ЗАМЕДЛИТЕЛЬ ДЕТОНАЦИОННЫХ КОМАНД БАЛЛИСТИЧЕСКОГО ТИПА
DETONATION COMMANDS RETARDER OF BALLISTIC TYPE

Изобретение относится к бортовой пироавтоматике летательных аппаратов (ракетной, космической, авиационной и специальной техники) и может быть использовано для создания необходимых временных интервалов (замедлений, задержек, уставок), обеспечивающих заданную последовательность работы элементов детонационных цепей. Может применяться также в конструкциях взрывателей и взрывательных устройств средств поражения и боеприпасов различного назначения, а также в промышленных системах инициирования.
Замедлители (или замедлительные устройства) традиционно используются в конструкциях взрывателей и взрывательных устройств различных типов боеприпасов, а также во взрывном деле в средствах инициирования замедленного действия, зажигательных и электрозажигательных трубках, пиротехнических реле и т.п.
Известны замедлители детонационных команд в виде прессованных или литых шашек или столбиков из бризантных взрывчатых веществ (ВВ), взрывчатых составов или взрывчатых композиций. Они успешно используются в конструкциях ряда взрывателей, взрывательных устройств, систем инициирования практически мгновенного действия (с замедлениями от нескольких микросекунд до миллисекунды) путем включения их в состав взрывных цепей указанных выше устройств и систем [1]. Недостатком таких замедлителей является достаточно узкий диапазон варьирования чрезвычайно малых времен задержек (из-за высоких скоростей детонации применяемых взрывачатых веществ - (7÷8 км/с и более), в результате чего практически исключается возможность в реальных габарито-массовых характеристиках устройств получить на борту летательного аппарата (в бортовой системе разводки детонационных команд) задержки миллисекундного диапазона. Работающие по аналогичному принципу известные и широко используемые во взрывном деле неэлектрические системы инициирования зарядов ВВ с детонирующим шнуром (включая традиционные шнуры в нитяных оплетках и с пластикатными покрытиями или без них, детонирующие удлиненные заряды в металлических оболочках, безоболочные заряды из эластитов и пластитов в виде шнуров и лент, системы инициирования с низкоэнергетическими проводниками импульсов типа НОНЕЛЬ и др.) [2; 4], позволяющие получать практически любые времена задержек, также не могут быть применены на борту летательных аппаратов (ЛА) из-за большой протяженности детонирующих шнуров, удлиненных зарядов и существенных ударно-волновых нагрузок, воздействующих на близлежащие узлы, агрегаты, научную и служебную аппаратуру, при их срабатывании.
Известны газодинамические замедлители детонационных команд, используемые во взрывателях, например, к малокалиберным снарядам. В данных конструкциях замедление команд осуществляется за счет истечения газов (продуктов сгорания порохового или пиротехнического заряда) через систему калиброванных отверстий, каналов и расширительных камер. Как и в предыдущем случае, такие устройства позволяют получать стабильные задержки только в микросекундном временном интервале [1].
Известны механические и электромеханические замедлители детонационных команд. Они используются в конструкциях, например, часовых и тахометрических контактных взрывателей, в механизмах дальнего взведения авиабомб [1]. Недостатками их являются недостаточно высокие показатели надежности и точность установки временных задержек, громоздкость конструкций, потребление дополнительной электроэнергии, большие времена задержек (десятки секунд, минуты и даже часы).
Частично перечисленные выше недостатки устраняются в конструкции электрических замедлителей, в которых время замедления определяется временем зарядки электролитического конденсатора, выдающего сигнал на подрыв заряда ВВ [1]. При этом повышается точность установки временных задержек, улучшаются массово-габаритные характеристики устройств замедления по сравнению с предыдущими аналогами, однако надежность таких устройств остается на недостаточном уровне (возможны электрические пробои конденсаторов), необходим либо автономный источник питания, либо отвод от бортовой кабельной сети ЛА.
