Многоствольный комплекс стрельбы
MULTI-SHAFT FIRING COMPLEX

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится преимущественно к средствам стрелкового вооружения легких и сверхлегких беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) истребителей для борьбы с БПЛА противника или для поражения наземных целей. Дополнительное применение в менее летальной технике охраны территорий.
Уровень техники
Известна например многоствольная картечница Норденфельда [1], состоящая из неподвижных стволов, спускового механизма, ударников, магазина и рукоятки. Отпирание и запирание затворов с извлечением и выбрасыванием стреляных гильз и взведение боевых пружин ударников производится движением пользователем боковой рукоятки. Движением рукоятки производится досылка в стволы патронов, подаваемых из вертикально расположенных магазинов и запирание затворов. При воздействии на спусковой механизм происходит спуск ударников и залп из нескольких стволов. Недостатком данной конструкции является то, что для производства выстрелов необходимы значительные физические усилия пользователя для взведения боевых пружин и работы спускового механизма. Кроме того картечница содержит большое количество механически взаимодействующих деталей, дорога в изготовлении и подвержена загрязнениям механизмов с последующим их заклиниванием отказом при стрельбе. Массогабаритные характеристики многоствольных картечниц не позволяют использовать их на легких типах БПЛА.
Известен способ электроискрового инициирования пиротехнических зарядов оружия по заявке на изобретение РФ №2014132729 по которому электроды разрядных промежутков чувствительных к электроискровому разряду пирозарядов соединяют электрически параллельно с возможностью увеличения разрядных промежутков в результате инициирования упомянутых зарядов, а затем подают на два общих вывода образовавшихся в результате параллельного соединения разрядных промежутков электродов отдельных пирозарядов последовательные короткие импульсы высокого напряжения с небольшой энергией в импульсе. Недостатком описанного способа является отсутствие указания диапазона длительности употребляемых по заявке импульсов высокого напряжения для достижения описываемых результатов. Слово "короткий" как существенное отличие не отражает значения длительности импульса для эффективного и надежного воспламенения пирозаряда электроискрового инициатора (воспламенителя). В описании способа также нет указаний диапазона необходимого напряжения холостого хода и частоты импульсов для достижения технического результата достигаемого предполагаемым изобретением. Известно оружие по заявке на изобретение РФ №2014132729 для реализации описанного способа содержащее блок стволов, заряды и снаряды, рамку, спусковой элемент, предохранитель, пьезоэлектрический импульсный генератор высокого напряжения с механическим ударным возбуждением. Недостатками описанного оружия являются: -малая многозарядность и скорострельность прямо вытекающая из конструкции устройства карманного ношения.
-невозможность стрельбы очередями для заявленного оружия, так как высоковольтные импульсы вырабатываются пьезоэлектрическим генератором высокого напряжения с механическим ударным возбуждением, причем для вырабатывания каждого высоковольтного импульса необходимо приложение к пьезоэлементы механического усилия от пальца руки пользователя. В описании оружия упоминается о возможности использования генератора коротких высоковольтных импульсов (без отражения значений импульсного напряжения и длительности импульса) с частотой импульсов до 15 Гц ("небольшой частоты" так в заявке РФ №2014132729), для достижения стрельбы очередями с соответственно же небольшим темпом стрельбы (не более 900 выстр/мин.) то есть с темпом стрельбы обычного автоматического оружия типа пистолет-пулемет, автомат или ручной или станковый пулемет.
- невозможность применения на малых типах БПЛА даже в качестве малозарядного нескорострельного оружия так как применение механического спуска (например применение электромеханических актуаторов различной конструкции с усилиями хода до 6-9 кг необходимыми для срабатывания пьезоэлектрического генератора увеличивает энергопотребление и общую массу описанного оружия до неприемлемых для применения такой конструкции на легких и сверхлегких типах БПЛА.
В качестве прототипа выбрана многоствольная система вооружения вертолетов (suppressive fire weapon system) XM215 [2] предназначенная для подавляющего огня с воздуха преимущественно по наземным целям. Система состоит из 4 стреляющих блоков по 306 стволов снаряженных унитарными малокалиберными патронами.22 (5,6 мм) и средства их электрического инициирования (воспламенения) при помощи низковольтного электрического тока. Электронный коммутатор инициирования патронов стреляющих блоков давал возможность регулирования оператором темпа стрельбы системы в 1800, 3600 и 7200 выстр/мин. Недостаток конструкции прототипа состоит в том, что для инициирования капсюля патрона бокового огня применяемого патрона.22 используется ударник (боек) приводимый в действие микрозарядом пиротехнического состава в свою очередь инициируемого низковольтным электрическим током путем его пропускания через воспламенитель в виде спирали накаливания, либо его пропускания сквозь сам пиротехнический состав (пиросостав) содержащий электропроводный материал (например мелкодисперсный графит). Т.е. инициирование пиросостава привода ударника производится омически (джоулевым теплом). Для приведения в действие воспламенителя каждого патрона необходимо подвод к воспламенителю двух проводов, один из которых может быть общим для всех воспламенителей. Таким образом для приведения в действие всех 306 патронов блока к блоку необходимо подвести 306+1=307 проводов. Последовательную коммутацию электрического тока на воспламенитель каждого ствола обеспечивает электронный или электромеханический коммутатор с либо дорогостоящей электронной микропроцессорной схемой либо точной (практически прецизионной) электромеханической схемой (например с шаговыми искателями которые в настоящее время промышленностью вообще не выпускаются, не обеспечивают скорости переключения более 15-30 шагов в секунду, и имеют громадное энергопотребление). Габариты электронного коммутатора инициирования патронов в устройстве прототипе не указаны в доступных описаниях но ее отсутствие на известных фотографиях системы ХМ215 указывает на ее расположение в кабине вертолета. Стоимость же электронного коммутатора инициирования электровоспламенителей патронов на джоулевом тепле весьма высока, в любой топологии применяемой электронной схемы так как на каждый электровоспламенитель необходим коммутирующий твердотельный элемент (транзисторный или тиристорный ключ), таким образом например для коммутации электровоспламенителей на джоулевом тепле упомянутых в устройстве прототипе для 306 стволов необходимо применить 306 транзисторов не считая иных электронных компонентов.
