ЛАЗЕРНЫЙ ПИРОЭНЕРГОДАТЧИК

Полезная модель относится к области безопасных средств инициирования с использованием лазерных источников излучения и может быть применена для дистанционного управления агрегатами автоматики ракетно-космической техники.
Известен, принятый за прототип, пироэнергодатчик аналогичного назначения (описание к патенту RU 2088886 С1, 27.08.1997, F42B 3/12), состоящий из корпуса в котором расположены электровоспламенительный узел с проводниками, проходящими сквозь изолятор (колодочку), мостиками накаливания и инициирующим зарядом, колпачок с пиротехническим зарядом, который поджат форсажной втулкой. Между электровоспламенительным узлом и пиротехническим зарядом расположен компенсирующий диск из диэлектрика и подвижной обтюрирующий конус, опирающимся основанием на колосниковую решетку.
При подаче электрического тока на мостики накаливания последние нагреваются и воспламеняют инициирующий заряд, от форса пламени которого срабатывают передаточный и пиротехнический заряды, давлением газов которых совершается работа по срабатыванию агрегатов (или форсом пламени зажигается соответствующий воспламенитель).
Указанный пироэнергодатчик совпадает с патентуемой полезной моделью по габаритным и присоединительным размерам и наличию обтюрирующего конуса, обеспечивающего герметизацию воспламенительного узла пироэнергодатчика после срабатывания пиротехнического заряда, что позволяет использовать его в качестве запорно-обтюрирующего устройства, благодаря чему обеспечивается надежное функционирование агрегатов пироавтоматики ракетно-космической техники.
Недостатки:
возможность несанкционированного срабатывания при воздействии на систему инициирования электромагнитных полей, случайных электрических разрядов;
отсутствие возможности регулирования времени срабатывания;
электрические мостики накаливания могут иметь обрыв и брак пайки.
Указанные недостатки связаны с электрическим принципом инициирования.
Известно использование лазерного инициирования в качестве альтернативы электрическому инициированию (патент US 8915188 B2, 23.12.2014, F4D 5/00, F42B 3/113, C06C 7/10, F42B 3/18). В одном из вариантов исполнения пиропатрон в конструкции детонатора инициируется световой энергией. В пиропатроне пиротехническая композиция или взрывчатое вещество (ВВ) контактирует с концом оптического волокна.
Луч света, проходя по оптическому волокну, зажигает первую пиротехническую композицию или первое ВВ ступени пиропатрона, который приводит к срабатыванию детонатора.
Недостатки:
недостаточная безопасность изделия при механических воздействиях из-за отсутствия оптической прокладки;
потеря работоспособности изделия при воздействии высоких температур более 30 с.
Известен оптический инициатор (патент FR 2914056 A1, 27.08.1997, F42B 3/113), например, инициатор типа воспламенителя, содержащий по меньшей мере один пиротехнический заряд или ВВ, инициируемое световой энергией, передаваемой оптическим волокном. Он содержит гильзу на резьбе с вкрученным соединителем с размещенным в нем кабелем оптоволокна, отполированный конец которого вклеен в кольцо и вплотную прилегает к пиротехническому заряду.
Луч света, проходя по оптическому волокну, зажигает пиротехнический заряд, тепловая энергия от сгорания которого прожигает дно колпачка и, проходя сквозь отверстие в металлической шайбе, воспламеняет ВВ в дне гильзы.
Известен капсюль-детонатор лазерного инициирования взрывчатого вещества (описание к патенту RU 135789 U1, 20.12.2013, F42B 3/113), который состоит из металлического корпуса с последовательно размещенными контактирующими друг с другом навесками основного заряда из бризантного взрывчатого вещества, промежуточной оболочки и инициирующего заряда из бризантного взрывчатого вещества, замедлительного состава, зажигательного пиротехнического состава, байонетного крепления лазерного воспламенительного элемента с помещенным на него амортизатором с резьбовым каналом.
Инициирование осуществляется с помощью лазерного диода с длиной волны излучения 808 нм, мощностью 1 Вт, работающего в непрерывном режиме, фокусировка излучения лазера на поверхности заряда выполняется встроенной в капсюль-детонатор оптической системой, состоящей из коллимирующей и фокусирующей линз, а также сапфировым окном, оптическое волокно не подходит вплотную к заряду ВВ и имеет диаметр сердцевины не менее 50 мкм.
Недостатки:
сложность реализации инициирования взрывчатых веществ, потери мощности излучения и, как следствие, значительные колебания плотности мощности.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является:
исключение возможности случайного срабатывания системы инициирования от воздействия электромагнитных полей, случайных электрических разрядов;
быстродействие и возможность управления временем задержки воспламенения инициирующего заряда пиропатрона за счет контроля плотности мощности излучения;
возможность гибкой адаптация системы лазерного инициирования под различные требования и задачи;
простота реализации лазерного инициирования взрывчатого вещества, минимальное время задержки, минимальные потери мощности излучения.
