Приемное устройство для инициатора модульного метательного заряда с бесконтактным воспламенением
RECEIVING DEVICE FOR INITIATOR OF A MODULAR PROPELLANT CHARGE WITH NON-CONTACT IGNITION

Изобретение относится к взрывотехнике, а более конкретно к воспламенителям для метательного заряда в каморе ствола артиллерийского орудия для безгильзовых боеприпасов.
Уровень данной области техники (для боеприпасов раздельного заряжания, где отсутствует капсюль-воспламенитель) характеризует устройство для воспламенения метательного заряда с помощью индукции по патенту DE 1984878, в котором в затворе установлена первичная катушка индуктивности, а в заряде - вторичная катушка, окруженная взрывчатым веществом, имеется мощная система электропитания, замкнутая с первичной катушкой.
Недостатком описанного устройства является сложная настройка и ненадежность в работе, из-за того что в процессе эксплуатации возникает повышенная опасность наведения тока во вторичной катушке электромагнитных полей за счет посторонних источников и, соответственно, нештатное срабатывание системы инициирования с последующим несанкционированным подрывом боеприпаса, что недопустимо.
Более совершенным является устройство для воспламенения заряда с помощью управляемого электромагнитного излучения по патенту US 3601054, который содержит источник электромагнитного излучения СВЧ диапазона (магнетрон), металлические инициаторы, имеющие длину, равную половине длины волны излучения, расположенные в объеме инициирующего заряда (запала), который размещен в затворе каморы и примыкает к антенне волновода, связанного с источником излучения, установленным на лафете орудия.
Недостатком данного устройства является то, что технически не представляется возможным использовать его для воспламенения последовательных зарядов модульного типа, которые срабатывают неодновременно, сообщая снаряду безгильзового заряжания нестабильную скорость.
Отмеченный недостаток устранен в устройстве для воспламенения метательного заряда в каморе ствола артиллерийского оружия с безгильзовым заряжанием по патенту RU №2348004, которое содержит закрепленные на лафете источник электромагнитного излучения СВЧ диапазона и управляющий блок питания, связанный посредством волновода, коаксиально размещенного в канале затвора, с антенной на дистальном конце, и помещенные в метательном заряде металлические инициаторы, выполненные в форме резонансного на половине длины волны излучения кольцевого элемента с разрывом.
Металлические инициаторы, распределенные в объеме чувствительного к тепловой энергии заряда, выполнены в виде резонансных кольцевых незамкнутых элементов длиной, равной половине длины излучения.
Недостатком описанного устройства является то, что воспламенение модульных зарядов происходит инерционно, в результате интегральной тепловой энергии, путем сложения локальных воспламенений заряда в местах примыкания к резонаторам, срабатывающим от направленного антенной электромагнитного излучения. Невысокая временная точность воспламенения метательного заряда при выстреле заметно увеличивает разброс снарядов по дальности полета.
Данная проблема успешно решается в конструкции устройства для воспламенения метательного заряда в каморе ствола артиллерийского орудия с безгильзовым заряжанием по патенту RU №2571459, выбранному в качестве прототипа, которое содержит закрепленные на лафете управляющий блок питания и источник электромагнитного излучения СВЧ диапазона, связанный посредством волновода, размещенного в канале затвора, с антенной на дистальном конце, и помещенные в метательном заряде металлические инициаторы, выполненные в форме кольцевого элемента с разрывом, выполняющего функции резонансного полуволнового излучателя. Каждый металлический инициатор оснащен преобразователем накопленной электромагнитной энергии в огневой импульс, электроды которого закреплены в разрыве кольцевого элемента. Периферийный электрод жестко соединен с установленным на диэлектрической подложке резонансного излучателя свинцовым трубчатым корпусом, несущим внутри инициирующий заряд, примыкающий к запрессованной коммутационной перемычке, которая через опорный изолятор зафиксирована на центральном электроде и электрически с ним связана нить накаливания посредством контактной микросварки.
