РАЗРУШАЕМАЯ КРЫШКА ПУСКОВОЙ ТРУБЫ
LAUNCH TUBE COLLAPSIBLE CAP

Изобретение относится к разрушаемым крышкам пусковых труб. Кроме того, изобретение может быть использовано в арматуростроении как средство защиты от разрушения при аварийном росте внутреннего давления технологических сосудов, аппаратов и резервуаров хранилищ, работающих в условиях перепада давления.
Известно устройство разрушаемой задней крышки пусковой трубы по патенту US 4186647 (F41F 3/04, 1980). Устройство содержит выпуклую крышку из монолитного теплостойкого материала, с внутренней стороны которой выполнены концентрично расположенные профилированные ослабляющие пазы (канавки) различной глубины. Глубина пазов обеспечивает при пуске ракеты последовательное разрушение нормально закрытой крышки от ее центра к периферии в ответ на увеличение давления в подракетном объеме и диаметра газовой струи стартового двигателя ракеты. Известное устройство предназначено для использования в пусковых установках, имеющих несколько пусковых труб, сообщенных общим газоотводным каналом, и обеспечивает изоляцию пусковой трубы от воздействия газов, образующихся при пуске ракет, находящихся в соседних пусковых трубах.
Однако известная разрушаемая крышка не предполагает возможности ее использования при высоком наружном давлении. Это связано с тем, что прочность крышки обеспечивается лишь уровнем сопротивления основного тела крышки по линиям с минимальной толщиной, вдоль которых происходит концентрация напряжения, а не по всей толщине профиля крышки.
Также известна разрушаемая крышка, выполненная в виде герметично насаженного на пусковую трубу стакана из упругоэластичного материала (RU 2147719 C1, F41F 3/042, 2000). По диагоналям дна стакана с заходом на стенку размещены разрывные тканевые элементы, которые выполнены в виде узких лент, заформованных в материал стакана. В известном устройстве разрушение крышки, представляющей собой, по существу, диафрагму, осуществляется головной частью ракеты.
Однако конструкция известной крышки не рассчитана на эксплуатацию при высоком избыточном давлении, например, в пусковых трубах, используемых для запуска ракет из-под воды. Кроме того, известное устройство не предполагает устранение фрагментов разрушенной крышки с торца пусковой трубы, т.е. не устраняются полностью помехи для выхода ракеты из пусковой трубы.
Известно устройство по авт. свид. SU 1213300 A1 (F16K 17/16, 1986). Известное устройство содержит разрушаемую крышку (мембрану), выполненную в виде сферического сегмента с опорным кольцом, закрепленным в обойме, включающей два фланца. На наружной поверхности сферического сегмента выполнены профилированные ослабляющие пазы, например, клиновидного сечения, которые заподлицо заполнены твердым материалом, способным противостоять усилиям сжатия при возникновении внешнего нагружения. В варианте осуществления при изготовлении подобной крышки первоначально из стеклопластика формируется и полимеризуется тело крышки с ослабевающими пазами, затем пазы покрываются тонким слоем разделителя (пудра, смазка), заполняются тем же веществом, что и основное тело, и полимеризуются. Известное устройство используется как средство защиты от разрушения при аварийном росте внутреннего давления резервуаров, работающих в условиях перепада давления, например, в емкостях химических производств при возникновении кратковременного избыточного внешнего давления или вакуумирования защищаемой емкости. Под действием избыточного давления твердый материал заполнителя пазов сферического сегмента принимает на себя сжимающие усилия и вместе с основным материалом обеспечивает уровень сопротивления, определяемый всей толщиной профиля сферического сегмента. При повышении давления внутри защищаемой емкости выше расчетной величины крышка подвергается прогибу наружу, при этом заполнитель, испытывая предельные усилия растяжения, разрушается, и прочность крышки обеспечивается лишь уровнем сопротивления основного тела крышки по линиям с минимальной толщиной, вдоль которых происходит концентрация напряжений, а при достижении пределов прочности основного материала крышка вскрывается по этим линиям ослабления.
Недостатком известного устройства является то, что при разрушении крышки происходит, по существу ее разрыв, при котором не освобождается проходное сечение крышки.
