УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ДЕТОНАЦИОННЫХ ЦЕПЕЙ БОРТОВОЙ АВТОМАТИКИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
SAFETY DEVICE FOR AIRCRAFT ONBOARD AUTOMATICS DETONATION CIRCUITS

Изобретение относится к устройствам и системам автоматики, использующим энергию высокоэнергетических конденсированных систем (взрывчатых веществ и взрывчатых составов, порохов, твердых топлив и пиротехнических составов), и может применяться на объектах ракетно-космической, авиационной и специальной техники для решения задачи блокирования детонационных цепей от тяговых блуждающих токов, токов утечки из бортовой кабельной сети, зарядов статического электричества, высокочастотных электромагнитных излучений, грозовых разрядов и др. случайных сигналов, а также несанкционированных воздействий на объекты техники.
Известны конструкции большого количества предохранительных механизмов взрывателей и взрывательных устройств (ВУ) контактного, дистанционного, неконтактного, командного, инерционного действия для различных видов артиллерийских снарядов и мин, боевых частей управляемых и неуправляемых ракет, авиационных, морских, инженерных боеприпасов, гранат и т.д. (Средства поражения и боеприпасы, 2008; Козлов В.И., 2012). Являясь составными частями ударных механизмов и огневых (правильнее - огневых и детонационных) цепей практически всех механических и электромеханических взрывателей и ВУ предохранительного и полупредохранительного типов, эти механизмы выполнены конструктивно по одной схеме.
В подвижной движок, поворотный диск или в поворотную втулку предохранительного детонирующего устройства (ПДУ) или механизма изоляции капсюлей (МИК) вмонтирован капсюль-детонатор (КД) или передаточный заряд (ПЗ). При этом в исходном невзведенном состоянии оси капсюля-воспламенителя (КВ)-ПЗ-КД или КД-детонатора не совмещены; огневая цепь разомкнута. При взведении взрывателя стопорные устройства срываются и движок, поворотный диск или втулка проворачиваются таким образом, чтобы оси всех элементов огневой цепи совпадали; огневая цепь замыкается. Подвижной движок, поворотный диск или втулка приводятся в действие спиральной пружиной, заведенной при сборке. Недостатком таких предохранительных механизмов является включение в состав их конструкций спиральных пружин (а в механизмах дальнего взведения дистанционных ВУ - часовых механизмов), находящихся длительное время в скрученном состоянии. Возможные дефекты пружинной ленты могут привести к ее механическому разрушению (обрыву), что приведет к несрабатыванию узла взведения и отказу в работе ПМ и самого взрывателя или ВУ. Кроме того, снятие стопорных устройств в таких ПМ осуществляется за счет либо инерционных сил (при получении снарядом, гранатой, торпедой, ракетой и т.д. ускорения в канале ствола, торпедной установке, на направляющей (или в контейнере ракеты), либо под действием центробежных сил при закрутке снаряда в канале нарезного орудия, что практически ставит невозможным применение таких устройств на борту КА и блоков, осуществляющих полеты в космосе или сильно разреженной атмосфере.
Известны и широко используются в объектах ракетной, космической и авиационной техники так называемые предохранительные и пусковые устройства - ППУ (Вспомогательные системы ракетно-космической техники, 1970; Загорских В.К, 2011), предназначенные для исключения возможности преждевременного (случайного или несанкционированного) срабатывания бортовых пиротехнических, пиромеханических, детонационных устройств и систем, а также для обеспечения надежного их задействования по команде (сигналу) от бортовой системы управления по циклограмме или с Земли. По назначению, принципу действия и основным элементам конструкции ППУ схожи с упомянутыми выше предохранительными механизмами взрывателей и ВУ (особенно механические ППУ с ленточными пружинами). Подавляющее большинство ППУ выполнено по так называемой «роторной» схеме. Блокирующий ротор (во взрывателях и ВУ - подвижной движок), играющий роль предохранителя при своем вращении относительно оси замыкает либо размыкает огневую цепь (воспламенительную или детонационную). Недостатки ППУ «роторного» типа связаны со сложностью, громоздкостью и недостаточно высокой надежностью используемых приводов: механических, электромеханических, инерционных или использующих параметры окружающей среды. Так, разворот блокирующего ротора в ППУ с механическим приводом осуществляют с помощью вытяжного шнура, кулачкового механизма, штока с возвратно-поступательным движением (требуется дополнительный механизм перемещения штока!) или сильфонного привода (требуется источник рабочего тела в виде баллона со сжатым газом или газогенератора с запорной арматурой и устройствами дистанционного управления ею и т.д.). В ППУ с электромеханическим приводом поворот блокирующего ротора осуществляется с помощью электродвигателя постоянного тока с большим крутящим моментом (зачастую используется дополнительно коробка передач), кривошипно-пружинного механизма, связанного с шлицевым валом двигателя непосредственно или через коробку передач. Помимо больших масс и габаритов ППУ с электромеханическим приводом требуют дополнительного большого энергопотребления для электродвигателя. К тому же, устройство является достаточно сложным, имеет большое количество трущихся, вращающихся деталей. ППУ с инерционным приводом или приводом, использующим параметры окружающей среды, в качестве недостатка имеют весьма ограниченную область их применения на летательных аппаратах: только при старте (пуске) ракет или при посадке спускаемых аппаратов (полезной нагрузки) на Землю или другие планеты. Кроме того, в конструкции этих ППУ включены дополнительно чувствительные устройства, например, барометрическое реле, а также дополнительные источники питания, электродвигатели, массивные платформы, срезаемые предохранительные штифты, скрученные ленточные пружины и т.д. Все это ограничивает возможность использования ППУ указанных типов на борту таких ЛА, как КА и ракетные блоки.
