагаемое устройство содержит в средней части корпуса дополнительный боковой прилив, в котором смонтирован пиротехнический резак (другие названия в данной отрасли техники - пиронож, детонационный нож) известного поршневого типа (см.. например, Расчет и проектирование систем разделения ступеней ракет: Учеб. пособие / К.С. Колесников, В.В. Кокушкин, С.В. Борзых, Н.В. Панкова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - с. 93, фиг.1.74 либо Ефанов В.В., Горовцов В.В. Конструкция и расчет систем и устройств разделения космических аппаратов: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МАИ, 2015. - с. 26-27, фиг.3.7 - 3.9, либо патент РФ №2412090, опубл. 20.02.2011) без взрывного элемента - инициирующего устройства (пироэнергодатчика или электродетонатора), а внутренняя цилиндрическая полость дополнительного прилива, в которой размещен поршень резака со штоком и присоединенным к нему плоским ножом, сообщается с зарядной камерой радиальным каналом. В донной части зарядной камеры выполнено вертикальное, осевое сверление с коническим переходом - расширением в сторону камеры до пересечения с горизонтальным сверлением, соединяющим полости нижних боковых приливов. На выходе горизонтального сверления в полости приливов выполнены цилиндрической формы поднутрения для установки в них металлических (например, мельхиоровых) колпачков. Заряд ВВ, полностью повторяющий профиль сверлений (с коническим переходом - расширением и поднутрениями) и плотно заполняющий их, выполнен из эластичного либо пластичного взрывчатого вещества с малым, не превышающим 0.5 мм, критическим диаметром детонации. Со стороны зарядной камеры коническую часть заряда прикрывает металлический (например, из алюминиевой фольги) кружок.
Выполнение корпуса устройства с дополнительным боковым приливом и размещением в нем резака для резки транзитных проводов, жгутов, кабелей, мелких (диаметром до 6÷8 мм и толщиной стенки 1,0÷1,5 мм) металлических трубок пневмо- и гидросистем одновременно с инициированием взрывчатого превращения в не разрушаемых трансляторах детонационных команд и/или в детонирующих удлиненных зарядах способствует расширению функциональных возможностей устройства за счет объединения в одном устройстве функций и инициатора детонации, и резака, унификации его, снижению массы и улучшению габаритно-компоновочных характеристик как самого заявляемого устройства, так и конструкции в целом за счет того, что монтируется оно на элементе (например, шпангоуте) конструкции на одном фланце с меньшим количеством крепежных элементов (болтов, гаек, шайб). За счет уменьшения количества взрывных элементов - инициирующих устройств (например, электродетонаторов) снижается бортовое энергопотребление, поскольку и инициатор, и резак срабатывают от одного общего для них взрывного элемента, облегчается и упрощается кабельная сеть, упрощается бортовая система управления за счет уменьшения числа ячеек, формирующих временные уставки, так как срабатывание резака должно осуществляться строго после срабатывания инициатора.
Применением в устройстве заряда из эластичного либо пластичного взрывчатого вещества с малым, не превышающим 0,5 мм, критическим диаметром детонации снимает ограничение по массе и габаритам устройства за счет возможности либо утончения стенок корпуса, либо замены материала корпуса (например, стали) на более легкие сплавы (алюминиевые, магниевые), а также обеспечивает снижение уровня ударных и вибрационных нагрузок за счет минимизации массы заряда, заключенного в сверлениях корпуса с коническим переходом - расширением и в колпачках.
Отказ от второго взрывного элемента - инициирующего устройства, задействующего резак, также способствует снижению спектра ударных нагрузок на элементы конструкции.
Объединение в заявляемом устройстве функций инициатора и резака обеспечивает также строгую последовательность выполнения этих операций, чем повышается надежность устройства, снижается нагрузка на бортовую систему управления, которая при этом заметно упрощается и удешевляется. Время с момента подачи электрического сигнала на мостики накаливания взрывного элемента - инициирующего устройства до инициирования детонации в трансляторах детонации или в ДУЗ составляет десятки микросекунд, а время срабатывания детонационного резака, складывающееся из времени нарастания давления в зарядной камере, дросселирования газообразных продуктов детонации через радиальный канал в полость дополнительного бокового прилива, воздействия на поршень до срезания стопорящего в исходном состоянии нож элемента (например, шпильки), движения поршня и внедрения ножа в жгут проводов, кабель или в металлические трубки с их перерезанием, может составлять десятки миллисекунд или даже секунды.