Указанный технический результат достигается лазерным пироэнергодатчиком, в корпусе которого размещены воспламенительный узел с инициирующим зарядом в выемке колодочки и пиротехнический заряд в колпачке, отделенный от инициирующего заряда компенсирующим диском и подвижным обтюрирующим конусом, опирающимся на колосниковую решетку, имеющую со стороны пиротехнического заряда гнездо с передаточным зарядом, а в дульце корпуса вмонтирована форсажная втулка, подпирающая колпачок с пиротехническим зарядом, при этом согласно патентуемому техническому решению, в колодочке воспламенительного узла установлена центрирующая разрезная втулка с оптическим зондом, представляющим собой стержень с внутренним каналом, в котором находится оптоволокно, отполированное заподлицо с поверхностью выемки для инициирующего заряда и отделенное от него оптической прокладкой.
В преимущественном варианте использования полезной модели в пироэнергодатчике используется отполированное на абразивных пленках зернистостью 5, 1, 0,3 мкм в порядке уменьшения зернистости оптическое волокно типа HCS с диаметром сердцевины 205 мкм и диаметром оболочки 230 мкм, причем ядро выполнено из стекла, а демпфер - из полимера.
В частном случае оптическая прокладка выполнена из фторопласта.
Патентуемое техническое решение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан лазерный пироэнергодатчик;
на фиг. 2 - воспламенительный узел лазерного пироэнергодатчика;
на фиг. 3 - оптический зонд;
на фиг. 4 - зависимость времени задержки инициирования зарядов тринитрорезорцинат свинца (ТНРС) в образцах от плотности мощности на выходном торце оптоволокна;
на фиг. 5 - кривая давления срабатывания лазерного пироэнергодатчика от системы лазерного инициирования.
На фиг. 1, 2, 3 приняты обозначения:
1 - корпус;
2 - воспламенительный узел;
3 - заряд инициирующий;
4 - колодочка;
5 - заряд пиротехнический;
6 - колпачок;
7 - компенсирующий диск;
8 - подвижной обтюрирующий конус;
9 - колосниковая решетка;
10 - заряд передаточный;
11 - форсажная втулка;
12 - центрирующая разрезная втулка;
13 - оптический зонд;
14 - стержень;
15 - оптоволокно;
16 - прокладка оптическая.
Пример конкретного исполнения
Лазерный пироэнергодатчик (фиг. 1) в корпусе 1 которого размещены воспламенительный узел 2 (фиг. 2) с инициирующим зарядом 3 в выемке колодочки 4 и пиротехнический заряд 5 в колпачке 6, отделенный от инициирующего заряда 3 компенсирующим диском 7 и подвижным обтюрирующим конусом 8, опирающимся на колосниковую решетку 9, имеющую со стороны пиротехнического заряда 5 гнездо с передаточным зарядом 10, а в дульце корпуса 1 вмонтирована форсажная втулка 11, подпирающая колпачок 6 с пиротехническим зарядом 5. При этом в колодочке 4 воспламенительного узла 2 установлена центрирующая разрезная втулка 12 с оптическим зондом 13 (фиг. 3), представляющим собой стержень 14 с внутренним каналом, в котором находится оптоволокно 15, отполированное заподлицо с поверхностью выемки для инициирующего заряда 3 и отделенное от него оптической прокладкой 16.
Подробное описание примера конкретного исполнения.
Используемый оптический зонд 13 длиной 15 мм, диаметром 2,5 мм представляет собой стержень 14 с запрессованным в него отрезком многомодового оптоволокна 15 типа HCS длиной 5 м с изоляцией по всей длине с диаметром сердцевины 205 мкм и диаметром оболочки (демпфера) 230 мкм, в котором ядро выполнено из стекла, а демпфер - из специального полимера. В волокне 15 со средним показателем преломления 1,5 время распространения оптического сигнала составляет 5 нс/м, это позволяет контролировать и измерять время срабатывания пироэнергодатчика, а также обеспечивать требуемую задержку сигнала на время пропорциональное своей длине с точностью не менее 1 не.
Входной конец зонда 13 заполирован заподлицо с торцом оптоволокна 15. Стыковка с разъемом ST оптоволокна 15 осуществляется центрирующей разрезной втулкой 12. Выходной торец зонда 13 также полирован заподлицо с оптоволокном 15 и ввернут на резьбе М2,5 в колодочку 4. Расстояние от торца до резьбы 2,3 мм. Резьбовое соединение герметизируется эпоксидным компаундом. Инициирующий заряд ТНРС 3 снаряжается прессованием на оптическую круглую прокладку 16 толщиной 50 мкм из фторопласта-4, расположенную на полированном выходном торце зонда 13 в выемку в колодочке 4, и покрывается защитным лаком.