Электронные ППУ являются весьма перспективными; имеют малые размеры, массы, незначительное энергопотребление. Однако на сегодняшний день не обеспечен требуемый уровень радиационно-термической стойкости применяемых микрочипов, безотказность действия их в условиях мощных электромагнитных полей, СВЧ-сигналов.
Известна конструкция самоликвидатора с «пироэлектрическим» приводом сверхзвуковых летающих мишеней одноразового применения, срабатывающего в конце полета мишени в случае ее непоражения с воздуха или с земли. (Вспомогательные системы ракетно-космической техники, 1970, с.204-208, фиг.6.8, 6.9). Конструктивно самоликвидатор состоит из корпуса, внутри которого размещен поршень с предохранительной заслонкой, в теле которого перпендикулярно оси высверлены два сквозных канала. В каналы запрессованы детонаторы (передаточные заряды). Заслонка предназначена для предохранения от возможного инициирования детонации в заряде бризантного взрывчатого вещества (БВВ) при случайном срабатывании электродетонаторов, хотя бы даже одного из двух. В сечении поршень имеет форму оплощенного круга. От самопроизвольного перемещения поршень и заслонку удерживает витая цилиндрическая пружина и предохранительная чека, удаляемая вручную перед пуском мишени. На корпусе смонтирован тонкостенный металлический стакан с зарядом БВВ в виде нескольких прессованных шашек. С противоположной стороны корпуса строго напротив заряда БВВ размещены средства инициирования - электродетонаторы, названные устаревшим термином «электрозапалы» (в соответствии с «Терминологией электрического взрывания», рекомендованной Межведомственной комиссией по взрывному делу (1976 г.) термин к применению не допускается). Для перемещения поршня с предохранительной заслонкой в пусковое положение (замыкания цепи электродетонаторы-детонаторы-заряд БВВ) в торцевой части его установлен сильфонный привод с пиротехническим элементом. Работает самоликвидатор следующим образом. При отделении мишени от самолета-носителя бортовая система питания подает пусковой ток на сильфонный привод. Газообразные продукты сгорания пиротехнического элемента или порохового заряда заполняют сильфон и растягивают его, преодолевая сопротивление удерживающей цилиндрической пружины, сдвигают поршень с заслонкой и устанавливают детонаторы строго в зазор между электродетонаторами и зарядом БВВ. При этом детонационная цепь замыкается. В результате пластической деформации сильфона (при растяжении его) поршень удерживается в пусковом положении.
При подаче электрического сигнала на электродетонаторы последние срабатывают, инициируют детонаторы, а последние передают детонационный импульс заряду БВВ и подрывают его.
Данное известное устройство наиболее близко к предлагаемому по количеству сходных признаков и решаемой задаче и принято за прототип.
В этом известном устройстве по сравнению с предыдущими достигается снижение массогабаритных характеристик и энергопотребления за счет отсутствия электродвигателей (соленоидов, электромагнитов), инерционных механизмов, кулачковых, зубчатых механизмов, толкающих штоков, редукторов, достигается также некоторое повышение надежности за счет замены ленточной пружины на цилиндрическую витую, а блокирующего вращающегося ротора на поршень с поступательным движением. Недостаток известного наиболее близкого к предлагаемому устройства - трудность обеспечения задаваемого высокого уровня надежности работы обусловлен применением в его конструкции пиротехнического сильфонного привода. Очень сложно обеспечить единообразие работы сильфонов (перемещение на одинаковую длину с одинаковым развиваевым усилием) даже в одной партии и даже при использовании в качестве рабочего тела технически чистого сжатого газа от одного и того же источника (баллона, например). Причина тому кроется в значительных разбросах физико-механических показателей материала сильфона и в допустимых отклонениях толщины стенки его.