Также известно устройство разрушаемой крышки пусковой трубы по патенту US 4301708 (F41F 3/04, 1981). Известное устройство содержит крышку из полимерного материала, выполненную в виде сферического сегмента с опорным кольцом, через которое крышка крепится на опорное кольцо пусковой трубы. Сферический сегмент опирается на меридионально расположенные арочные ребра из хрупкого стекла. Ребра скрепляются между собой в вершине сферического сегмента в точке, расположенной на продольной оси пусковой трубы. На внешней поверхности сферического сегмента устанавливается линейный (шнуровой) заряд, имеющий в плане S-образную форму. Линейный заряд пересекает сферический сегмент и охватывает его по кругу. Для подрыва линейного заряда предусматривается по меньшей мере один детонатор. Детонатор срабатывает в момент начала движения ракеты при старте. В результате подрыва линейного заряда разрывается или разрушается крышка из полимерного материала и разрушаются арочные ребра из хрупкого стекла. Таким образом, устраняются помехи для выхода ракеты из пусковой трубы. Известное устройство обеспечивает возможность создания крышки, имеющей достаточную прочность, позволяющей выдерживать перепады давления при старте из-под воды.
Однако известное устройство не обеспечивает достаточную безопасность при эксплуатации крышки, что связано с применением линейного заряда с детонатором. Вместе с этим необходимость в специальном взрывном устройстве усложняет конструкцию и, кроме того, требует наличия системы управления этим устройством.
Известна разрушаемая крышка пусковой трубы по патенту RU 2218539 C1(F41F 3/077, F16K 17/16, 2003). Известная разрушаемая крышка выполнена в виде сферического сегмента с опорным кольцом, закрепленным в обойме, включающей опорное и прижимное кольца. На внутренней поверхности сферического сегмента выполнены ослабляющие пазы, образующие систему сообщенных между собой пазов, включающую кольцевые пазы, расположенные концентрично продольной оси сферического сегмента и отстоящие от упомянутой оси меридионально расположенные пазы. Один из кольцевых пазов выполнен по диаметру, соответствующему заданному диаметру проходного сечения крышки после разрушения последней. Благодаря этому при закреплении опорного кольца сферического сегмента в обойме создается кольцевая зона пониженной прочности, что обеспечивает локальное разрушение сферического сегмента по диаметру, соответствующему заданному диаметру проходного сечения крышки, и разрушение сферического сегмента. Таким образом, прижимное кольцо одновременно является локализующей накладкой. Ослабляющие пазы заполнены твердым материалом, при этом ослабляющие пазы имеют покрытие из антиадгезионного материала, разделяющее материал, заполняющий пазы, от материала сферического сегмента. Сферический сегмент с опорным кольцом выполнен из полимерного композиционного материала, например сферопластика. В качестве материала, заполняющего пазы, разрушаемая крышка содержит материал, идентичный материалу, из которого выполнен сферический сегмент с опорным кольцом. Разрушаемая крышка снабжена тканевыми элементами, которые размещены на периферийной части внутренней поверхности сферического сегмента в зонах между ослабляющими пазами. В качестве тканевых элементов крышка содержит элементы из стеклоткани, пропитанные связующим упомянутого композиционного материала. Известная разрушаемая крышка, выдерживая воздействие избыточного наружного давления, при действии избыточного внутреннего давления распадается на фрагменты заданных размеров, полностью открывая проходное сечение заданного диаметра.
Недостатком известного устройства является то, что разрушение сферического сегмента происходит при недостаточно малом избыточном внутреннем давлении, что обусловлено, в частности, использованием в качестве материала для сферического сегмента с опорным кольцом сферопластика. Вместе с этим известное устройство предполагает изготовление крышки сразу же цельной, что является достаточно сложным.