Скорострельность одного стреляющего блока устройства прототипа равняется 1800 выстр/мин. А указанные максимальные темпы стрельбы обеспечиваются одновременной стрельбой из нескольких блоков. 2 штуки одновременно стреляющих блока вместе для получения темпа стрельбы 3600 выстр/мин., и 4 штуки одновременно стреляющих блока вместе для получения темпа стрельбы 7200 выстр/мин.
Стоимость стреляющего блока в конструкции прототипа чрезвычайно высока так как включает в себя точную металлообработку (нарезные металлические стволы), унитарные патроны с металлическими гильзами, двойной системой инициирования (механическое инициирование капсюльного устройства унитарного патрона и электрическое инициирование пиросостава привода бойка). Кроме того омические электровоспламенители имеют собственную высокую стоимость например стандартный электровоспламенитель ЭКМ-1А/80 (ООО "НПП "Глиф-Инжприбор" [3]) стоит 33 руб./ шт. (2017 г.). Таким образом стоимость только одних электровоспламенителей на 306 стволов составит 10098 руб.
Недостаток прототипа заключается также в том, что для стрельбы применяются унитарные патроны имеющие собственную гильзу которая представляет собой паразитную массу причем если в калибре.22 общая масса 306 гильз в прототипе около 300 г, величина незначительная для применения на боевых вертолетах, то в случае попыток применения на легких и сверхлегких БПЛА такая величина уже неприемлемо большая учитывая небольшую полезную нагрузку таких БПЛА.
В настоящее время БПЛА класса "Micro" и "Nano" признаваемые наиболее мобильным и перспективным средством воздушной разведки, а с недавнего времени и средством нападения (широкое применение коммерческих квадрокоптеров класса "Micro" в качестве бомбардировщиков запрещенными террористическими организациями в Сирии) не имеют бортового ствольного оружия способного поражать воздушные и наземные цели и тем более оружия позволяющего вести стрельбу очередями со сверхвысоким темпом стрельбы. Также в настоящее время неизвестно применение многоствольных стрельбовых комплексов на БПЛА любых классов.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является создание многоствольного комплекса сверхскорострельной (сверхвысокотемповой) стрельбы, преимущественно в минимальном массогабаритном исполнении с минимальной производственной стоимостью при максимальной простоте технического воплощения.
Сущность изобретения заключается в том, что многоствольный комплекс стрельбы с электрическим инициированием выстрелов состоит не менее чем из одного блока стволов содержащего снаряды и метательные заряды с электроискровыми инициаторами соединенными электрически параллельно с соединением блока двухпроводной электрической линией с высоковольтным импульсным генератором вырабатывающим высоковольтные импульсы при напряжении холостого хода от 5 кВ до 50 кВ, с длительностью от 100 нс до 1000 мкс и частотой до 1000 Гц.
Дополнительная особенность состоит в том, что дульные отверстия упомянутых стволов закрыты влагостойкой мембраной или пленкой или шторкой или заглушками.
Дополнительная особенность состоит также в том, что упомянутые электроискровые инициаторы снабжены устройством защиты от электростатического электричества.
Дополнительная особенность состоит также в том, что упомянутый блок стволов соединяется с другим блоком или блоками стволов электрически параллельно двухпроводной линией.
Дополнительная особенность состоит также в том, что упомянутые стволы упомянутого блока имеют угловое расхождение друг от друга.
Дополнительная особенность состоит также в том, что упомянутый блок стволов представляет собой монолитный блок с отлитыми в блоке или изготовленными в блоке механической обработкой каналами стволов или отдельных стволов скрепленных между собой стяжкой, сваркой, пайкой или склеиванием.
Дополнительная особенность состоит также в том, что упомянутый блок стволов может соединятся с другим блоком или множественными блоками стволов быстроразъемными соединениями, или стяжкой, сваркой, пайкой или склеиванием.
Дополнительная особенность состоит также в том, что упомянутый блок стволов может быть установлен на расстоянии от другого блока или на расстоянии от установленных также на расстоянии друг от друга множественных блоков с соединением с другими блоками стволов электрически параллельно двухпроводной линией.
Дополнительная особенность состоит также в том, что упомянутый высоковольтный импульсный генератор выполняется преимущественно как генератор с выходным импульсным высоковольтным трансформатором первичная обмотка которого питается от конденсатора через твердотельный ключ или пороговое газоразрядное устройство, или как генератор Маркса.
Дополнительная особенность состоит также в том, что упомянутый высоковольтный импульсный генератор имеет возможность плавной или дискретной регулировки частоты высоковольтных импульсов от частоты менее 1 Гц до частоты 1000 Гц.
Дополнительная особенность состоит также в том, что упомянутый высоковольтный импульсный генератор и упомянутый блок стволов имеют экранирование радиоизлучения искровых разрядов.