В дополнение к этому источником рабочего тела для сильфона являются продукты сгорания пиротехнического состава (или порохового заряда), для которого такие показатели, как скорость горения, состав продуктов сгорания, объем газообразных продуктов, их давление, сильно зависят от параметров окружающей среды (главным образом, давления и температуры).
Выстроенная в одну линию детонационная цепь (электродетонаторы-детонаторы-заряд БВВ) вызывает необходимость применения в конструкции устройства дополнительного узла - предохранительной заслонки.
Форма поршня (оплощенный цилиндр) и, соответственно, отверстия внутри корпуса требуют применения при изготовлении дорогостоящих и малопроизводительных фрезерных работ.
Кроме того, известное наиболее близкое к предлагаемому устройство является одноразовым; многократное, или даже повторное, использование каких-либо узлов и деталей исключается ввиду полного уничтожения устройства при его срабатывании.
Техническое решение по предлагаемому изобретению направлено на достижение технического результата, заключающегося в устранении названных недостатков, а именно:
- в повышении надежности работы устройства;
- в достижении универсальности устройства применительно к летательным аппаратам любых классов, в сохранении работоспособности на любых участках их полетов (траекторий) независимо от параметров окружающей среды и возмущений;
- в снижении стоимости и повышении технологичности изготовления устройства;
- в возможности многократного использования основных узлов и деталей устройства.
Для достижения указанного технического результата устройство по предлагаемому изобретению, как и указанное выше известное, наиболее близкое к нему, содержит корпус со сквозным отверстием, в котором установлен поршень с передаточным зарядом-детонатором (в наиболее близком известном их два; названы детонаторами), цилиндрическую витую пружину, электродетонатор (в наиболее близком известном их два; название дано устаревшее - электрозапалы).
В отличие от наиболее близкого известного в устройстве по предлагаемому изобретению корпус имеет внутреннюю полость - сквозное отверстие цилиндрической формы одного (постоянного) диаметра по всей длине корпуса. С обоих торцов корпуса имеются резьбовые соединения; с одной стороны с прижимной крышкой, служащей для поджатая цилиндрической пружины, с другой стороны - с торцевой заглушкой, ограничивающей ход поршня. С внешней стороны корпуса на его боковой поверхности размещены приливы, в одном из которых выполнены две рядом расположенные полости с резьбовыми посадочными местами для электродетонатора и для концевого элемента заряда-транслятора детонационных команд. На другом приливе смонтирована детонационная чека, фиксатор которой в исходном состоянии устройства вставлен в сквозные отверстия в стенках корпуса и поршня и удерживает последний от самопроизвольного перемещения. Поршень устройства имеет цилиндрическую форму и выполнен в том же диаметре, что и отверстие внутри корпуса. На боковой поверхности поршня выполнены кольцевые компрессионные проточки. С одного торца поршень имеет замкнутую (глухую) полость с размещенной в ней цилиндрической витой пружиной, сжатой прижимной крышкой. Передаточный заряд-детонатор, размещенный в поршне, имеет П-образную форму и выполнен в виде двух радиальных каналов, соединенных между собой осевым каналом. В каналы запрессован (или залит) взрывчатый состав (взрывчатая композиция). Расстояние между радиальными каналами передаточного заряда-детонатора соответствует расстоянию между электродетонатором и зарядом-транслятором детонационных команд. Такая форма передаточного заряда позволяет отказаться от предохранительной заслонки, монтируемой на поршне.
Передаточный заряд-детонатор снабжен концевыми усилительными зарядами, представляющими собой небольшие запрессовки (или заливки) взрывчатого состава (или композиции) с более высокими взрывчато-техническими характеристиками, чем у основного передаточного заряда-детонатора. Это позволяет применять для снаряжения последнего относительно маломощные взрывчатые составы (или композиции), при детонации которых сам поршень и корпус устройства остаются целыми. Для повторных использований устройства требуется переснаряжение передаточного заряда-детонатора и замена электродетонатора, заряда-транслятора детонационных команд и детонационной чеки (которая, кстати, предусматривает также многократное переснаряжение).
Размещение в полости поршня цилиндрической пружины, сжатой при сборке устройства прижимной крышкой, позволяет использовать для перемещения поршня с целью замыкания детонационной цепи энергию сжатой пружины и отказаться при этом от пиротехнического сильфонного привода.
Размещение в корпусе устройства резьбовой торцевой заглушки позволяет ограничивать (регулировать) ход поршня и точно устанавливать его в положение, при котором радиальные каналы передаточного заряда-детонатора будут совмещены с электродетонатором и зарядом-транслятором детонационных команд.
Размещение на корпусе устройства детонационной чеки позволяет быстро и надежно снимать механическую связь между корпусом и поршнем.