Изготовление заряда взрывчатого вещества с коническим переходом - расширением в сторону зарядной камеры повышает надежность инициирования его от взрывного элемента - инициирующего устройства, кружок защищает заряд от возможных повреждений его при транспортировке устройства и при установке взрывного элемента перед стартом, а металлические колпачки усиливают инициирующий импульс заряда. Все это обеспечивает дополнительно повышение надежности заявляемого устройства.
Отмеченное выше свидетельствует о решении декларированных задач настоящего изобретения благодаря наличию у заявляемого устройства перечисленных отличительных признаков.
Изобретение иллюстрируется чертежами (фиг.1÷6). На фиг.1 показан фронтальный разрез заявляемого устройства, на фиг.2 - вид слева, на фиг.3 - вид снизу А фиг.1, на фиг.4÷5 - выносные элементы фиг.1, на фиг.6 - сечение В-В фиг.3 соответственно
Здесь 1 - корпус устройства; 2 - усилительный заряд ВВ; 3 - наконечники зарядов трансляторов детонационных команд; 4 - взрывной элемент - инициирующее устройство (электродетонатор); 5 - наковальня; 6 - кабель; 7 - нож; 8 - поршень ножа; 9 - металлический колпачок; 10 - кружок; 11 - срезаемый элемент (шпилька).
Предлагаемое устройство используется и работает следующим образом.
Универсальный инициатор-резак для бортовых систем разделения детонационного типа содержит прочный не разрушаемый при срабатывании металлический корпус цилиндрической формы с внутренней соосной полостью - зарядной камерой в верхней части, в которой размещены взрывной элемент - инициирующее устройство 4 (например, электродетонатор) и заряд ВВ 2, а с противоположной стороны (в нижней части) корпус имеет два диаметрально расположенных боковых прилива с полостями, в которые заведены концевые элементы 3 не разрушаемых трансляторов детонации (например, типа «Транер») и/или концы ДУЗ (УКЗ, УЗ) со снаряженными колпачками 9 на торцах. Устройство содержит в средней части корпуса дополнительный боковой прилив, в котором смонтирован пиротехнический резак поршневого типа, а внутренняя цилиндрическая полость дополнительного прилива, в которой размещен поршень 8 резака со штоком и присоединенным к нему плоским ножом 7, сообщается с зарядной камерой радиальным каналом. В донной части зарядной камеры выполнено вертикальное, осевое сверление с коническим переходом - расширением в сторону камеры до пересечения с горизонтальным сверлением, соединяющим полости нижних боковых приливов. На выходе горизонтального сверления в полости приливов в цилиндрической формы поднутрениях установлены металлические колпачки. Заряд ВВ 2, полностью повторяющий профиль сверлений (с коническим переходом - расширением и поднутрениями) и плотно заполняющий их, выполнен из эластичного либо пластичного ВВ с малым, не превышающим 0.5 мм, критическим диаметром детонации. Со стороны зарядной камеры коническую часть заряда прикрывает металлический (например, из алюминиевой фольги) кружок.
При подаче электрического сигнала на мостики накаливания взрывного элемента - инициирующего устройства, например, электродетонатора 4, происходит срабатывание последнего. Под воздействием осколков оболочки (гильзы) инициирующего устройства, продуктов взрыва снаряжения его и ударной волны возбуждается детонация в заряде ВВ 2. Через металлические колпачки 9 инициирующий импульс передается концевым элементам 3 не разрушаемых зарядов-трансляторов.
Газообразные продукты взрыва создают в зарядной камере давление, которое через радиальный канал действует на поршень 8. По достижении расчетного значения срезается шпилька 11, которая предварительно удерживала поршень 8 с ножом 7 в исходном положении. Нож 7, внедряясь в кабель 6 либо в жгут проводов, либо в трубопроводы пневмо-гидросистемы, заранее пропущенные в окно, образованное между ножом 7 и наковальней 5, перерезает последние.