Способ определения работоспособности пиротехнических изделий при тепловом воздействии
METHOD FOR DETERMINING THE OPERABILITY OF PYROTECHNICS PRODUCTS UNDER THERMAL IMPACT

Изобретение относится к области ракетно-космической и авиационной техники и предназначено для определения работоспособности различных пиротехнических изделий (ПИ) (пироболтов, пирозамков, пироэнергодатчиков и др.) при тепловом воздействии.
Предполагается определение такой характеристики, как области режимов нагрева корпуса ПИ, в которой не происходит потери работоспособности ПИ после теплового воздействия и возможно их штатное срабатывание. Под штатным срабатыванием понимается срабатывание ПИ путем инициирования его штатным способом, при котором выполняется его функциональное назначение (ПИ соответствует требуемым техническим характеристикам).
В случае теплового воздействия на ПИ, когда еще не происходит их самопроизвольного срабатывания в результате нагрева, экспериментально получены различные результаты при инициировании ПИ. В зависимости от температуры и режима нагрева в некоторых случаях при инициализации происходит его штатное срабатывание, в других случаях возможен отказ. Это может быть связано, например, с термодеструкцией инициализирующего взрывчатого вещества и т.д.
В ракетно-космической технике очень часто приходится устанавливать ПИ на элементы конструкции, которые граничат с зонами интенсивного нагрева. Поэтому при разработке конструкций с применением ПИ, работающих в условиях теплового воздействия, необходимо для каждого типа ПИ знать область режимов теплового воздействия, при которых ПИ остается работоспособным.
Изобретение может быть использовано в ракетно-космической и авиационной технике при проектировании и изготовлении различных устройств с применением ПИ, связанных в процессе эксплуатации с тепловым воздействием, а также для анализа аварийных и нештатных ситуаций, при которых температура конструкции аппаратов оказывается выше, чем предусмотренная для штатной эксплуатации используемых ПИ.
Известен способ определения характеристик срабатывания бытовых ПИ, а именно способ определения факта невоспламеняемости (отсутствия самопроизвольного срабатывания) бытовых ПИ при тепловом воздействии и устройство для его осуществления (МВД РФ, Государственная противопожарная служба, Нормы пожарной безопасности «Изделия пиротехнические бытового назначения. Требования пожарной безопасности. Методы испытаний», НПБ 255-99, п. 27.3).
Этот способ заключается в следующем.
В центре термостата (устройства для создания и поддержания постоянной температуры) размещают термоэлектрический преобразователь (термопару). ПИ подвешивают на проволоке вблизи центра термостата так, чтобы спай термопары был размещен на стенке в средней части ПИ. Включают термостат и нагревают ПИ со скоростью 1-2°С/мин до заданной температуры 100°С. После этого ПИ термостатируют (выдерживают при постоянной температуре термостата) в течение 30 мин. Испытания выполняют последовательно не менее чем на трех ПИ. Если в процессе испытаний зарегистрировано спонтанное повышение температуры как при выходе на режим, так и при термостатировании ПИ, термостат отключают. После завершения испытаний и остывания термостата до комнатной температуры открывают дверцу и осматривают ПИ.
ПИ считают устойчивым к нагреву, если ни в одном из трех испытаний не произошло воспламенения при заданной температуре.
ПИ считают неустойчивым к нагреву, если хотя бы в одном из трех испытаний оно воспламенилось, а также если произошел спонтанный рост температуры в процессе выхода на режим (сверх установленного темпа роста температуры) или в режиме термостатирования при заданной температуре.
Недостатком известного способа является то, что не оценивается работоспособность ПИ после теплового воздействия.
Известен способ подтверждения соответствия требуемым характеристикам ПИ бытового и технического назначения по ГОСТ Р 51271-99 «Изделия пиротехнические. Методы испытаний» (п. 5.1, 5.2, 8.2 - метод оценки стойкости к климатическим воздействиям, основанный на моделировании реальных климатических воздействий с помощью специальных камер - испытания на теплостойкость до плюс 60°С).