Известны и чрезвычайно широко применяются на практике пиротехнические замедлители, использующие в своих конструкциях заряды быстро или медленно горящих взрывчатых материалов: дымного пороха, малогазовых пиротехнических составов в виде прессованных столбиков разной высоты, колец, «спиралей», прессуемых в поворотные массивные диски (пиротехнические замедлительные элементы с дуговыми каналами с односторонним и двусторонним размещением каналов), или в виде огнепроводных шнуров в нитяной или металлической оболочке. Пиротехнические замедлители входят в конструкции подавляющего большинства контактных механических взрывателей, дистанционных взрывателей и трубок, зажигательных и электрозажигательных трубок, средств инициирования (капсюлей-детонаторов и электродетонаторов) короткозамедленного и замедленного действия [1÷4].
Недостатками практически всех пиротехнических устройств, применяемых в капсюлях-детонаторах и электродетонаторах (ЭД), взрывателях (взрывательных устройствах), а также в ряде других пироустройств, например в пирорезаках, механизмах раскрытия кассет и др. [5], является существенная зависимость скорости горения пиротехнических составов от внешнего давления и начальной температуры заряда (хотя и не такая сильная, как у порохов), от плотности запрессовки, высоты столбика (или длины кольца), от материала оболочки, в которую запрессован состав, и ее геометрических размеров, от мощности источника воспламенения, конструкции камеры сгорания и т.д.. Подавляющее большинство пиротехнических составов горит с открытой поверхности лишь при остаточном давлении до 10 мм рт. ст.; при дальнейшем повышении степени вакуума происходит затухание горения, что неизбежно приводит к отказу в работе устройства. Указанные недостатки снижают надежность таких устройств замедления, вцелом являются причинами недопустимо больших разбросов по временам их срабатывания (так, при временах задержки от 15 до 100 мс у короткозамедленных отечественных ЭД типа ЭДК3-П (-ПМ; -ПМК), ЭД-3-Н; ЭД-1-3-Т; ЭД-24 разброс времени замедления может достигать ±(12…50)%). Кроме того, максимальная скорость горения пиротехнических замедлительных составов (или быстрогорящих малогазовых составов), достигнутая к настоящему времени, составляет порядка 500 мм/с [6]. Для обеспечения времен замедления миллисекундного диапазона высота запрессовки пиросостава должна быть в пределах 0,5…5,0 мм, что в технологическом плане представляет определенную сложность. Помимо всего сказанного, при использовании пиротехнических замедлителей в детонационных цепях систем разводки необходимы дополнительные устройства, преобразующие сначала детонационный импульс в огневой, затем обратно - огневой в детонационный.
т
В развитие пиротехнического способа замедления детонационных команд в последние годы разработаны герметизированные замедлительные модули, представляющие собой стальные втулки (колпачки) с наружным диаметром 6,2 мм и высотой от 10 до 50 мм, в которые запрессованы малогазовые замедлительные составы (быстро или медленно горящие), воспламенительно-герметизирующий состав и, при необходимости, концевой заряд, обеспечивающий либо требуемый выходной огневой импульс замедлительного модуля, либо образование необходимого количества газообразных продуктов сгорания - рабочего тела для пиромехнических устройств поршневого типа, либо переход от горения к детонации, либо замыкание электроконтактов электропроводными продуктами сгорания и т.д. [6]. Воспламенительно-герметизирующий состав после своего сгорания образует стеклообразную газонепроницаемую шлаковую пробку, способную выдерживать давления газов до нескольких десятков мегапаскалей. Малогазовый замедлительный состав горит при этом в герметизированном объеме и поэтому скорость его горения практически не зависит (или слабо зависит) от давления окружающей среды. Достоинствами замедлительных модулей по сравнению с предыдущими аналогами являются простота конструкции и малое время, требуемое для установки заданных временных интервалов, более высокая точность выдачи команд за счет герметизирования модулей при сгорании специальных воспламенительно-герметизирующих составов. Однако все остальные перечисленные ранее недостатки, присущие пиротехническим замедлителям, остаются. Так, верхние значения температурного коэффициента k скорости горения для быстрогорящих малогазовых составов могут достигать двадцати процентов, что вряд ли можно считать удовлетворительным для большинства бортовых систем автоматики таких ЛА, как космические аппараты и ракетные блоки.