Дополнительная особенность состоит также в том, что упомянутые электроискровые инициаторы зарядов представляют собой одновременно метательный заряд.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Блок-схема комплекса.
Фиг. 2. Базовый блок стволов комплекса.
Фиг. 3. Взрыв схема базового блока стволов с хомутом и собранный базовый блок с хомутом.
Фиг. 4. Сборка из нескольких базовых блоков стволов.
Фиг. 5. Разрез базового блока по стволам.
Осуществление изобретения
Фиг. 1. Комплекс состоит из базового блока 1 стволов (или нескольких таких блоков обведенных на фигуре пунктирной линией). Блок 1 соединен двухпроводной линией 2 с высоковольтным импульсным генератором 3 инициирования зарядов стволов, имеющим источник электропитания 4 (батарея или аккумулятор) с электрическим выключателем 5. При использовании нескольких блоков все они соединяются друг с другом электрически параллельно двухпроводной линией.
Фиг. 2 и 3. Базовый блок стволов в исполнении набора блока из отдельных стволов состоит из полимерного выполненного литьем корытообразного основания 6 стволов имеющего места быстроразъемных мест соединений 7 типа "ласточкин хвост", стволов 8 (в исполнении представленном на фигуре стволы представляют собой серийные полимерные картриджи КТР производства АО "РТЕХ-НО" [4]), общего переднего электрода 9 электрически объединяющим передние металлизированные торцы всех стволов с общим передним выводным проводом 10 в высоковольтной изоляции, и общего заднего выводного провода 11 в высоковольтной изоляции общего заднего электрода 12 представляющего собой металлическую фольгу уложенную на дно основания 6. Винты 13 крепления проводников проходят сквозь дно основания 6 и электрически контактируют с общим задним электродом 12 из фольги. Общий передний электрод 9 может быть выполнен как охватывающая стволы токопроводная деталь, так и например в виде простой обмотки или наклейки примыкающей к металлизированным дульным срезам стволов клеящейся металлической фольгой. В показанном исполнении стволы 8 склеены между собой и приклеены к внутренним стенкам основания 6.
В одном исполнении базовый блок может быть набран из отдельных металлических или полимерных стволов скрепленных между собой в единое целое стяжкой, или сваркой или пайкой или склеиванием. В ином исполнении базовый блок стволов может представлять собой монолитный блок из полимерного или металлического материала с отлитыми в нем или изготовленными в нем механической обработкой каналами стволов. При изготовлении стволов из металла они имеют казенную часть из нетокопроводного материала с проходящим сквозь него инициирующим электродом. При этом и в том и другом видах исполнения стволы блока могут иметь угловое расхождение друг от друга в дульной части блока, для увеличения гарантированной площади поражения при обстреле как наземных целей так и БПЛА в воздухе, создавая эффект дробовой осыпи.
Базовый блок может быть установлен на БПЛА или на охраняемой территории в нужном угловом положении по горизонтали и вертикали при помощи быстро присоединяемых переходников 14 с местами соединений типа "ласточкин хвост" имеющими цапфы и хомута 15 с основанием 16 имеющем места крепления к БПЛА или площадке предназначенной для установки блока охранного комплекса. В ином исполнении блок может иметь одностороннее боковое или заднеторцевое крепление к БПЛА или установке для охранного комплекса. Общий передний выводной провод 10 является одним проводом двухпроводной линии ведущий к генератору 3. Общий задний выводной провод 11 является вторым проводом двухпроводной линии ведущий к генератору 3.
Фиг. 4. Сборка из нескольких базовых блоков стволов состоит из базовых блоков стволов соединенных между собой тугой посадкой на соединениях "ласточкин хвост", снабженные быстро присоединяемыми переходниками 17 с местами соединений типа "ласточкин хвост" имеющими цапфы аналогичные описанные выше для соединения с хомутом и основанием ориентации сборки по необходимой горизонтали и вертикали. Все базовые блоки соединены между собой электрически параллельно. Соединенные вместе проводниками 18 винты 13 всех базовых блоков таким образом являются первым проводом 19 двухпроводной линии ведущий к генератору 3, а соединенные вместе проводниками или просто соприкасающиеся между собой общие передние электроды 9 всех блоков с единственным выводом 20 таким образом являются вторым проводом двухпроводной линии ведущий к генератору 3. Количество соединяемых указанным образом базовых блоков ограничено только требуемыми максимальными габаритными размерами сборки. Для повышения прочности (для исключения возможности рассоединения блоков под действием отдачи при стрельбе) при сборке блоки могут собираться друг с другом с применением клеящих полимеризующихся компаундов или иных клеев. В этом случае базовые блоки уже не рассоединяются при необходимости, а представляют собой монолитную конструкцию. Блок стволов исполняемый как "базовый" или "стандартный" с известным количеством стволов например от 10 до 300 стволов (при этом на предоставленных фигурах заявки на изобретение изображен 16-ствольный блок по габаритам предназначенный для установки на наиболее распространенные коммерческие квадрокоптеры класса "Мicro" компании "SZ DJI Technology Co., Ltd." моделей DJI Phantom (два блока) и DJI Inspire (4 блока)) может иметь быстроразъемные соединения (например на соединении типа "ласточкин хвост") при помощи которых блоки могут быстро механически соединяться между собой с одновременным параллельным электрическим соединением двухпроводной электрической связью (линией) одного блока с другим. В этом случае комплекс может иметь очень большое количество связанных блоков т.е. отличаться очень большой многозарядностью (сотни и тысячи стволов) при инициировании выстрелов всех стволов всех блоков по двухпроводной электрической линии от генератора 3. В различном исполнении базовые блоки могут соединяться между собой стяжкой, или сваркой или пайкой или склеиванием.
