Зонд для проникания в многослойную преграду
PROBE FOR PENETRATION INTO A MULTILAYER BARRIER

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно к проникающим зондам или пенетраторам для исследования процесса высокоскоростного проникания в преграду, а также к изделиям одноразового применения с повышенной проникающей способностью, обеспечивающих преодоление различных преград (грунт, лед и пр.) для их эффективного разрушения, в том числе для решения задачи защиты Земли от опасных небесных объектов или для дистанционного вскрытия ледовых заторов.
В настоящее время постоянно расширяется круг задач по изучению свойств различных преград, исследуемых в условиях высокоскоростного соударения, в том числе грунтов небесных тел, а также изучению ударных процессов в конструкции зондов при их взаимодействии с преградами.
Известно техническое решение, описанное в патенте RU №2287756, МПК G01H 3/30, опубл. 20.11.2006 г. под названием «Устройство проводной электрической связи для метаемого тела и способ испытаний метаемых тел с непрерывной регистрацией баллистических параметров», предназначенное для лабораторных и полигонных условий измерения параметров интенсивных ударных нагружений.
Основным недостатком указанного устройства является низкая надежность проводной электрической линии связи, вероятность обрыва которой определяется множеством факторов: ее длиной, сечением и прочностью проводов, величиной и длительностью действующих перегрузок, характеристиками преграды и параметрами образующейся каверны.
Известен пенетрометр, описанный в патенте US №4492111, МПК G01N 3/00, опубл. 08.01.1985 г., предназначенный для одновременного определения характеристик грунта во время проникновения, а также в состоянии покоя после полного проникания. Устройство содержит прочный корпус, в котором размещены бортовой источник питания и множество чувствительных датчиков, подключенных к телеметрическому оборудованию для генерации характеристик грунта и передачи таких сигналов на поверхность по радиорелейной линии связи.
Недостатком указанного устройства является то, что его надежность будет ограничена работоспособностью телеметрического оборудования, содержащего радиоэлектронные компоненты, являющегося наиболее слабым звеном в конструкции устройства.
Известно техническое решение, описанное в патенте RU №2111476, МПК G01N 3/30, 3/48, E02D 1/00, опубл. 20.05.1998 г. под названием «Зонд для исследования свойств грунта», использующийся для дистанционного определения физико-механических и прочностных свойств грунта, содержащий носовую часть, корпус с регистрирующей аппаратурой, отделяющийся хвостовик-стабилизатор с передающей радиоаппаратурой и узел проводной линии связи между ними.
К недостаткам устройства следует отнести то, что регистрирующая аппаратура размещена непосредственно в носовой части зонда. При резком увеличении перегрузки, например, при попадании зонда в скальный грунт, произойдет отказ регистрирующей аппаратуры при достижении для нее критических значений перегрузки, хотя при этом носовая часть зонда может сохранить свою конструктивную целостность.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению, принятому в качестве прототипа, является зонд для исследования высокоскоростного проникания в преграду, описанный в патенте RU №2729976, МПК G01N 3/30, 3/48, опубл. 13.08.2020 г., содержащий корпус с носовой частью, контейнер с полезной нагрузкой, размещенный во внутренней полости зонда с заданными радиальным и осевым зазорами и соединенный с корпусом с помощью разрушаемого крепежного элемента.
К недостаткам прототипа следует отнести то, что время «жизни» регистрирующей аппаратуры или другой полезной нагрузки, размещенных в контейнере, невелико по сравнению со временем проникания зондов в прочные преграды, и определяется временем движения контейнера в полости корпуса зонда. Небольшое время «жизни» ПН оправдано в случае проникания в прочные преграды относительно большой толщины, когда реализация высокого уровня ударных нагрузок достигается даже при наличии различного рода демпфирующих устройств. В этом случае альтернативой практически «мгновенной» потери работоспособности ПН является продление срока ее работы на некоторое время.
Задачей изобретения является создание зонда для проникания в многослойную преграду с увеличенным временем работы регистрирующей аппаратуры или другой полезной нагрузки зонда при проникании его в многослойные или многофазные преграды при реализации высоких значений перегрузки, при одновременном повышении надежности устройства.
Технический результат, который позволяет решить поставленную задачу, заключается в существенном снижении уровня ударных воздействий на установленную в корпус зонда для проникания в многослойную преграду полезную нагрузку при одновременном расширении условий встречи зонда с преградой, обеспечении высокой проникающей способности зонда в многослойные преграды, что является важнейшим параметром устройства, определяющим такие его характеристики как универсальность применения, надежность функционирования и достоверность получения экспериментальных данных.