Использование в конструкции устройства узлов и элементов пироавтоматики, снаряженных только взрывчатыми веществами (составами) и взрывчатыми композициями, отказ от порохов, пиротехнических составов исключает влияние параметров окружающей среды и возмущений на стабильность (единообразие) работы устройства. Таким образом, рассмотренные признаки способствуют повышению надежности работы устройства, достижению универсальности устройства применительно к летательным аппаратам любых классов, сохранению работоспособности на любых участках их полетов (траекторий) независимо от параметров окружающей среды и возмущений, снижению стоимости, повышению технологичности изготовления как отдельных узлов, деталей, так и устройства в целом, а также возможности многократного его использования для проведенной серии испытаний.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображен пример устройства, поясняющий суть заявляемого решения, где:
1 - корпус;
2 - поршень;
3 - чека детонационная;
4 - пружина цилиндрическая;
5 - крышка прижимная;
6 - фиксатор;
7 - передаточный заряд-детонатор;
8 - концевой усилительный заряд;
9 - заглушка торцевая;
10 - электродетонатор;
11 - заряд-транслятор детонационных команд.
Представленное выше устройство работает следующим образом. При подаче от бортовой системы управления по циклограмме или дистанционно с Земли (или воздуха) команды (электрического сигнала) на средство инициирования детонационной чеки 3 происходит ее срабатывание, в результате чего фиксатор 6 утапливается в корпус чеки и выходит из зацепления с поршнем 2. Под действием усилия цилиндрической пружины 4 происходит перемещение поршня 2 до упора в торцевую заглушку 9. Пружина 4 при этом положении поршня 2 остается в поджатом состоянии и не позволяет поршню самопроизвольно перемещаться в обратном направлении. Радиальные каналы передаточного заряда-детонатора 7 установились строго против электродетонатора 10 и заряда-транслятора детонационных команд 11. Устройство замкнуло детонационную цепь (находится в пусковом положении или во взведенном состоянии). При подаче электрического импульса на мостики накаливания электродетонатора 10 последний срабатывает и инициирует детонацию передаточного заряда-детонатора 7. Детонационный импульс, усиленный концевым усилительным зарядом 8, возбуждает детонацию в заряде-трансляторе детонационных команд 11, по которому она передается размножителю (разветвителю) детонационных команд, а от него - исполнительным устройствам безмостикового типа (разрывным болтам, детонационным замкам, толкателям, чекам и т.д.).
Надежность устройства в плане гарантированного незамыкания детонационной цепи при прохождении ложных команд, воздействии паразитных сигналов как природного, так и техногенного характера подтверждается следующими обстоятельствами. При поступлении ложного (паразитного) сигнала на электродетонатор 10 может произойти его срабатывание в запоршневой объем, поскольку детонационная чека 3 не сработала, и фиксатор 6 надежно удерживает поршень 2 в исходном положении. Детонационная цепь разомкнута.
В случае поступления ложного (паразитного) сигнала на средство инициирования детонационной чеки 3 (аналогичный мостикового типа электродетонатор или электродетонирующее устройство - ЭДУ) может также произойти его срабатывание. Оно приведет в действие чеку 3; фиксатор 6 выйдет из зацепления с поршнем 2; последний в результате своего перемещения замкнет детонационную цепь. Но так как в данной ситуации от системы управления команды на срабатывание электродетонатора 10 не последует, цепь останется замкнутой, но детонация по ней не пойдет. И наконец, третий случай, при котором ложный (паразитный) сигнал поступил на оба электродетонатора: поз.10 и поз.3. Они сработают при этом практически мгновенно и одновременно (время и разброс времени срабатывания используемых в бортовой пироавтоматике мостиковых электродетонаторов и ЭДУ составляет десятки микросекунд). За этот период времени поршень 2 не успеет сместиться в пусковое положение и замкнуть детонационную цепь. Суммарное время от подачи электрического сигнала на детонационную чеку до установки поршня 2 в пусковое положение (время взведения устройства) составляет десятые доли секунды или даже несколько секунд.
Источники информации
1. Средства поражения и боеприпасы: Учебник / А.В. Бабкин, В.А. Велданов, Е.Ф. Грязнов и др. Под общ. ред. В.В. Селиванова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - С.843-953.
2. Козлов В.И. Особенности конструкций взрывательных устройств для боеперипасов ствольной артиллерии // URL: http://technomag.http://edu.ru/doc/452053.htm [Электронный ресурс], (дата обращения 08.08.2012).
3. Вспомогательные системы ракетно-космической техники / Под ред. И.В. Тишунина. - М.: Изд-во «Мир», 1970. - С.185-215.
4. Загарских В.И. Взрывчатые вещества и средства пироавтоматики: Учеб. пособие. Ч.2. М.: МО РФ, 2011.