В то же время "базовый" блок стволов комплекса может быть установлен на расстоянии от другого "базового" блока или на расстоянии установленных также на расстоянии друг от друга множественных "базовых" блоков. Все блоки при этом соединяются между собой электрически параллельно двухпроводными высоковольтными электрическими линиями. Такая организация комплекса может применяться в технике охраны территорий. "Базовые блоки" могут устанавливаться на разных расстояниях друг от друга с различным направлением стволов блоков с тем чтобы обеспечить обстрел защищаемой территории без возможности оставления на ней непростреливаемых мертвых зон. При этом длина соединяющих блоки двухпроводных высоковольтных линий могут доходить до десятков и более метров.
Фиг. 5. В показанном исполнении стволы 8 снаряжены стреловидными снарядами 21 имеющими герметичные разделяемые при выстреле центраторы-заглушки 22 и обтюраторы-заряды 23 снаряженные пиротехническим составом чувствительным к электрическому искровому разряду. Снаряд имеет металлический сердечник и пластиковый нетокопроводный хвостовик-стабилизатор имеющий поверхностную металлизацию или металлизированную дорожку от его переднего конца в который запрессовывается металлический сердечник до опорной поверхности хвостовика-стабилизатора на обтюратор-заряд 23 имеющий инициирующий пиростостав электрод. Передняя поверхность заглушки-центратора обращенная к дульному срезу также металлизирована.
При необходимости открыть стрельбу оператор комплекса включает электрический выключатель 5 электропитания (в том числе дистанционно по радиоканалу) подавая таким образом низковольтное напряжение электрического тока от источника электропитания 4 на генератор 3. Генератор 3 начинает подавать высоковольтные инициирующие импульсы на блок 1 стволов по двухпроводной линии 2. В блоке стволов высоковольтные искровые разряды последовательно инициируют пиротехнический состав обтюраторов-зарядов 23 стволов 8 в результате чего из стволов последовательно выстреливаются снаряды 21. Каждый высоковольтный импульс инициирует только один обтюратор-заряд 23. При необходимости прекратить стрельбу оператор комплекса включает электрический выключатель 5. Затем стрельбу можно продолжить до израсходования зарядов всех стволов. При исполнении генератора 3 с возможностью регулировки частоты импульсов оператор может устанавливать (в том числе дистанционно по радиоканалу) необходимый темп стрельбы либо производить одиночные выстрелы. Порядок выстреливания снарядов из стволов хаотичный, и при единообразном изготовлении обтюраторов-зарядов 23 невозможно знать заранее в какой очередности будут инициироваться выстрелы. При необходимости увеличения количества выстрелов например при необходимости вести долговременную стрельбу или стрельбу длинными очередями количество стволов в комплексе увеличивается присоединением к базовому блоку дополнительных базовых блоков при соединении всех блоков между собой электрически параллельно двухпроводной линией в высоковольтной изоляции. При этом диаметр одного высоковольтного провода в изоляции например компании Calmont Wire & Cable (США) или ряда компаний Китая с электрической прочностью изоляции в 22-32 кВ, не превышает 0,33-0,43 мм, при диаметре одножильной или многожильной токопроводной жилы 0,09-0,1 мм. Масса двухпроводной линии из описанных высоковольтных проводов ничтожна.
После стрельбы базовые блоки комплекса могут быть перезаряжены с дульной части введением в стволы 8 последовательно обтюраторов-зарядов 23, затем снарядов 21 и наконец центраторов-заглушек 22. Таким образом блоки комплекса в рассмотренном исполнении являются дульнозарядными.
Высоковольтный импульсный генератор 3 выполняется преимущественно по стандартной уже схемотехнике высоковольтных импульсных генераторов электрошокового оружия (ЭШО). Такие генераторы производятся с концевым устройством в виде импульсного высоковольтного трансформатора первичная обмотка которого питается от конденсатора через твердотельный ключ или пороговое газоразрядное устройство. Генератор 3 может выполнен и в виде миниатюризированного генератора Маркса. При этом генераторы обоих описанных типов могут как работать с фиксированной частотой высоковольтных выходных импульсов, так и иметь возможность плавной или дискретной регулировки этой частоты задающей темп стрельбы комплекса в тех или иных установленных пределах. Генератор 3 выполненный по схемотехнике генераторов ЭШО по сравнению с генератором Маркса имеет возможность регулировки частоты в очень больших пределах. Сверхвысокий темп стрельбы при частоте высоковольтных импульсов генератора более 100 Гц (свыше 6000 выстр/мин.) может использоваться для поражения скоростных воздушных или наземных целей, менее высокий темп стрельбы и одиночные выстрелы применяются для поражения или подавления неподвижных или низкоскоростных воздушных и наземных целей. Одиночные выстрелы могут производится в том числе и в качестве предупредительных.
В исполнении комплекса для применения на БПЛА генератор 3 и блоки стволов могут иметь специальную экранировку для недопущения возможного воздействия радиоизлучения искровых разрядов на радиосистемы БПЛА.
Электроискровые инициаторы могут выполнять как роль воспламенителей дополнительного порохового заряда стволов блока так и служить одновременно и собственно воспламенителем и одновременно метательного заряда. В этом случае масса навески пиротехнического состава воспламенителя увеличивается сверх навески для собственно воспламенения до величин выхода энергии метания навески для собственно воспламенения с пороховым зарядом.