Это достигается тем, что зонд для проникания в многослойную преграду, содержащий корпус с носовой частью, контейнер с полезной нагрузкой, размещенный во внутренней полости зонда с заданными радиальным и осевым зазорами и соединенный с корпусом с помощью разрушаемого крепежного элемента, согласно изобретению, снабжен устройством фиксации контейнера в конечном состоянии, выполненным в виде соответствующих контактных поверхностей, в форме согласующихся поверхностей тел вращения, одна из которых внутренняя поверхность упорного элемента, расположенного в донной части полости зонда, а другая, направленная к ней, поверхность контейнера, отдаленные друг от друга заданным осевым зазором, а также силовым упругим элементом, установленным в корпусе и взаимодействующим с контейнером, при этом усилие силового упругого элемента совпадает с вектором скорости зонда и по величине меньше усилия разрушения крепежного элемента, и также демпфирующим вкладышем, размещенным в зазоре между контейнером и полостью зонда.
Кроме того, с целью обеспечения наилучшего взаимодействия поверхностей контейнера и упорного элемента, обеспечивающего фиксацию контейнера в носовой части зонда и отсутствие его асимметрии при дальнейшем движении в преграде, контактная поверхность упорного элемента в донной части полости зонда выполнена в виде конического отверстия, основание которого направлено к контактной поверхности контейнера, выполненной в виде сферической поверхности.
Кроме того, с целью обеспечения существенного снижения уровня ударных воздействий на установленную в корпус зонда полезную нагрузку, демпфирующий вкладыш выполнен из пластичного материала с заданными свойствами.
Кроме того, с целью обеспечения существенного снижения уровня ударных воздействий на установленную в корпус зонда полезную нагрузку, демпфирующий вкладыш выполнен из пластичного материала типа гидропласта.
Кроме того, с целью обеспечения минимального трения контактирующих поверхностей упорный элемент выполнен из фторопласта.
Кроме того, с целью обеспечения взаимодействия контейнера с корпусом силовой упругий элемент выполнен в виде пружины сжатия.
Кроме того, с целью обеспечения взаимодействия контейнера с корпусом и снижения уровня ударных воздействий на установленную в корпус зонда полезную нагрузку силовой упругий элемент выполнен в виде сильфона, а зазор между полостью зонда, контейнером и сильфоном заполнен гелеобразным материалом.
Кроме того, с целью получения достоверных данных в процессе проникания зонда в преграду в качестве полезной нагрузки используют регистрирующую аппаратуру.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».
Предлагаемое изобретение проиллюстрировано следующим чертежами:
на фиг. 1 - изображено продольное сечение зонда в исходном состоянии;
на фиг. 2 - изображено продольное сечение зонда в исходном состоянии (вариант с сильфоном).
На чертеже введены следующие обозначения:
1 - корпус;
2 - носовая часть;
3 - полость;
4 - контейнер;
5 - полезная нагрузка;
6 - радиальный зазор;
7 - осевой зазор;
8 - сферическая опора;
9 - разрушаемый крепежный элемент;
10 - гайка;
11 - проточка, образующая слабое сечение;
12 - линия связи;
13 - силовой упругий элемент;
14 - демпфирующий вкладыш;
15 - упорный элемент;
16 - контактный датчик;
17 - сильфон;
18 - гелеподобный материал.
Зонд для проникания в многослойную преграду выполнен в виде измерительной системы, содержащей корпус 1 с прочной носовой частью 2 (см. фиг. 1). В корпусе 1 выполнена полость 3, в которую установлен контейнер 4 с полезной нагрузкой 5. Между поверхностью полости 3 и контейнером 4 выполнены радиальный 6 и осевой 7 зазоры. Контейнер 4 закреплен в полости 3 с помощью сферической опоры 8, в которой установлен разрушаемый крепежный элемент 9, содержащий стержневую часть, соединенную с контейнером 4. Сферическая опора 8 поджата гайкой 10. На наружной поверхности стержневой части крепежного элемента 9 выполнена проточка 11, которая образует слабое сечение, разрушаемое при заданном уровне нагружения. В крепежном элементе 9 выполнено внутреннее отверстие, в котором размещается линия связи 12 полезной нагрузки 5 с внешней регистрирующей системой (на рисунке не показана).