Известны электронные замедлители детонационных команд на базе специализированных больших интенгральных микросхем (другое прочно закрепившееся их название - микрочипы), используемые в некоторых современных ЭД, дистанционных и дистанционно-контактных взрывательных устройствах (ВУ) [2]. Основным элементом данных замедлителей является электронное временное устройство, обеспечивающее высокую точность отсчета установленного времени (с погрешностью на уровне долей процента) без использования прецезионных элементов в задающем генераторе специального электронного взрывного прибора или аппаратуры дистанционного управления пуском снаряда (ракеты). Помимо высокой точности программирования временных интервалов, достоинствами электронных ЭД и ВУ являются повышенная безопасность в отношении блуждающих токов любого происхождения, невозможность несанкционированного срабатывания от любого источника тока, кроме специального взрывного прибора (или аппаратуры дистанционного управления), причем именно такого, у которого установленный код безопасности идентичен настройке электронной схемы в ЭД (или ВУ), а также возможность автоматической проверки состояния электровзрывной сети и блокирования процесса взрывания при невыполнении условий безотказности. Электронным ЭД и ВУ, несмотря на перечисленные выше неоспоримые преимущества перед устройствами с пиротехническими узлами замедления, присущи и существенные недостатки. К ним относятся недостаточно высокая стойкость микрочипов к мощным ионизирующим излучениям, необходимость включения в конструкции устройств источников питания (либо конденсаторных, заряжаемых от громоздких и массивных взрывных приборов или аппаратуры дистанционного управления, либо тепловых с расплавляемым от дополнительного пиротехнического устройства электролитом). Кроме того, для производства микрочипов в настоящее время отсутствует отечественная промышленная база, в результате чего стоимость электронных ЭД и ВУ остается чрезвычайно высокой.
Известно детонирующее устройство для ведения прострелочно-взрывных работ в глубоких скважинах, позволяющее возбуждать детонацию термостойких ВВ без инициирующих взрывчатых веществ (без штатного низковольтного средства взрывания: электродетонатора или капсюля-детонатора) [7]. Устройство состоит из металлического корпуса цилиндрической формы, внутри которого расположены термостойкий метательный заряд (активный заряд), чувствительный к тепловому воздействию и легко воспламеняемый от встроенного средства инициирования (электровоспламенителя (в описании - устаревшее понятие «электрозапал») или проволочки накаливания), металлический поршень (короткий цилиндр-ролик) и основной заряд бризантного ВВ (пассивный заряд) в виде двух запрессовок разной плотности. Принцип действия детонирующего устройства следующий. При быстром сгорании или взрыве состава (пикрата калия, пикрата магния или смеси пикрата и перхлората калия), находящегося в метательном заряде, под действием давления продуктов горения приходит в движение поршень (в устройстве он выполняет роль бойка-ударника). При ударе поршня по слою пассивного заряда бризантного ВВ малой плотности в последнем создается мощная инициирующая ударная волна, которая вызывает детонацию заряда высокой плотности.
Данное устройство по технической сущности является наиболее близким к заявляемому.
Известное наиболее близкое к заявляемому устройство имеет ряд преимуществ по сравнению с описанными выше аналогами. Его отличает простота конструкции и высокая надежность действия, что подтверждается достаточной глубиной изучения на сегодняшний день таких разделов физики взрыва, как «Чувствительность взрывчатых веществ к механическим воздействиям», «Условия перехода инициирующей ударной волны в детонацию», «Детонация в зарядах ВВ при воздействии высокоскоростных компактных ударников» и др. [8]. Другим неоспоримым достоинством данного детонирующего устройства является широкий температурный диапазон его эксплуатации, т.к. в нем нет инициирующих ВВ, а метательный (активный) и основной (пассивный) заряды выполнены из термостойких бризантных ВВ. На выходные параметры устройства очень слабо влияют параметры окружающей среды (давление, температура). Однако это достоинство может быть реализовано, на наш взгляд, только в том случае, если метательный заряд будет не воспламеняться от электровоспламенителя или проволочки накаливания с последующим горением его параллельными слоями, а взрываться (когда реализуются режимы либо взрывного горения, либо низкоскоростной или же полной детонации). А для этого указанные средства инициирования должны быть с взрывающимися мостиками накаливания, срабатывающими от высоковольтного источника электрического сигнала. Последние из-за своих, как правило, больших масс и габаритов могут оказаться неприменимыми на ряде ЛА; в первую очередь, на космических аппаратах. При задействовании устройства от низковольтных бортовых источников тока процесс разогрева слоя ВВ метательного заряда вблизи мостика накаливания с последующим воспламенением его, а от него - всего метательного заряда будет зависеть уже от параметров окружающей среды. Время срабатывания устройства будет от нескольких миллисекунд до десятков миллисекунд; такого же порядка будет и разброс времени срабатывания. Этот фактор ограничивает и даже исключает использование данного устройства в бортовых системах пироавтоматики ЛА. Из-за размещения в наиболее близком к заявляемому известном устройстве пассивного заряда бризантного ВВ практически вплотную к поршню в данной конструкции могут быть реализованы только достаточно малые (десятки микросекунд) времена замедления. К тому же конструкция устройства не позволяет их изменять, т.е. задавать требуемые уставки непосредственно перед применением.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка простого, надежного, достаточно безопасного, точного, не требующего дополнительного потребления электрической энергии, стойкого ко всем факторам космического пространства замедлителя детонационных команд - устройства для создания необходимых временных интервалов, обеспечивающих заданную последовательность работы элементов детонационных цепей и взрывной логики бортовой пироавтоматики, расширение области применения наиболее близкого к заявляемому известного устройства.