Известна разрушаемая крышка пусковой трубы по патенту US 6311604 B1 (F41F 3/04, 2001). Известная разрушаемая крышка выполнена в виде сферического сегмента с опорным кольцом (корпусом), вводимым на трении в соответствующий конец пусковой трубы (транспортно-пускового контейнера). Крышка имеет фланец, устанавливаемый на соответствующем торце пусковой трубы при закрывании последней крышкой. Крышка по меридионально расположенным плоскостям разделена на множество одинаковых долей (индивидуальных сегментов). Отдельные доли могут быть изготовлены как путем разрезки цельной крышки пусковой трубы по меридионально расположенным плоскостям, так и путем отливки их в виде отдельных сегментов. В вершине сферического сегмента крышки выполнено сквозное отверстие, которое закрыто втулкой, плотно сидящей в упомянутом отверстии и удерживающей упомянутые доли (индивидуальные сегменты). При этом в варианте выполнения упомянутые доли удерживаются вместе при помощи ленты, намотанной на опорное кольцо (корпус) крышки. При установке крышки в пусковую трубу цилиндрическая часть опорного кольца вводится до края ленты. В этот момент лента снимается, крышка вводится в пусковую трубу до фланца и удерживается на месте за счет трения. Кроме того, мягкие индивидуальные сегменты (доли) прижимаются друг к другу, образуя герметичные стыки. В момент старта ракета сдвигает крышку и отбрасывает ее сегменты (доли) в радиальных направлениях под действием избыточного давления, действующего на вогнутую внутреннюю поверхность крышки. Крышка пусковой трубы изготовлена из легкого водостойкого материала типа пенополиуретана. Наружная поверхность крышки имеет покрытие, защищающее от обледенения и/или электромагнитного излучения. Кроме того, упомянутое покрытие облегчает выброс крышки и разделение ее на сегменты при старте.
Однако известная разрушаемая крышка не рассчитана на эксплуатацию при воздействии высокого наружного давления, и область ее использования ограничена пусковыми установками авиационного и наземного базирования.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является разрушаемая крышка пусковой трубы по патенту RU 2375664 C1 (F41F 3/077, 2009). Разрушаемая крышка выполнена в виде сферического сегмента с опорным кольцом, имеет фланец, устанавливаемый на соответствующем торце пусковой трубы при закрывании последней крышкой. Сферический сегмент разделен на доли, а в его вершине выполнено сквозное отверстие, которое закрыто втулкой. Сферический сегмент имеет зону, в которой плоскости раздела смежных долей сферического сегмента расположены в меридиональных плоскостях. Втулка и доли сферического сегмента выполнены с образованием щелевого зазора, расположенного концентрично продольной оси сферического сегмента и меридионально расположенных щелевых зазоров. Упомянутые щелевые зазоры заполнены материалом (заливочной композицией) меньшей прочности, чем у материала долей сферического сегмента и втулки, образующим единое целое с материалом последних.
Известная крышка пусковой трубы обеспечивает прочность и герметичность при воздействии высокого наружного давления, и, вместе с тем, разрушается при незначительном избыточном давлении в подкрышечном объеме и обеспечивает при разрушении возможность полного освобождения проходного сечения крышки. Допустимая разность наружного и внутреннего избыточного давления разрушения для этой крышки определяется разностью прочностных характеристик композиционного материала (разностью прочности на сжатие и прочности на растяжение), заполняющего щелевые зазоры. Для заливочных композиций, применяемых при изготовлении подобных крышек, прочность на сжатие превосходит прочность на растяжение в 2-4 раза. Современные подводные носители в определенных условиях (например, после запуска ракеты) должны погружаться на глубину до 500 м. При этом на крышки соседних пусковых труб будет действовать давление до 5 МПа. Вместе с этим крышки должны обеспечивать возможность их разрушения при давлении в подкрышечном объеме до ~0,2 МПа. При таком уровне нагрузок обеспечить выполнение противоречивых требований по прочности и разрушению только свойствами заливочной композиции (заливочного композиционного материала) сложно. Вышеотмеченное ограничивает возможности использования известного технического решения для подводных носителей, имеющих значительную глубину погружения, у которых уровень нагрузок на крышки пусковых труб и, соответственно, разность наружного давления и избыточного давления разрушения крышки высоки.
Задачей, решаемой изобретением, является создание герметичной крышки пусковой трубы, обеспечивающей прочность и герметичность при воздействии достаточно высокого наружного давления, и, вместе с тем, разрушающейся при незначительном избыточном давлении в подкрышечном объеме и обеспечивающей при разрушении возможность полного освобождения проходного сечения крышки, а также обеспечивающей расширение области использования крышки.