Для недопущения возможности попадания влаги (например дождевой или конденсатной) в каналы стволов блока с возможностью закорачивания высоковольтного разряда через воду, что может приводить к отказу стрельбы комплекса при закорачивании пиротехнического состава зарядов, дульные отверстия стволов должны быть закрыты влагостойкой мембраной или пленкой или шторкой (шторками) или герметичными заглушками разрываемыми или выбрасываемыми снарядами при стрельбе. В качестве герметичных заглушек могут использоваться центраторы-заглушки 22.
Для недопущения возможности нештатного срабатывания электроискровых инициаторов зарядов при хранении заряженного комплекса на складе или комплекса непосредственно установленного на борту БПЛА от действия статического электричества (например при грозе, или при наэлектризованности одежды обслуживающего комплекс персонала) электроискровые инициаторы должны быть снабжены устройством защиты от электростатического электричества. В простейшем случае устройство защиты инициаторов от электростатического электричества может служить длинноходовое (с расстоянием размыкания контактов более чем максимальный искровой промежуток электроискровых инициаторов) электромагнитное реле (или иной электромеханический выключатель) закорачивающее высоковольтный разряд и размыкаемое непосредственно перед стрельбой от сигнала высоковольтного электронного блока инициирования. В более простом исполнении устройство защиты может представлять собой просто закорачивающий инициаторы проводник удаляемый перед использованием комплекса вручную наподобие удаляемой перед использованием предохранительной чеки ручной гранаты.
Наиболее разрушительное действие снарядов при незначительном калибре и длине стволов предлагаемого комплекса (вследствие необходимости его малых габаритов для применения на БПЛА класса "Micro") достигается употреблением в качестве снарядов стрельчатых снарядов для гладких стволов. Поэтому в предлагаемом комплексе предпочтительно употребление стрельчатых снарядов с большой удельной нагрузкой позволяющих разрушать корпуса обстреливаемых БПЛА или поражать наземные цели при меньшей степени летальности но большой вероятности выведения из строя целей защищенных средствами легкой индивидуальной бронезащиты. Для поражения БПЛА не имеющих прочных корпусов или для повреждения пропеллеров возможно применение дробовых снарядов. Возможно применение и обычных малокалиберных пуль для нарезных стволов с нарезными же стволами. Предлагаемый комплекс может в исполнении для БПЛА класса "Micro" и "Nano" использоваться как менее летальное средство остановки активной деятельности биологических целей в тех случаях когда необходимо нанести ущерб цели без гарантированного летального исхода или тяжелой травмы биологической цели. Для нанесения ущерба без тяжелых кровопотерь у биологической цели целесообразно использовать игловидные (стреловидные снаряды с диаметром проникающего тела стрелы не более 0,8-1 мм).
Заявляемые длительность и частота высоковольтных инициирующих заряды импульсов и достигаемый при указанных параметрах импульсов новый технический результат сверхскорострельность обуславливаются следующими причинами. Как известно из практики внутренней баллистики ствольных систем огнестрельного оружия время задержки зажигания порохового заряда от теплового импульса капсюльного устройства ударного воспламенения (t3), находится в пределах 300…400 мкс. до 1 мс. Таким образом максимально достигаемый теоретически темп стрельбы при последовательном инициировании ударных капсюлей механическим ударником без инициирования одновременных множественных (сдвоенных и строенных) выстрелов составляет: 1000 мкс : 1 мкс = 1000 выстр/с (60000 выстр/мин). Однако, механических устройств ударно спусковых механизмов способных наносить последовательные удары бойками по капсюлям с указанной скоростью из практики оружейного строительства и проектирования неизвестно. Принятые же во взрывной технике значения типичных скоростей срабатывания электродетонатора мгновенного действия (где инициирование производится джоулевым теплом) - 2-6 мс, в среднем 4 мс (более подробно о механизмах воспламенения джоулевым теплом см. [5]). Темп стрельбы в этом случае может теоретически составлять: 1000 мс (1с.) : 6 мс = 167 выстр/с. × 60 с = 10000 выстр/мин. Таким образом максимальный гарантированный темп стрельбы теоретически достигаемый при помощи электроинициаторов последовательного действия на джоулевом тепле без гарантированной невозможности получения двойных выстрелов не может превышать темп в 10000 выстр/мин. Подтверждение этому служат типичные показатели максимального темпа стрельбы многоствольных пушек с вращающимися стволами патроны которых имеют электровоспламенительные втулки (капсюля) например "М61А1 GAU 4 20-mm Vulcan Cannon" - до 6000 выстр/мин; "ГШ-6-30К" - до 5000 выстр/мин; "ГШ-6-23" до 9000 выстр/мин. (практически достигнутый темп стрельбы).