Способ заключается в следующем.
Для целей подтверждения соответствия отбирают по 12 ПИ, но не менее двух потребительских упаковок. Включают камеры тепла. Температуру в камерах доводят до заданной программой сертификационных испытаний. Располагают ПИ в камерах так, чтобы была обеспечена свободная циркуляция воздуха между ПИ (упаковками с ПИ), ПИ и стенками камеры. Закрывают камеры и, если за время загрузки камер температура в них снизилась, выдерживают их требуемое время для достижения заданной температуры. Момент достижения заданной температуры в камере считают началом испытаний. Выдерживают ПИ в камере в течение 2 ч, если другое время не указано в программе сертификационных испытаний. По окончании испытаний ПИ извлекают из камеры и проводят их внешний осмотр и сравнение с ПИ, не подвергавшимися воздействию тепла. Все изменения во внешнем виде ПИ регистрируют в рабочем журнале.
Недостаток - принципиально невозможно определить, до какой температуры корпуса ПИ остается работоспособным при кратковременном нагреве, поскольку в известном способе не контролируется температура корпуса ПИ, а только температура воздуха в камере тепла. По внешнему виду ПИ невозможно оценить состояние взрывчатых веществ внутри корпуса, т.е. подтвердить его работоспособность.
Недостатком известного способа является и то, что не гарантируется полная безопасность работ. В результате нагрева испытуемое ПИ может выйти из строя, при этом заряд ПИ может и не уничтожится, если не достигнута температура самопроизвольного срабатывания. В соответствии с Федеральными нормами и правилами в области промышленной безопасности "Правила безопасности при взрывных работах" отказавшие заряды взрывчатых веществ должны по возможности уничтожаться на месте. В известном же способе после нагрева ПИ передается для определения соответствия техническим характеристикам в другое место.
Известен также способ определения характеристик самопроизвольного срабатывания ПИ при тепловом воздействии (патент RU 2583979, опубл. 10.05.2016, МПК: F42B 35/00 (2006.01), G01N 25/50 (2006.01)).
В нем осуществляют операцию теплового воздействия на пиротехническое изделие с заданным постоянным темпом нагрева его корпуса до момента самопроизвольного срабатывания и фиксируют температуру корпуса пиротехнического изделия, при которой произошло самопроизвольное срабатывание. Эту операцию повторяют поочередно с другими аналогичными пиротехническими изделиями с заданным шагом по темпу нагрева до получения зависимости температуры самопроизвольного срабатывания изделия от времени нагрева корпуса. По этой зависимости с использованием расчетного темпа нагрева корпуса пиротехнического изделия определяют время самопроизвольного срабатывания пиротехнического изделия при его аварийном спуске.
Недостатком этого способа является то, что не оценивается работоспособность (возможность штатного срабатывания) ПИ при тепловом воздействии.
Этот способ взят за прототип, поскольку в нем осуществляют тепловое воздействие на ПИ путем нагрева с постоянным темпом и контролем температуры корпуса ПИ, как и в заявленном изобретении.
Задачей заявленного изобретения является:
- определение области режимов тепловых воздействий, при которых ПИ остается работоспособным;
- повышение надежности и безопасности при эксплуатации и хранении ПИ;
- возможность прогнозирования поведения ПИ при различных тепловых нагружениях.
Техническим результатом изобретения является возможность определения максимальной температуры корпуса ПИ, при которой возможно штатное срабатывание ПИ в зависимости от темпа нагрева его корпуса. Это обеспечивает возможность определения области режимов тепловых воздействий, при которых ПИ остается работоспособным, повышение надежности и безопасности при эксплуатации и хранении ПИ, возможность прогнозирования поведения ПИ при различных тепловых нагружениях.