Указанная задача решается благодаря тому, что в разрушаемой крышке пусковой трубы, выполненной в виде сферического сегмента с опорным кольцом, причем сферический сегмент разделен на доли, а в его вершине выполнено отверстие, которое закрыто втулкой, при этом сферический сегмент имеет зону, в которой плоскости раздела смежных долей сферического сегмента расположены в меридиональных плоскостях, причем втулка и доли сферического сегмента выполнены с образованием кольцевого щелевого зазора, расположенного концентрично продольной оси сферического сегмента и меридионально расположенных щелевых зазоров, причем упомянутые щелевые зазоры заполнены заливочной композицией меньшей прочности, чем у материала долей сферического сегмента и втулки, при этом заливочная композиция образует единое целое с материалом сферического сегмента и втулки, согласно изобретению заливочная композиция, заполняющая каждый из меридионально расположенных щелевых зазоров, представляет собой две объемные части, одна из которых частично заполняет меридионально расположенный щелевой зазор с образованием продольной выемки, на поверхности которой нанесена антиадгезионная композиция, поверх которой выемка заполнена второй объемной частью заливочной композиции.
В варианте выполнения выемка, заполненная второй объемной частью заливочной композиции, находится с выпуклой стороны сферического сегмента.
В другом варианте выполнения выемка, заполненная второй объемной частью заливочной композиции, находится с вогнутой стороны сферического сегмента.
Технический результат использования изобретения состоит в повышении эксплуатационных характеристик разрушаемой крышки.
На фиг.1 схематично показана предлагаемая разрушаемая крышка, установленная на пусковой трубе, общий вид, продольный разрез; на фиг.2 - то же, вид в плане; на фиг.3 - соединение смежных долей сферического сегмента крышки, поперечный разрез по А-А на фиг.2, повернуто.
В варианте осуществления изобретения заявляемая разрушаемая крышка используется в качестве передней крышки, например, контейнера для хранения и пуска ракеты. Разрушаемая крышка выполнена в виде сферического сегмента 1, который закреплен на опорном кольце 2 с помощью прижимного кольца 3. Опорное кольцо 2 имеет фланец «а», устанавливаемый на соответствующем торце пусковой трубы 4 при закрывании последней крышкой.
Сферический сегмент 1 выполнен из композиционного материала и разделен на доли (индивидуальные сегменты) 5. В варианте осуществления изобретения в качестве композиционного материала для сферического сегмента используется, например, стеклопластик. Доли 5 могут быть изготовлены в виде отдельных частей (сегментов), из которых изготавливают единый сферический сегмент 1. В вершине сферического сегмента выполнено сквозное отверстие, которое закрыто втулкой 6. Сферический сегмент имеет зону, в которой плоскости раздела смежных долей 5 сферического сегмента расположены в меридиональных плоскостях. В варианте осуществления изобретения втулка 6 и доли 5 сферического сегмента 1 выполнены с образованием кольцевого щелевого зазора «b», расположенного концентрично продольной оси 7 сферического сегмента 1 и меридионально расположенных щелевых зазоров «с». Щелевые зазоры «b» и «с» заполнены заливочной композицией (композиционным материалом) меньшей прочности, чем у материала долей 5 сферического сегмента 1 и втулки 6, образующей единое целое с материалом долей сферического сегмента и втулки. Ширина щелевого зазора не более 2 мм. При нагружении внешним давлением заливочный материал (заливочная композиция) находится в объемном напряженном состоянии и выдерживает большую нагрузку, чем стандартный образец композиционного заливочного материала. Заливочная композиция, заполняющая каждый из меридионально расположенных щелевых зазоров, представляет собой две объемные части «d» и «е». Объемная часть «d» заливочной композиции частично заполняет щелевой зазор с образованием продольной выемки (продольного паза). На поверхности выемки (здесь имеются в виду соответствующие выемке боковые поверхности смежных долей 5 и «открытая» поверхность части «d» заливочной композиции) нанесена антиадгезионная композиция (антиадгезионный материал) «f», поверх которой выемка заподлицо с поверхностью сферического сегмента 1 заполнена объемной частью «е» заливочной композиции. Для покрытия поверхностей выемки в качестве антиадгезионной композиции может быть использован, например, раствор воска в бензине. В варианте осуществления изобретения выемка, заполненная объемной частью «е» заливочной композиции, находится с выпуклой стороны сферического сегмента. Этот вариант является предпочтительным. В другом варианте выполнения (на чертеже не показано) эта выемка находится с вогнутой стороны сферического сегмента.