Недостатком данного решения является то, что оно обеспечивает надежное воспламенение только при размещении на торце модульного метательного заряда согласно описанному в патенте RU №2631518.
Напротив, осевое расположение инициирующего устройства является наилучшим для обеспечения равномерности процесса горения модульного метательного заряда и позволяет получить оптимальные баллистические характеристики.
При размещении данного устройства вдоль оси модульного метательного заряда на внутренней поверхности трубки его чувствительность к воздействию СВЧ электромагнитного поля резко снижается и становится недостаточной для надежного стабильного воспламенения. Это связано с тем, что порох из состава модульного метательного заряда эффективно поглощает электромагнитную энергию в СВЧ диапазоне, в результате чего до приемного устройства инициатора, выполненного в форме кольцевого элемента с разрывом, доходит лишь небольшая часть мощности от излучаемой в камору артиллерийского орудия. Также экранирующим действием на данный инициатор обладает картуз с дымным ружейным порохом, располагаемый вдоль приемного устройства сверху обоймы (свинцовый корпус) с инициирующим составом. При торцевом размещении инициатор подвержен воздействию электромагнитного поля максимальной величины.
Для обеспечения надежной работы приемного устройства в осевом расположении требуется повысить его чувствительность, чтобы снизить влияние на его работу ослабления СВЧ сигнала, вносимого модульным метательным зарядом и воспламенителем из дымного ружейного пороха. Данный тип инициаторов можно назвать приемным устройством с прямым СВЧ нагревом, то есть мостик накаливания нагревается от протекания по нему непосредственно высокочастотного тока. Величина тепловой мощности, выделяемой в мостике накаливания, при этом прямо пропорциональна уровню СВЧ сигнала в каморе артиллерийского орудия. Увеличение чувствительности означает, что требуемая для срабатывания температура мостика накаливания должна достигаться при более низком уровне СВЧ мощности, чем при расположении приемного устройства на торце модульного метательного заряда согласно описанному в патенте RU №2631518. Таким образом, при повышении чувствительности приемного устройства с прямым СВЧ нагревом происходит пропорциональное снижение порога срабатывания инициатора и, как следствие, ухудшение требований безопасности по устойчивости к воздействию электромагнитных излучений от природных и индустриальных источников. Кроме того, инициаторы, содержащие приемное устройство с прямым нагревом, имеют существенный разброс мощности, при которой происходит их срабатывание, так как пиротехническая навеска устройства воспламенения имеет разброс температуры активации. Этот факт также отрицательно влияет на безопасность инициатора, так как пороговая мощность срабатывания различных образцов изделия может различаться в несколько раз.
Данная проблема противоречия между одновременным обеспечением безопасности и чувствительности может быть решена, например, увеличением мощности СВЧ генератора. Количественно при переводе инициатора с приемным устройством прямого нагрева с торцевого расположения в осевое радиальное для выполнения требований безопасности мощность СВЧ генератора требуется увеличить на величину, соответствующую затуханию сигнала в материале модульного метательного заряда, что влечет за собой значительные технические трудности и увеличивает стоимость системы.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение чувствительности приемного устройства с одновременным выполнением требований безопасности по его устойчивости к воздействию электромагнитных излучений от природных и индустриальных источников при его радиальном расположении на внутренней поверхности трубки модульного метательного заряда относительно его оси, и, как следствие, стабилизация баллистических характеристик метаемого боеприпаса.