Технический результат достигается тем, что в способе определения работоспособности пиротехнических изделий при тепловом воздействии, состоящем в том, что производят тепловое воздействие на пиротехническое изделие путем нагрева его корпуса с заданным постоянным темпом, контролируют при этом температуру корпуса пиротехнического изделия, определяют температуру корпуса, при которой осуществляется самопроизвольное срабатывание пиротехнического изделия, нагрев корпуса пиротехнического изделия производят до температуры, лежащей в диапазоне от максимальной рабочей температуры пиротехнического изделия до температуры его корпуса, при которой происходит самопроизвольное срабатывание пиротехнического изделия для выбранного темпа нагрева. Затем производят штатное инициирование пиротехнического изделия и фиксируют наличие срабатывания или отказа. В случае отказа продолжают нагрев корпуса пиротехнического изделия до осуществления его самопроизвольного срабатывания. Операции повторяют поочередно с другими аналогичными пиротехническими изделиями для различных выбранных из упомянутого диапазона температур и темпов нагрева до получения зависимости максимальной рабочей температуры корпуса пиротехнического изделия, при которой происходит его штатное срабатывание, от темпа нагрева корпуса пиротехнического изделия. По полученной зависимости судят о работоспособности пиротехнических изделий при тепловом воздействии.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-3).
На фиг. 1 представлено устройство для реализации предложенного способа из патента RU 2583979, опубл. 10.05.2016, МПК: F42B 35/00 (2006.01), G01N 25/50 (2006.01), которое позволяет нагревать образец ПИ с заданным постоянным темпом и подать на ПИ инициализирующий импульс тока при достижении заданной температуры. При этом темп нагрева может изменяться в широких пределах, а в случае отказа срабатывания заряда ПИ устройство позволяет безопасно уничтожить его на месте путем нагрева до температуры выше температуры самопроизвольного срабатывания. Здесь:
1 - ПИ (пироболт);
2 - кварцевая трубка;
3 - нагреватель в виде теплового излучателя;
4 - источник электропитания регулируемой мощности;
5 - датчик температуры (термопара);
6 - регистратор температуры;
7 - изолирующий кожух;
8 - источник тока инициирования с элементами подключения к ПИ.
cc
сс
шср
ссдх
На фиг. 2 представлена диаграмма температур самопроизвольного срабатывания (T) от темпа нагрева корпуса испытываемых ПИ, на которую нанесены результаты экспериментальных данных по испытаниям семи пироболтов. Здесь приняты следующие обозначения: СС - самопроизвольное срабатывание; ШС - штатное срабатывание; НС - несрабатывание; Т - температура, при которой происходит самопроизвольное срабатывание ПИ для выбранного темпа нагрева; Т - максимальная температура, при которой осуществляется штатное срабатывание для выбранного темпа нагрева; Т - максимальная температура длительного хранения, при которой не происходит самопроизвольного срабатывания ПИ.
Пироболты сначала нагревались до некоторой температуры с постоянными темпами нагрева. Эти участки на диаграмме представлены отрезками прямых линий различного наклона. Чем выше темп нагрева, тем больше угол наклона. Если не происходило самопроизвольного срабатывания, то болты выдерживались некоторое время при постоянной температуре. Эти участки на диаграмме отображены горизонтальными отрезками. Далее производилось инициирование болтов, если до этого не происходило самопроизвольное срабатывание. Некоторые болты срабатывали штатно, некоторые отказывали. Эти болты охлаждались до начальной температуры, а затем уничтожались путем нагрева с постоянным темпом до самопроизвольного срабатывания. Болт №1 самопроизвольно сработал при температуре 180°С и темпе нагрева 29,7°С /мин. Болт №2 нагревался с меньшим темпом (11,2°С /мин) и самопроизвольно сработал при 160°С. Болты №3 (темп нагрева 2,2°С /мин) и №4 (темп нагрева 4,6°С /мин) штатно сработали после нагрева до 125°С и выдержки при достигнутой температуре 1800 с и 7200 с соответственно. Болт №5 (темп нагрева 3,6°С /мин) самопроизвольно сработал после нагрева до 140°С и выдержки в течение 540 с. В то же время болт №6 (темп нагрева 5,5°С /мин) нагретый до такой же температуры после меньшей выдержки 180 с при достигнутой температуре штатно сработал. Болт №7 (темп нагрева 7,1°С /мин), нагретый до 140°С, после выдержки 480 с штатно не сработал. После повторного нагрева (на фиг. 2 №7 бис) болт №7 самопроизвольно сработал при температуре 160°С (темп нагрева 8,2°С /мин).