Для получения еще большей скорострельности возможно употребление электровоспламенителей конструктивно сходных с "exploding wire detonator" (EBW) применяемых преимущественно в устройствах инициирования имплозии взрывных ядерных устройств. В EBW устройствах с взрывом проволочного мостика [6] взрыв мостика происходит за время порядка 1 мкс, а полное время срабатывания электровзрывного устройства составляет несколько микросекунд с отклонением по времени срабатывания (при одновременном подводе мощности к нескольким нагрузкам) порядка сотых долей микросекунды. Теоретически достигаемый темп стрельбы на воспламенителях типа EBW может составлять: 1000 мс (1 с) : 1 мкс (0,001 мс) = 1.000.000 выстр/с.×60 с = 60.000.000 выстр/мин. Однако для полноценного взрыва проволочного мостика с указанной скоростью превращения необходимы минимальные энергии в при весьма малой индуктивности подводящих кабелей и применяемых конденсаторов, а также высоком собственном быстродействии коммутирующих элементов в качестве которых применяются как правило громоздкие электроваккумные или газонаполненные приборы (крайтроны, вакуумные искровые реле, тригатроны, тиратроны). Минимальная энергия необходимая для организации взрыва проволочного мостика на практике составляет не менее 1,5-1,7 Дж [7], при зарядном напряжении конденсатора не менее 2-5 кВ. Для получения при помощи системы инициирования EBW темпа стрельбы всего лишь например 100 выстр/с (6000 выстр/мин.) в многоствольной системе небходимо либо разрядить 100 заранее заряженных конденсаторов с энергией 1,5 Дж при помощи коммутирующего высоковольтного быстродействующего коммутатора последовательно на 100 стволов, при этом масса 100 конденсаторов с зарядным напряжением 2-5 кВ, составит не менее 10 кг, что не позволяет говорить о каком либо применении подобной системы например на БПЛА легкого типа. Возможно также заряжать всего один конденсатор с энергоемкостью 1,5 Дж 100 раз в секунду и при помощи коммутирующего высоковольтного быстродействующего коммутатора разряжать этот конденсатор последовательно на 100 стволов. Однако из практики известно, что инвертер (преобразователь) с выходным напряжением в 2-5 кВ при выходной мощности потребной для заряжания конденсатора в 150 Вт имеет КПД не более 50%, и таким образом общая мощность потребляемая от источника питания инвертера составит не менее 300 Вт. В обоих случаях не учитывается масса и габариты низкоиндуктивной линии состоящей из 101 провода для подвода тока разряда конденсаторов к взрывающимся проволочным инициаторам зарядов стволов. Ни о каком применении и подобной системы например на БПЛА легкого типа не приходится говорить. При попытке же дальнейшего увеличения темпа стрельбы при помощи системы инициирования EBW масса и габариты системы "конденсатор-инвертер-источник электропитания инвертера" пропорционально возрастает, так что не приходится говорить и о каком либо применении подобной системы инициирования многоствольной системы EBW и на БПЛА среднего и тяжелого типов.
4
5
2
Известно, что срабатывание искрового инициатора снаряженного например чувствительным к искровому электрическому разряду пиротехническим составом (точнее индивидуальным инициирующим взрывчатым веществом (ВВ) стифнатом свинца может обеспечиваться от единичного высоковольтного импульса высоковольтного пьезогенератора [8], длительностью от 10 не с энергией в импульсе всего 0,00005-0,0001 Дж. Теоретически время срабатывания искровых инициаторов может быть менее чем время срабатывания систем "exploding wire detonator" из за отсутствия даже ничтожной массы проволочного мостика и соответственно отсутствия инерционности его нагрева, испарения и взрывного превращения. Известны попытки применения искровых детонаторов в устройствах инициирования имплозии ядерных взрывных устройств (ЯВУ) [9; 10], однако на практике искровые детонаторы в ЯВУ не применялись из-за опасности их нештатного инициирования от статического электричества с последующими катастрофическими последствиями. При этом в доступной литературе не описано действие искровых детонаторов при параллельной схеме их включения. Темп стрельбы при использовании искровых инициаторов теоретически может составлять: 1000 мс (1 с.) : 10 нс (0,00001 мс) = 100.000.000 выстр/с.×60 с = 6.000.000.000 выстр/мин. Однако в физике быстропротекающих в конденсированных ВВ процессов принято считать, что в момент пробоя искрового промежутка в порошкообразном непрессованном ВВ (фактически в воздухе) или порошкообразной непрессованной чувствительной и быстрогорящей пиротехнической смеси в разрядном промежутке тонкий токопроводящий канал с плотностью тока порядка 10-10 А/см образуется за время 100 не, при этом воздух прогревается до температуры порядка 10000°K, в результате чего в разрядном канале образуется ударная волна инициирующая начало взрывного превращения. Таким образом длительность инициирующего ВВ электроискрового инициирующего импульса для безотказного инициирования не должно быть менее 100 нc. Кроме того достигнуть теоретически возможного темпа стрельбы в 6.000.000.000 выстр/мин. практически невозможно и по причине того, что скорость увеличения разрядного промежутка в результате отодвигания второго инициирующего электрода расположенного в ускоряемом снаряде (или его обтюраторе) за счет различия инерционной массы снаряда, усилия сдвигания снаряда и множества иных причин включая термоионизацию газов горения метательного заряда будет значительно отличаться друг от друга, в результате чего невозможно будет добиться последовательных выстрелов без гарантированной невозможности получения двойных (или более) одновременных выстрелов. Кроме того настолько высокая скорострельность не нужна и для практического использования, так как фактически приближается к залповой стрельбе. Для практического же использования в качестве оружия летательных аппаратов темп стрельбы ствольного оружия (авиационных пулеметов) как показали расчеты поражаемости быстродвижущихся целей и историческая практика должен быть не менее чем 1000-1200 выстр/мин. (16,6-20 выстр/с.) [11]. При этом скорости современных БПЛА даже типа легких мультикоптеров уже равны и даже превосходят скорости летательных аппаратов указанных автором труда [11] В.