При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении эффективности и надежности бортовых систем автоматики летательных аппаратов за счет формирования точных временных задержек, обеспечения требуемой очередности прохождения детонационных команд и блокирования ложных и несанкционированных сигналов.
Указанный технический результата достигается тем, что метательный заряд выполнен в виде отреза детонирующего удлиненного заряда (ДУЗа) в металлической (алюминиевой, медной, стальной и др.) оболочке, либо удлиненного заряда в полимерной (поливинилхлоридной, фторопластовой, полиэтиленовой и др.) оболочке, либо заряда без оболочки (например, эластита в виде шнура или ленты), вставленного в корпус устройства в предпоршневую зарядную камеру. В заявляемом устройстве выполняет функцию активного заряда. В качестве основного заряда бризантного взрывчатого вещества (пассивного заряда) использован также отрезок детонирующего удлиненного заряда, но только в металлической оболочке, вставленный в корпус устройства с противоположной стороны поршня - в запоршневую камеру таким образом, чтобы зазор между торцами поршня и ДУЗа был изменяемым. Инициирование детонации в метательном (активном) заряде осуществляется инициирующим устройством в виде любого либо штатного средства взрывания (капсюля - детонатора, электро- или светодетонатора, взрывного патрона), либо взрывателя или взрывательного устройства (контактного, неконтактного, дистанционного и др.), размещаемым вне корпуса устройства.
Для большей компактности устройства, предназначенного для значительных времен замедления детонации (от нескольких сотен миллисекунд до нескольких секунд), корпус его может быть выполнен в виде изогнутой или закрученной в спираль трубы. В качестве поршня (бойка-ударника) при этом может быть использован металлический шарик или короткий цилиндр (ролик) со сферической либо с оживальной лобовой частью.
Изобретение поясняется рисунками, на которых изображены:
на фиг. 1 - вариант предлагаемого устройства, реализующего время замедления от нескольких десятков микросекунд до нескольких десятков миллисекунд;
на фиг. 2 - вариант предлагаемого устройства на большие времена замедления (сотни миллисекунд - секунды).
Здесь 1 - корпус;
2 - предпоршневая камера;
3 - боек-ударник (поршень - на фиг. 1 или шарик на фиг. 2);
4 - запоршневая камера;
5 - пассивный (основной) заряд;
6 - активный (метательный) заряд;
7 - инициирующее устройство.