сс
сс
сс.
cc
ссдх
ссдх
сс
ссдх
По ограниченному количеству экспериментальных данных (см. фиг. 2) для самопроизвольно сработавших болтов №1, №2, №5, №7 бис на диаграмме была построена зависимость температуры Т (см. патент RU 2583979, опубл. 10.05.2016), при достижении которой происходило самопроизвольное срабатывание пироболтов, от времени (темпа) нагрева. Зависимость Т от времени имеет ряд особенностей. Чем меньше время нагрева (чем выше темп нагрева), тем выше значение ТЭто объясняется тем, что корпус пироболтов имеет конечное тепловое сопротивление. Поэтому чем выше темп нагрева, тем выше тепловой поток внутрь корпуса пироболта и тем выше температура поверхности корпуса пироболта по сравнению с температурой внутренних поверхностей, где находится заряд. С возрастанием времени нагрева (уменьшением темпа нагрева) зависимость T от времени плавно стремится к постоянному значению, которое обозначим Т. Это означает, что при длительном хранении ПИ при температуре, меньшей чем Т, самопроизвольного срабатывания ПИ произойти не может. Интересно, что у пироболтов №3, №4, №6, №7, кривые нагрева которых лежат ниже зависимости Т от времени, самопроизвольного срабатывания не наблюдалось, хотя болты №3 и №7 нагревались выше значения Т.
шср
На фиг. 2 также представлена зависимость максимальной температуры, при которой возможно штатное срабатывание ПИ при постоянном темпе нагрева в зависимости от темпа нагрева (на диаграмме имеет обозначение Т).
Что же касается работоспособности пироболтов после теплового воздействия, то при нагреве они могут выходить из строя и до достижения температуры самопроизвольного срабатывания, как это было с болтом №7.
Фиг. 3 иллюстрирует процесс нахождения области режимов теплового воздействия на ПИ, в которой ПИ остаются работоспособными после теплового воздействия. Здесь приняты следующие обозначения:
сс
Т - температура, при которой происходит самопроизвольное срабатывание ПИ для выбранного темпа нагрева;
шср
Т- максимальная температура, при которой осуществляется штатное срабатывание ПИ для выбранного темпа нагрева;
ссдх
Т - максимальная температура длительного хранения, при которой не происходит самопроизвольного срабатывания ПИ;
шсрдх
Т - максимальная температура длительного хранения, при которой возможно штатное срабатывание ПИ;
I область - область, в которой при постоянном темпе нагрева всегда происходит штатное срабатывание ПИ;
II область - область, в которой при постоянном темпе нагрева всегда происходит отказ в срабатывании ПИ;
шср
n - номер шага при определении Т для выбранного темпа нагрева.
шср
шср
сс
сс
шсрдх
шсрдх
По аналогии с самопроизвольным срабатыванием пироболтов для каждого постоянного темпа нагрева должна существовать максимальная температура Т, до достижения которой всегда происходит штатное срабатывание ПИ. В основе потери работоспособности ПИ при нагреве лежит тепловое воздействие на его заряд. Тогда и зависимость Т от времени нагрева (темпа нагрева) имеет такой же вид, как и у Т. (см. фиг. 2 и фиг. 3) Так же как и для Т значения должны возрастать при уменьшении времени нагрева (увеличении темпа нагрева) и также плавно стремиться к постоянному значению, которое обозначим Т. Точно также при длительном хранении ПИ при температуре меньшей, чем Т ПИ всегда остается работоспособным.