Поставленная задача решается за счет того, что приемное устройство для инициатора модульного метательного заряда с бесконтактным воспламенением функционально содержит закрепленные на лафете управляющий блок питания и источник электромагнитного излучения СВЧ диапазона, связанный посредством фидерного тракта и коаксиального волновода, размещенного в канале затвора, с излучающим устройством, расположенным в каморе орудия, и помещенные в метательном заряде инициаторы, содержит устройство оценки уровня СВЧ сигнала, обеспечивающий блокировку работы приемного устройства при уровнях СВЧ сигнала менее заданного, и устройство преобразования и накопления энергии, обеспечивающее преобразование энергии СВЧ сигнала в энергию постоянного тока, запасаясь в конденсаторе, и при достижении заданного уровня напряжения на нем передается в мостик накаливания в виде короткого импульса тока, обеспечивая тем самым мгновенный нагрев мостика накаливания до требуемой температуры воспламенения пиротехнического состава, а также в приемном устройстве инициатор расположен радиально оси модульного метательного заряда с вынесением активной области приемного устройства из-под влияния воспламенителя, и приемное устройство обеспечивает защиту инициатора от срабатывания при воздействии электромагнитных излучений естественного и искусственного происхождения, кроме этого приемное устройство обеспечивает минимальный разброс величины СВЧ мощности, для срабатывания инициатора, и в приемном устройстве на одной подложке расположены два узла воспламенения.
Приемное устройство инициатора модульных метательных зарядов делается функционально и структурно состоящим из 2 частей: устройства оценки уровня СВЧ сигнала и устройства преобразования и накопления энергии. Устройство оценки уровня СВЧ сигнала обеспечивает блокировку работы приемного устройства при уровнях СВЧ сигнала менее заданного в требованиях безопасности. Устройство преобразования и накопления энергии реализует так называемую схему косвенного нагрева. Устройство преобразования и накопления энергии обеспечивает преобразование энергии СВЧ сигнала в энергию постоянного тока, которая запасается в конденсаторе и при достижении заданного уровня напряжения на нем передается в мостик накаливания в виде короткого импульса тока, обеспечивая тем самым мгновенный нагрев мостика накаливания до требуемой температуры воспламенения пиротехнического состава. Заряд конденсатора продолжается либо до достижения заданного уровня напряжения на нем, либо до окончания импульса СВЧ мощности. Требуемое напряжение определяется необходимой величиной импульса воспламенения и зависит от сопротивления мостика накаливания и емкости конденсатора.
Устройство оценки уровня СВЧ сигнала состоит из антенного устройства, СВЧ детектора и стабилитрона VD1. Пороговый уровень СВЧ мощности, при котором активируется приемное устройство и начинается заряд конденсатора - открывается ключевой элемент К1 - определяется напряжением пробоя используемого стабилитрона.
Устройство преобразования и накопления энергии состоит из антенного устройства, СВЧ детектора, конденсатора, стабилитрона VD2 и устройства коммутации.
Антенное устройство представляет собой щелевую металлическую антенну (магнитный вибратор), располагаемую радиально, вдоль силовых линий магнитного поля H, электрическое поле Е при этом должно быть направлено поперек щели. Таким образом, использование щелевой антенны позволяет расположить приемное устройство радиально на внутренней поверхности модуля метательного заряда и вынести активную область приемного устройства из-под влияния воспламенителя модульного метательного заряда, состоящего из дымного ружейного пороха и создающего дополнительное ослабление СВЧ сигнала.
СВЧ детектор реализован на базе диодов Шоттки с низкой собственной емкостью. СВЧ детектор выполняет функцию преобразования переменного высокочастотного напряжения в постоянный ток, который протекает через устройство коммутации (ключ К1) и заряжает конденсатор. В устройстве оценки уровня СВЧ сигнала постоянное напряжение с выхода СВЧ детектора, подаваемое на стабилитрон VD1, пропорционально уровню СВЧ мощности на входе приемного устройства. Детекторные диоды размещаются на щелевой металлической антенне, площадки которой развязаны по постоянному току высокочастотными керамическими конденсаторами.