Ф. Федоровым. Например скорость рекордного квадрокоптера составила уже 263-289 км/ч. [12]. Скорости БПЛА самолетной схемы могут быть еще больше и уже сегодня достигать скоростей лучших истребителей периода Второй мировой войны. (744 kmh (462 mph) the world's fastest rc model turbine jet Guinness World Record 2016). Для поражения малоразмерных БПЛА летающих с такими скоростями необходимо ствольное оружие с темпом стрельбы превышающим наиболее скорострельное на сегодня многоствольное оружие с вращающимися стволами. Таким образом минимальный необходимый темп стрельбы предлагаемого комплекса по быстродвижущимся воздушным целям таким как БПЛА противника должен быть около 1000 выстр/мин. (частота высоковольтных импульсов генератора 16-17 Гц). В то же время минимальный темп стрельбы для поражения неподвижных целей либо как предупредительный огонь должен быть низким либо производится одиночными выстрелами то есть иметь темп стрельбы даже менее 1 выстр/мин. (менее 0,017 Гц). Для гарантированного инициирования пиротехнических составов применяемых в искровых инициаторах (воспламенителях) предполагаемого изобретения необходимо применение длительности высоковольтного инициирующего импульса не короче 100 нc, по ряду причин. Первая причина заключается в том, что процесс инициирования пиротехнических составов (и индивидуальных ВВ) чувствительных к искровому электрическому разряду процесс вероятностный. Из практики использования дистанционного электрошокового оружия (ДЭШО) в котором исторически используются метательные заряды искрового воспламенения известно, что надежность инициирования единичного искрового воспламенителя повышается с увеличением частоты импульсов, и длительности импульсов поскольку при увеличении частоты пропускания высоковольтных искровых разрядов известной энергии в импульсе через пиротехнический состав увеличивается и вероятность его воспламенения, а при увеличении длительности импульса при известной частоте и амплитуде напряжения возрастает энергия импульса и соответственно также вероятность воспламенения пиротехнического состава. В то же время известно, что надежность инициирования возрастает также от расстояния прохождения высоковольтного искрового разряда через слой пиротехнического состава. Это связано с вероятностью первичного инициирования хотя бы единственной частицы вещества состава и распространения реакции взрывного превращения на всю массу вещества. Чем более частиц встретиться на пути распространения искрового разряда тем вероятнее инициирование. В то же время плотность вещества увеличивать нельзя, так как вместе с плотностью возрастает и теплоемкость и теплопроводность состава, а значит уменьшается вероятность начального инициирования. Таким образом для надежного инициирования пиросостава электроискрового воспламенения необходимо соблюдение условий минимального напряжения холостого хода для пробоя промежутка пиросостава определенной длины (не менее 1-2 мм) и минимальной длительности импульса. При меньшей чем указано в предполагаемом изобретении длительности импульса сложность, габариты, стоимость или все эти факторы вместе высоковольтного генератора неоправданно возрастают, что не позволяет применять предполагаемое изобретения в легких и дешевых БПЛА класса "Micro" и тем более класса "Nano". В настоящее время не существует серийно изготавливаемых высоковольтных (10-30 кВ) генераторов позволяющих получать длительность импульса менее 100 нc с габаритами позволяющими использовать такие генераторы в предлагаемом комплексе и со стоимостью менее нескольких сотен тысяч рублей за один генератор. В то же время для достижения технического результата предполагаемого изобретения невозможно применение высоковольтных инициирующих импульсов длительностью свыше 1000 мкс, так как при заявляемой в предполагаемом изобретении максимальной частоте (1000 Гц) следования высоковольтных импульсов при длительности свыше 1000 мкс также неоправданно возрастают как габариты высоковольтного генератора, так и главное необходимая для его питания отдаваемая мощность источника электропитания генератора. Из практики конструирования малогабаритных высоковольтных генераторов для ЭШО известно, что примерная необходимая мощность источника электропитания для получения высоковольтных импульсов при пробивном напряжении по воздуху 20-40 мм частотой 1000 Гц, с длительностью до 1 мс, составляет несколько сотен ватт при весе генератора в несколько килограммов, что совершенно неприемлемо по условиям допустимой массы устройства и потребления тока от источника электропитания могущего быть установленным на БПЛА класса "Micro" как непосредственно в составе предполагаемого изобретения так и при питании предлагаемого комплекса от источника электропитания двигателей самого БПЛА. С другой стороны длинный импульс повышает надежность инициирования искрового воспламенителя так как количество энергии подводимой к пиротехническому составу при одинаковой амплитуде значения напряжения высоковольтного разряда в длинном импульсе выше и соответственно же выше и вероятность инициирования пиротехнического состава. Но при длительности импульса превосходящего t3 равного максимум 1 мс, дальнейшее увеличение длительности импульса не дает преимуществ по воспламенению, а приведет только к увеличению затрат энергии на электропитание высоковольтного генератора импульсов. Уменьшение напряжения холостого хода высоковольтного генератора менее 5 кВ не позволяет электроискровому разряду пробивать необходимые для надежного инициирования искровые промежутки в инициирующем пиросоставе, и при этом выбирать паразитные искровые промежутки неизбежно возникающие при изготовлении компонентов блоков, стволов, искровых воспламенителей, элементов токопроводного снаряда, соединений токопроводов. При исполнении же полностью гальванических связей в указанных элементах цепи инициирования множества стволов стоимость изготовления комплекса многократно увеличивается.