Прокладка из фторопласта-4 выполняет две функции. Так как показатель преломления фторопласта-4 для инфракрасного излучения с длиной волны 808 нм составляет 1,35, исключается возможность отражения излучения обратно в волокно. Кроме того, прокладка работает как подпор, предохраняя взрывчатое вещество от соприкосновения с шероховатостью корпуса, что существенно в случае применения вещества с высокой чувствительностью к трению.
Выбор диаметра сердцевины оптоволокна 205 мкм обуславливался размерами излучающей площадки лазерного диода и тем, что диаметр пятна излучения по поверхности заряда должен быть больше размера кристалла инициирующего заряда ТНРС.
Принцип работы
Излучение лазерного диода через оптоволокно 15 вызывает нагрев и воспламенение инициирующего заряда 3, от форса пламени которого срабатывает передаточный заряд 10. При срабатывании этого заряда заклинивается обтюрирующий конус 8 и воспламеняется состав пиротехнического заряда 5, давлением газов которого совершается механическая работа по срабатыванию различных агрегатов, или форсом пламени зажигается соответствующий пиротехнический, пороховой и другие заряды.
Порядок проведения испытаний и результаты
3
2
Отработка экспериментальных образцов воспламенительных узлов лазерных пироэнергодатчиков представляла собой испытание на безотказность действия в АО «Муромский приборостроительный завод». Воспламенительный узел устанавливался в зажим (тиски), после чего к разъему на входном конце оптоволокна подключался лазерный диод с выходной мощностью 4 Вт, длиной волны 808 нм, работающий в непрерывном режиме. После этого производилось включение лазерного диода через драйвер на режиме максимальной мощности (q=9,931⋅10 Вт/см, рабочий ток лазерного диода = 4200 мА).
Испытания на безотказность показали, что внедренная в конструкцию воспламенительного узла пироэнергодатчика схема лазерного инициирования успешно обеспечивает надежное срабатывание инициирующего заряда, а, следовательно, и всего пироэнергодатчика.
При определении порогового режима работы источника в ходе серии опытов мощность излучения понижалась с некоторым шагом до получения отказа срабатывания. Регулирование мощности осуществлялось изменением рабочего тока лазерного диода лимбом драйвера. Также регистрировалось время задержки. При получении отказа рабочий ток диода может быть сопоставлен с выходной плотностью мощности на выходном торце оптоволокна. Зависимость времени задержки инициирования зарядов ТНРС от плотности мощности на выходном торце оптоволокна приведена на фиг. 4.
3
3
Получено значение пороговой плотности мощности для инициирования прессованного заряда ТНРС, равное 4,7⋅10 Вт/см.
Были проведены испытания по развиваемому давлению в АО «Муромский приборостроительный завод». Лазерный пироэнергодатчик, подключенный к системе лазерного инициирования, устанавливался в манометрическую бомбу с пьезоэлектрическим датчиком давления. Лазерный диод подключался к блоку питания. После подачи импульса излучения при помощи осциллографа, подключенного к датчику, была проведена серия опытов. В результате получены кривые давления срабатывания лазерного пироэнергодатчика от системы лазерного инициирования (фиг. 5). Получено время срабатывания (от подачи излучения до начала подъема кривой давления), равное 1 мс, что в 10 раз меньше по сравнению с прототипом.
Были проведены испытания на воздействие повышенной температуры в АО «Муромский приборостроительный завод». В термокамеру с установленной заранее температурой (200±5)°С помещались изделия, которые выдерживались в ней в течение 2,5 минут. По результатам, проведенных испытаний, сделан вывод, что конструкция пироэнергодатчика обеспечивает безопасность и работоспособность изделия в процессе и после воздействия температуры (200±5)°С в течение 2,5 мин.
Инициирование осуществлялось непосредственным воздействием излучения на инициирующий заряд ТНРС без применения фокусировочных линз и других оптических элементов. Данная схема отличается простотой реализации, минимальным временем задержки, повышенной надежностью и минимальными потерями мощности излучения.
Для обеспечения высокого и постоянного значения плотности мощности излучения торцы оптоволокна полировались на абразивных пленках зернистостью 5, 1, 0,3 мкм в порядке уменьшения зернистости.
Высокое качество полировки и небольшое (менее 500 нм) торцевое биение оптического волокна после обработки его торцов полированием обеспечивает минимизацию времени задержки инициирования зарядов взрывчатых веществ и пиросоставов, а также его минимальный разброс.
Заявленное устройство позволяет исключить случайное срабатывание системы инициирования от воздействия электромагнитных полей, случайных электрических разрядов, обеспечивает быстродействие, минимальное время задержки, возможность управления временем задержки воспламенения инициирующего заряда пироэнергодатчика за счет контроля плотности мощности излучения, минимальные потери мощности изучения, возможность гибкой адаптация системы лазерного инициирования под различные требования и задачи, а также простоту реализации лазерного инициирования взрывчатого вещества.
Заявленное устройство соответствует критериям «новизна» и «промышленная применимость». Конструкция предлагаемого лазерного пироэнергодатчика опробована с положительным результатом на АО «Муромский приборостроительный завод».