Устройство коммутации состоит из двух последовательно соединенных ключевых элементов К1 и К2. Первый ключевой элемент К1 соединяет СВЧ детектор и конденсатор - цепь заряда. Ключ К1 открывается, когда появляется ток на выходе стабилитрона VD1 устройства оценки уровня СВЧ сигнала, то есть когда СВЧ мощность превысит заданный уровень - при этом начинается заряд конденсатора. Ключ К2 соединяет конденсатор и мостик накаливания - цепь разряда. Ключ К2 открывается по сигналу от стабилитрона VD2, когда напряжение на конденсаторе достигнет заданного уровня, произойдет пробой стабилитрона VD2 и начнет протекать ток. При этом происходит разряд емкости через ключ К2 на нагрузку в виде нити накаливания - запасенная в конденсаторе энергия используется для нагрева нити накаливания (косвенный нагрев).
Посредством выбора величины напряжения пробоя стабилитрона VD1 регулируется пороговая СВЧ мощность, при которой активируется приемное устройство и начинается заряд конденсатора. Посредством выбора величины напряжения пробоя стабилитрона VD2 регулируется напряжение, до которого должен зарядиться конденсатор и которое определяет величину импульса тока, протекающего через нить накаливания и вызывающего ее нагрев до температуры активации пиротехнического состава узла воспламенения.
Приемное устройство для инициатора модульного метательного заряда с бесконтактным воспламенением (приемное устройство) содержит закрепленные на лафете управляющий блок питания и источник электромагнитного излучения СВЧ диапазона, связанный посредством фидерного тракта и коаксиального волновода, размещенного в канале затвора, с излучающим устройством, расположенным в каморе орудия, и помещенные в метательном заряде инициаторы, где каждый инициатор, расположенный радиально в модульном метательном заряде относительно оси модульного метательного заряда, оснащен приемным устройством, преобразующим электромагнитную энергию в тепловую посредством косвенного нагрева, и нитью накаливания, заключенной в обойму и залитой пиротехническим составом, который воспламеняется при ее нагреве, создавая огневое воздействие на воспламенитель из дымного ружейного пороха, который в свою очередь равномерно воспламеняет метательный заряд.
Приемное устройство представляет собой печатную плату на гибкой диэлектрической подложке с установленными на нее электрорадиоэлементами.
Приемное устройство обеспечивает эффективный косвенный нагрев нити накаливания, посредством преобразования СВЧ энергии в энергию постоянного тока, запасенной энергии в конденсаторе и передачу ее в нить накаливания.
Приемное устройство позволяет расположить инициатор радиально оси модульного метательного заряда с вынесением активной области приемного устройства из-под влияния воспламенителя.
Приемное устройство с косвенным нагревом обеспечивает защиту инициатора от срабатывания при воздействии электромагнитных излучений естественного и искусственного происхождения, так как нить накаливания физически не связана с антенным устройством, а ее особое расположение на печатной плате исключает возникновение в ней наведенного высокочастотного тока сверх заданной безопасной величины. Активация приемного устройства происходит только при превышении СВЧ мощностью заданной пороговой величины.
Особенностью предложенной конструкции является то, что приемное устройство инициатора модульных метательных зарядов состоит из устройства оценки уровня СВЧ сигнала и устройства преобразования и накопления энергии. Устройство оценки уровня СВЧ сигнала обеспечивает блокировку работы приемного устройства при уровнях СВЧ сигнала менее заданного в требованиях безопасности. Устройство преобразования и накопления энергии обеспечивает преобразование энергии СВЧ сигнала в энергию постоянного тока, которая запасается в конденсаторе и при достижении заданного уровня напряжения на нем передается в мостик накаливания в виде короткого импульса тока, обеспечивая тем самым мгновенный нагрев мостика накаливания до требуемой температуры воспламенения пиротехнического состава. Данная конструкция приемного устройства позволяет обеспечить минимальный разброс величины СВЧ мощности, при которой происходит срабатывание инициатора, от образца к образцу, устраняя при этом влияние конструкции узла воспламенения и разброс температуры активации пиротехнического состава.