Предлагаемое устройство используется и работает следующим образом. При подаче команды-сигнала на инициирующее устройство 7 происходит его срабатывание, в результате чего инициируется процесс детонации в активном (метательном) заряде 6. Продукты детонации метательного заряда, затекая в предпоршневую камеру 2, создают в ней давление, которое, воздействуя на боек-ударник (поршень, шарик или ролик со сферической либо с оживальной лобовой частью) 3, приводят последний в движение и разгоняют его до определенной скорости. Перемещаясь в запоршневой камере 4, боек-ударник 3 воздействует на пассивный, основной, заряд 5, представляющий собой детонирующий удлиненный заряд в металлической оболочке. Применение в качестве пассивного заряда ДУЗ в металлической оболочке обусловлено двумя главными причинами. Во-первых, поскольку заявляемое устройство предназначено для использования в бортовых системах пироавтоматики ЛА, то предполагается использование в качестве и активного, и пассивного зарядов удлиненных зарядов малого калибра (с наружным диаметром до 5 мм); при этом остро встает вопрос снижения критических параметров инициирования детонации в таких зарядах при торцевом ударно-волновом нагружении их. В этом плане предпочтение должно быть отдано именно зарядам в металлической оболочке, так как уменьшение времени химических превращений в зоне химических реакций вследствие увеличения времени существования высоких давлений и температур, а также переход волны разгрузки из ударно-сжатого материала оболочки во взрывчатое вещество заряда и ее опережающее действие на ВВ неминуемо приведут к снижению критических параметров инициирования, что чрезвычайно важно для обеспечения работоспособности заявляемого устройства с высокой степенью надежности. Во-вторых, заряды в металлических оболочках обладают жесткостью, что также необходимо для обеспечения процесса инициирования детонации в них ударом быстролетящего тела. Время замедления детонационной команды с помощью заявляемого устройства будет складываться из времени затекания продуктов детонации активного (метательного) заряда в предпоршневую камеру, времени нарастания в ней давления до значения, при котором произойдет срыв с места бойка-ударника, разгона его до некоторой постоянной (в первом приближении) скорости, времени движения бойка-ударника по запоршневой камере и времени протекания переходных процессов в ВВ пассивного заряда до установившейся детонации. Современный уровень развития физики взрыва и внутренней баллистики позволяет такую задачу решать в аналитическом виде. Решающий вклад в интегральное время замедления будет вносить время движения бойка-ударника (поршня фиг. 1 или шарика фиг. 2) в запоршневой камере. Вдвигая (или выдвигая) пассивный заряд (ДУЗ) внутрь корпуса устройства, можно варьировать и время замедления (уменьшая его или увеличивая соответственно).
Дополнительно заявляемое устройство может выполнять функции взрывного диода в схемах взрывной логики ЛА. Поясняется это следующим. При случайном срабатывании по ложному сигналу пассивного заряда 5 продукты детонации его заполнят запоршневую камеру 4. Давление, созданное ими, из-за значительных его геометрических размеров не достигнет того значения, которое необходимо для приведения в движение бойка-ударника 3. В результате устройство выйдет из строя, но ложная команда не пройдет.
Применение изобретения позволяет обеспечить получение с высокой степенью надежности, повышенной безопасностью и с достаточной точностью гарантированных задержек детонационных команд, в первую очередь, миллисекундного диапазона вне зависимости от факторов окружающего пространства и без дополнительного энергопотребления. Расширяются область применения и функциональные возможности устройства.
Источники информации
1. Средства поражения и боеприпасы: Учебник / Л.В. Бабкин, В.А. Вельдаков, Е.Ф. Грязнов и др. Под общ. ред. В.В. Селиванова. - М: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.
2. Граевский М.М. Справочник по электрическому взрыванию зарядов ВВ. Изд. 2-е перераб. и доп.- М.: Рандеву - AM, 2000.
3. Карпов П.П. Капсюли-воспламенители и капсюли-детонаторы / Под ред. П.Ф. Бубнова - Л.: Изд-во Арт. академии РККА им. Дзержинского, 1935.
4. Инженерные боеприпасы. Руководство по материальной части и применению. Кн. 1. - М: Воениздат, 1976.
5. Вспомогательные системы ракетно-космической техники / Под ред. И.В. Тишунина. - М.: Изд-во «Мир», 1970.
6. Проектирование автоматических космических аппаратов для фундаментальных научных исследований: Монография / Сост. В.В. Ефанов; Под ред. В.В. Хартова, В.В. Ефанова, К.М. Пичхадзе: В 3-х т. Т. 1;3. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2013, 2014.
7. АС СССР 163132, МПК Е21В, С06С. Детонирующее устройство / Баум Ф.А., Державец А.С.- №836138/22-3; заявл. 15.05.63; опубл. 22.06.64. Бюл. №12.
8. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. - Изд. 3-е, переработанное. - В2 т. Т1. - М: ФИЗМАТЛИТ, 2002.