Как показывает длительная практика конструирования ЭШО и ДЭШО, увеличение напряжения холостого хода высоковольтного генератора более чем до 50 кВ скачкообразно увеличивает возможность образования скользящих (поверхностных) разрядов потери энергии на коронный разряд в токопроводах, увеличивает возможность пробоя высоковольтных изолирующих компаундов в конструкции высоковольтного генератора и в токопроводах заставляя повышать толщину (и вес) изоляции до величин неприемлемых для применения уже и в БПЛА класса "Micro". Оптимальная для использования в предлагаемом изобретении длительность инициирующего импульса лежит в интервале 1-60 мкс. Из практики конструирования малогабаритных высоковольтных генераторов для ЭШУ известно, что при таких показателях длительности импульса габариты и мощность расходуемая генератором высоковольтных импульсов при напряжении холостого хода 10-20 кВ и частоте импульсов в 100-300 Гц. минимальны и лежат в значениях всего 1-5 Вт. При указанной частоте и длительности инициирующих импульсов достигаемый темп стрельбы составляет 100-300 выстр/с. (6000-18000 выстр/мин.), и уже может превышать скорострельность наиболее скорострельных на сегодня систем вооружения боевых летательных аппаратов. При варьировании же заявляемых параметров инициирующего импульса скорострельность предложенного комплекса может достигать 60000 выстр/мин.
Предполагаемое изобретение дает:
- уменьшение общей массы многоствольного модуля, за счет отсутствия электронного блока коммутации и кардинального уменьшения массы коммутационных проводов.
- удешевление электронного блока инициирования зарядов стволов модуля за счет отсутствия в нем многоножечных микроконтроллеров, и токовых полупроводниковых ключей. Стоимость электронного блока электроискрового инициирования в предлагаемом изобретении крайне невысока так как в простейшем случае (с нерегулируемым или дискретно регулируемым темпом стрельбы) электронный блок электроискрового инициирования представляет собой маломощный высоковольтный импульсный генератор широко распространенный в промышленности производства электрошоковых устройств, поджигающих устройств для автоматических газовых котлов и кухонных газовых плит, в том числе и миниатюрных. В предлагаемом изобретении высоковольтный импульсный генератор может иметь только 1 (один) транзистор в инвертере (преобразователе) на релаксационном блокинг генераторе. При этом количество стволов обслуживаемое для производства стрельбы электронным блоком электроискрового инициирования всего на одном транзисторе теоретически не ограничено, а практически может быть ограничено только потерями на коронный разряд но в любом случае один транзистор может обслуживать для стрельбы сотни стволов.
- повышение надежности инициирования вследствие невозможность возникновения "неконтактов" так как все зазоры в подводящих линиях автоматически выбираются искровым разрядом с длиной разряда по воздуху заведомо более разрядных промежутков в электроискровых инициаторах зарядов и максимально конструктивно возможных паразитных зазоров.
- уменьшение стоимости воспламенителей, так как изготовление электроискровых воспламенителей технологически много проще чем электровоспламенителей на джоулевом тепле, трудоемкость изготовления также значительно ниже и соответственно стоимость электроискровых воспламенителей крайне невысока по сравнению с электровоспламенителями на джоулевом тепле.
- наиболее простая техническая осуществимость по сравнению с прототипом.
- конечная возможность общего значительного удешевления производства многоствольного модуля и соответственно увеличения возможности его использования.
- возможность вооружать дешевым и технологичным сверхскорострельным ствольным оружием БПЛА от класса "Micro" и выше, а при специальном исполнении и БПЛА класса "Nano".
Каждый существенный признак предполагаемого изобретения необходим, и их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков. Предложенные отличия предполагаемого изобретения не являются очевидными для специалиста по стрелковому вооружению, и прямо не следуют из постановки технической задачи.
Источники информации
1. А.А. Благонравов «Материальная часть стрелкового оружия», книга 1, ОБОРОНГИЗ НКАП, Главная редакция литературы по вооружению и боеприпасам, Москва, 1945.
2. AD/A-002 573
U.S. ARMY LAND WARFARE LABORATORY.
VOLUME II. APPENDIX B. TASK SHEETS
J.E. Mortland
Battelle Columbus Laboratories
Prepared for:
Army Land Warfare Laboratory
June 1974: Task number 05-A-69
3. http://glif.su/
4. http://www.gardsystems.ru/
5. Физика горения и взрыва. 1968 г, Н.Д. Толстых, Б.П. Павлыш. "О механизме воспламенения электровоспламенителя промышленных детонаторов". http://www.sibran.ru/upload/iblock/c4d/c4da82c86ee426dc0ad7a917648eldac.pdf
6. Успехи физических наук. 1965 г, У. Чейс. "Взрывающиеся проволочки". Том 85, вып. 2. https://ufh.ru/ufn65/ufh65_2/Russian/r652g.pdf
7. Полард Ф.Б., Арнольд Дж.Б. "Вспомогательные системы ракетно-космического техники" - М: Мир, 1970.
8. Гейер А.Ф. "Пьезокерамические источники высокого напряжения". https://avrora-binib.ru/stati/pezokeramicheskie_istochniki_vysokogo_napryazheniya/
9. Patent US 3754506 "Spark gap detonator "
10. http://nuclear-knowledge.com/detonators.php
11. Федоров, В. "Эволюция стрелкового оружия, в 2-х частях", Издательство: М.: Восточный горизонт; Москва, 2005 г.
12. "Drone racing league records" http://www.guinnessworldrecords.com/news/2017/7/the-drone-racing-league-builds-the-worlds-fastest-racing-drone-482701.