Между опорным фланцем корпуса 1 и торцевой поверхностью контейнера 4 установлен силовой упругий элемент 13 в виде пружины сжатия, усилие которой не превышает усилие разрушения слабого сечения крепежного элемента 9. В полости 3 установлен демпфирующий вкладыш 14, изготовленный из материала с заданными пластическими свойствами, при этом конфигурация демпфирующего вкладыша 14 фиксирует контейнер 4 в исходном состоянии и обеспечивает демпфирование ударных продольных и поперечных нагрузок при проникании зонда в преграду. В донной части полости 3 установлен упорный элемент 15, выполненный из антифрикционного материала, например, фторопласта, и контактный датчик 16.
Как вариант исполнения (см. фиг. 2), функцию силового упругого элемента 13 может осуществлять сильфон 17, а промежутки между демпфирующим вкладышем 14, контейнером 4 и сильфоном 17 заполняют гелеподобным материалом 18. При этом сильфон 17 выполняет две функции: удерживает гелеподобный материал 18 в полости 3 и оказывает силовое воздействие на контейнер 4.
При больших поперечных размерах зонда для проникания в многослойную преграду, возможно закрепление контейнера 4 с помощью нескольких крепежных элементов, например, трех. В этом случае, для обеспечения возможности углового перемещения контейнера 4 при действии поперечной перегрузки, потребуется не жесткое крепление стержневой части пальца к контейнеру 4, а закрепление ее посредством дополнительной шаровой опоры.
Работа устройства заключается в следующем.
В процессе проникания зонда в преграду при резком увеличении ударных нагрузок, связанных, например, с попаданием зонда в высокопрочный слой, при достижении критической перегрузки происходит разрушение крепежного элемента 9 по слабому сечению 11, что дает возможность движения контейнера 4 в полости 3 корпуса 1, при этом за счет пластических свойств демпфирующего вкладыша 14 обеспечивается демпфирование ударных нагрузок как при действии осевых, так и поперечных перегрузок. При этом контейнер 4 может перемещаться в осевом и поперечном направлениях. Величины радиального 6 и осевого 7 зазоров, пластические свойства материала демпфирующего вкладыша 14 и его конфигурация реализуются таким образом, чтобы обеспечивать демпфирование ударных нагрузок, действующих на контейнер 4 на самом опасном участке - при преодолении прочного слоя преграды.
В завершающей стадии движения зонда сферическая поверхность контейнера 4 контактирует с конической поверхностью упорного элемента 15, установленного на дне полости 3. Далее под действием имеющейся осевой перегрузки и усилия силового упругого элемента 13, контейнер 4 с полезной нагрузкой 5 устанавливается и фиксируется в конической поверхности упорного элемента 15, о чем свидетельствует срабатывание контактного датчика 16, при этом антифрикционный материал упорного элемента 15 обеспечивает минимальное трение контактирующих поверхностей. Продольная ось контейнера 4 располагается вблизи продольной оси зонда, что обеспечивает отсутствие его асимметрии при дальнейшем движении в преграде.
В процессе движения зонда в менее прочном слое преграды перегрузка существенно уменьшается, процесс проникания становится близким к стационарному, при этом конструкция зонда обеспечивает фиксацию контейнера 4, габаритно-массовую симметрию зонда и его устойчивое движение.
На предприятии проведена проектно-конструкторская проработка опытного образца зонда для проникания в многослойную преграду, который имеет практическую реализацию в испытательном варианте системы, предназначенной для экспериментального исследования процесса высокоскоростного проникания в многослойную грунтовую преграду с определением множества террадинамических параметров и состояния составных частей зонда во время движения в преграде.
Заявляемое устройство обеспечивает существенное снижение уровня ударных воздействий на установленную в корпус зонда для проникания в многослойную преграду полезную нагрузку при одновременном расширении условий встречи зонда с преградой. При этом обеспечивается высокая проникающая способность зонда в различные преграды, что является важнейшим параметром устройства, определяющим такие его характеристики как универсальность применения, надежность функционирования и достоверность получения экспериментальных данных.
Заявляемое устройство может выполнять как функцию измерительного устройства, применительно к проникающим зондам или пенетраторам, содержащим в качестве полезной нагрузки регистрирующую аппаратуру для исследования процесса высокоскоростного проникания в преграду, так и различного рода изделий одноразового применения с повышенной проникающей способностью, содержащим в качестве полезной нагрузки заряд ВВ, и обеспечивающих повышенное заглубление в различные преграды для их эффективного разрушения.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных конструктивных решений, а именно получен зонд для проникания в многослойную преграду с улучшенными характеристиками. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».