01
01
В предлагаемой конструкции приемного устройства в качестве антенного устройства используется щелевая металлическая антенна, которая расположена радиально на внутренней поверхности модульного метательного заряда вдоль силовых линий магнитного поля волны E (ТМ), перпендикулярно оси модуля, что позволяет вынести рабочую область приемного устройства из-под влияния воспламенителя с дымным ружейным порохом. Данный способ расположения приемного устройства обеспечивает равномерное распределение поля вдоль рабочей области антенны - излучающей щели. Это позволяет существенно снизить влияние затухания СВЧ сигнала в материалах модульного метательного заряда и воспламенителя на работу приемного устройства инициатора.
Данная конструкция и принцип действия приемного устройства позволяет расположить на одной подложке и обеспечить одновременное срабатывание двух узлов воспламенения, тем самым избавляя от необходимости установки двух различных инициаторов в модуль метательного заряда.
Сущность изобретения поясняется представленными чертежами, в которые входят следующие элементы:
1 - приемное устройство для инициатора для модульного метательного заряда (приемное устройство);
2 - диэлектрическая подложка (печатная плата);
3 - антенное устройство (щелевая металлическая антенна) устройства оценки уровня СВЧ сигнала;
4 - антенное устройство (щелевая металлическая антенна) устройства преобразования и накопления энергии;
5 - высокочастотные (ВЧ) керамические конденсаторы;
6 - высокочастотные (ВЧ) детекторные диоды;
7 - низкочастотные электрорадиоизделия;
8 - узел воспламенения;
9 - нить накаливания;
10 - контактная площадка;
11 - обойма для пиросостава;
12 - инициатор модульного метательного заряда с бесконтактным воспламенением (инициатор);
13 - модульный метательный заряд;
14 - воспламенитель (жгуты с дымным ружейным порохом);
15 - излучающая щель;
16 - места для установки узлов воспламенения.
Приемное устройство (1) состоит из диэлектрической подложки (2) выполненной из гибкого горючего полимера; антенных устройств в виде щелевой металлической антенны (3) и (4) выполненной из токопроводящей фольги; излучающей щели (15), представляющей собой рабочую область щелевой металлической антенны (3); высокочастотных (ВЧ) керамических конденсаторов (5), необходимых для связи площадок щелевой антенны по переменному току; ВЧ детекторных диодов (6), осуществляющих преобразование высокочастотного переменного тока в постоянный; низкочастотных электрорадиоизделий (7), установленных на диэлектрическую подложку посредством пайки, места для установки узлов воспламенения (16).
Приемное устройство (1) входит в состав инициатора (12), состоящего из приемного устройства (1) и узла воспламенения (8).
Нить накаливания (9), контактная площадка (10), обойма для пиросостава (11) вместе образуют узел воспламенения (8), представленный на фиг. 4. Обойма для пиросостава (11) выполнена из горючего пластика и содержит инициирующий пиротехнический состав. Контактная площадка (10) - место крепления нити накаливания (9), выполнена из металлического сплава. Нить накаливания (9) выполнена в виде проволочки из резистивного сплава с сопротивлением 1-5 Ом.
Длина излучающей щели (15) определяется в процессе настройки приемного устройства и выбирается таким образом, чтобы обеспечить наименьшее время заряда конденсатора (наибольший ток заряда) при заданной мощности СВЧ излучения. Щелевая металлическая антенна (3) и (4) позволяют выполнять настройку посредством изменения длины излучающей щели с помощью изменения положения высокочастотных керамических конденсаторов (5), установленных на краях щели и обеспечивающих ее замыкание по переменному току.