Сферический сегмент 1 установлен на опорном кольце 2 посредством герметизирующего уплотнения 8 из упруго-эластичного материала. Для закрепления опорного кольца предусмотрены резьбовые элементы 9 и 10. При этом резьбовые элементы 10 одновременно служат для закрепления разрушаемой крышки на герметичном корпусе контейнера для хранения и пуска ракеты, т.е. на торце пусковой трубы 4. Герметичность корпуса контейнера обеспечивается, в частности, уплотнением 11, установленным в кольцевых проточках, выполненных на опорном кольце 2.
Разрушаемая крышка пусковой трубы работает следующим образом.
При транспортировке и длительном хранении разрушаемая крышка в сборе с корпусом контейнера может периодически подвергаться внешнему механическому воздействию и воздействию избыточного давления окружающей среды. Сферический сегмент 1 реагирует на эти воздействия типа сжатия как монолитная конструкция, которая совместно с опорным и прижимным кольцами 2 и 3, резьбовыми элементами 9 и 10 и герметизирующим уплотнением 8 обеспечивает целостность и герметичность крышки в заданных пределах внешних воздействий. Прижимное кольцо 3 удерживает сферический сегмент 1 при перегрузках, возникающих при транспортировании и ударах, возникающих при эксплуатации.
При пуске ракеты продукты сгорания топлива поступают в подкрышечный объем. Под действием давления газа на внутреннюю поверхность сферического сегмента 1 осуществляется раскрывающее воздействие. При этом в сферическом сегменте 1 возникают растягивающие усилия и изгибающий момент, действующий в меридиональном направлении, причем максимум изгибающего момента находится на некотором расстоянии от торца (~1/3 часть расстояния от торца до центра). От растягивающих усилий напряжения растяжения действуют по всей толщине стенки сферического сегмента (купола) 1. От изгибающего момента с внешней стороны действуют напряжения растяжения, а с внутренней - напряжения сжатия. В результате деформации под действием этих напряжений объемная часть «е» заливочной композиции, заполняющая меридионально расположенные щелевые зазоры «с» через антиадгезионное покрытие (антиадгезионную композицию) «f», отделяется от основного материала сферического сегмента. Таким образом, происходит ослабление сечения по заливочной композиции (заливочному материалу). Ослабление осуществляется в зоне растяжения, а на растяжение прочность материала, заполняющего щелевой зазор, меньше, чем на сжатие. Выполнение части заливочного материала (заливочной композиции) через разделительный слой антиадгезионного материала (антиадгезионной композиции) особенно эффективно в зоне максимальных растягивающих напряжений. Если при сплошном заполнении щелевых зазоров заливочным композиционным материалом (заливочной композицией) допустимая разность наружного и внутреннего избыточного давления разрушения для крышки определяется разностью прочностных характеристик композиционного материала (разностью прочности на сжатие и прочности на растяжение), то при введении в щелевые зазоры участков, где заливочная композиция заполняет щелевой зазор через разделительный слой (антиадгезионную композицию «f»), можно повысить возможности конструкции в части увеличения соотношения между внешним давлением, при котором обеспечена прочность сферического сегмента, и внутренним избыточным давлением, при котором происходит его разрушение. По результатам испытаний реальной конструкции разрушаемой крышки с использованием заявленного устройства величина этого соотношения достигает ~ 20, что позволяет существенно расширить область использования заявленного устройства.
При достижении избыточного давления выше расчетной величины происходит разрушение сферического сегмента. При этом благодаря системе щелевых зазоров, заполненных заливочной композицией меньшей прочности, чем у материала долей 5 и втулки 6, сферический сегмент распадается на индивидуальные сегменты (доли) 5 и втулку 6. Под воздействием давления доли сферического сегмента 1 двигаются практически одновременно и практически одинаково поворачиваются каждая вокруг соответствующего участка прижимного кольца 3, которое частично перекрывает концевые части долей сферического сегмента. Доли сферического сегмента 1 расходятся, полностью освобождая проходное сечение крышки.
Таким образом, благодаря особенности выполнения разрушаемой крышки пусковой трубы изобретение обеспечивает возможность создания герметичной разрушаемой крышки, обеспечивающей прочность и герметичность при воздействии высокого наружного давления и вместе с тем разрушающейся при незначительном избыточном давлении в подкрышечном объеме, полностью открывая проходное сечение. Вместе с этим, благодаря обеспечению прочности крышки на значительной глубине погружения, достигается повышение эксплуатационных характеристик и тем самым обеспечивается расширение области использования.