01
01
01
01
Модульный метательный заряд (13), представляет собой цилиндр с внутренним отверстием. На фиг. 5 показано расположение инициатора (12) модульного метательного заряда (13) внутри модульного метательного заряда (13) - радиально на внутренней поверхности относительно оси модуля метательного заряда (13). Гибкая подложка приемного устройства (1) позволяет разместить инициатор (12) на поверхности внутреннего отверстия модульного метательного заряда (13) посредством приклеивания, вдоль силовых линий магнитного поля волны E (TM), показанных на фиг. 5 штриховыми окружностями и обозначенных как  Вектор электрического поля  направлен перпендикулярно излучающей щели (15) вдоль подложки приемного устройства. При этом поле, имея осевую симметрию, не изменяется вдоль щели. Таким образом достигается наибольшая эффективность взаимодействия электромагнитного поля волны E (TM) и приемного устройства (1) инициатора (12).
На фиг. 6 изображен оптимальный, с точки зрения обеспечения баллистических характеристик выстрела, вариант расположения воспламенителей (жгутов с дымным ружейным порохом) (14) модульного метательного заряда (13) вдоль его оси на внутренней поверхности. При этом в модульном метательном заряде (13) под каждый воспламенитель (14) устанавливается узел воспламенения (8) инициатора (12) модульного метательного заряда (13), для их прямого воспламенения.
Антенное устройство (3) инициатора (12) вынесено из-под воспламенителя (14), что позволяет существенно снизить влияние затухания СВЧ сигнала в материале воспламенителя (14) на работу инициатора (12) модульного метательного заряда (13).
Функционирует устройство следующим образом.
01
01
01
01
СВЧ генератор (на фигурах не показано) формирует импульс заданной мощности. Сигнал от СВЧ генератора передается по фидерному тракту (на фигурах не показано) к излучающему устройству (на фигурах не показано), расположенному в каморе артиллерийского орудия. Излучающее устройство формирует в каморе как в круглом волноводе волну типа E (TM) с симметричной относительно оси волновода структурой электромагнитного поля (фиг. 5), которая распространяется по каморе, достигает модульного метательного заряда (13), частично проходит через него, отражается обратно в сторону затвора, создавая коэффициент стоячей волны по напряжению порядка 1,5-2,5. Прошедший через модульный метательный заряд (13) сигнал ослабляется в материале модульного метательного заряда (13) и в дымном ружейном порохе воспламенителя (14) (порох обладает высоким тангенсом угла диэлектрических потерь) и ослабленным доходит до приемного устройства (1). Приемное устройство (1) инициатора модульных метательных зарядов (12) функционально состоит из устройства оценки уровня СВЧ сигнала и устройства преобразования и накопления энергии (фиг. 1). Инициатор (12) для воспламенения модульного метательного заряда (13) установлен радиально в модульном метательном заряде (13) относительно оси модульного метательного заряда (13). Таким образом, достигается наибольшая эффективность взаимодействия электромагнитного поля волны E (TM) и приемного устройства инициатора (1).
Электромагнитная волна принимается приемным устройством (1) и наводит в его антенных устройствах высокочастотный ток. Если уровень электромагнитного излучения ниже заданного, приемное устройство (1) блокируется. Если уровень сигнала превышает заданный, приемное устройство активируется и начинает преобразование энергии СВЧ сигнала в энергию постоянного тока, которая запасается в конденсаторе и при достижении заданного уровня напряжения на нем передается в мостик накаливания в виде короткого импульса тока, обеспечивая тем самым мгновенный нагрев нити накаливания (9) до температуры воспламенения инициирующего пиротехнического состава, находящегося в обойме для пиросостава (11). Огневое воздействие инициатора (12) модульного метательного заряда (13) приводит к возгоранию воспламенителя (14) с дымным ружейным порохом, который в свою очередь поджигает модульный метательный заряд (13). Далее форс пламени, распространяясь в центральной части модульного метательного заряда (13), обеспечивает возгорание всего заряда. Горение порохового заряда создает высокое давление газов, которое воздействует на снаряд и обеспечивает его разгон в стволе артиллерийского орудия до требуемой начальной скорости на выходе из дульного среза.
Особенностью данного устройства является многоразовое использование генерирующей СВЧ излучение системы.