шср
сс
сс
шср
шср
В практическом определении зависимости Т от времени имеется существенное отличие от определения зависимости Т от времени. Если самопроизвольное срабатывание ПИ происходит сразу после достижения критической температуры Т и это сразу фиксируется, то при штатном инициировании невозможно сказать, в какой момент времени и при какой температуре корпуса ПИ произошла потеря работоспособности. Поэтому для определения зависимости Т от времени необходимо нагревать ПИ с разными темпами нагрева и инициировать их при различных температурах. Тогда на диаграмме температура - время появятся две области. В первой области появятся точки, где происходит штатное срабатывание, во второй - отказы. Границей между этими областями и будет искомая зависимость Т, которая и обеспечивает получение заявленного технического результата.
Сущность заявленного способа поясним на примере определения области работоспособности пироболтов при тепловом воздействии с использованием устройства, представленного на фиг. 1.
шср
шср
сс.
шср
шср
шср
шср
n
На пироболт (1), помещенный в кварцевую трубку (2), осуществляют тепловое воздействие нагревателем (3) при помощи источника электропитания регулируемой мощности (4). Нагрев корпуса пироболта (1) осуществляют с заданным постоянным темпом до температуры, лежащей в диапазоне от максимальной рабочей температуры корпуса пироболта до температуры его самопроизвольного срабатывания. Контроль температуры осуществляют при помощи датчика температуры (5) и регистратора температуры (6). При достижении нужной температуры инициируют пироболт и фиксируют отказ или срабатывание. Инициирование ПИ осуществляется подсоединением ПИ к источнику тока инициирования (8) Срабатывание или отказ проще всего фиксируется по наличию или отсутствию характерного звука срабатывания. Если произошел отказ, то продолжают нагрев пироболта (1) до его уничтожения путем самопроизвольного срабатывания. Изолирующий кожух (7) при этом защищает оборудование и персонал от разлета осколков. Так как нагрев ПИ до его уничтожения производится дистанционно и нет необходимости переносить его для уничтожения в другое место, то этим достигается необходимая безопасность работ при проведении испытаний. Операции повторяют поочередно с другими аналогичными пироболтами для различных температур и темпов нагрева до получения статистики, достаточной для определения зависимости максимальной рабочей температуры корпуса пироболтов Т от времени нагрева (темпа нагрева) и по полученной зависимости судят о работоспособности пиротехнических изделий при тепловом воздействии. Выбор темпов нагрева и температур для инициирования ПИ может быть, вообще говоря, произвольным. Но для экономии дорогостоящих образцов ПИ при испытаниях программу испытаний желательно составлять таким образом, чтобы обойтись минимальным количеством образцов для достижения требуемой точности результата. При выборе значений темпов нагрева и температур корпуса пироболтов можно использовать, например, следующий метод. В качестве начального темпа нагрева выбирают максимально возможный, который обеспечивает используемое устройство нагрева (см. фиг. 3). Верхней границей температурного диапазона для искомой Т может служить температура самопроизвольного срабатывания ТБудем считать ее известной, поскольку известен способ ее определения (патент RU 2583979, опубл. 10.05.2016). Нижней границей может служить максимальная известная рабочая температура ПИ, указанная в паспорте. Если ПИ является новой разработкой, то за нижнюю границу можно взять и комнатную температуру. Тогда на первом шаге (n=1) испытуемое ПИ инициируют при температуре, соответствующей середине выбранного таким образом диапазона. В результате получают либо штатное срабатывание, либо отказ. Берут новый диапазон, нижней границей которого служит максимальная температура, при которой ПИ штатно срабатывало или, если таковой нет, начальная температура. Верхней границей берут минимальную температуру, при которой происходил отказ или, если таковой нет, температуру самопроизвольного срабатывания ПИ. Следующее ПИ инициируют при температуре, соответствующей середине нового интервала. И так продолжают далее. С каждым шагом n интервал, в котором лежит искомая температура, сокращается в два раза. На восьмом шаге, например, он сократится в 2=264 раза. Это значит, что израсходовав восемь ПИ, можно определить искомую температуру Т практически с погрешностью порядка 1°С в предположении, что для большинства известных пиротехнических составов температура самопроизвольного воспламенения не превышает 260°С. Определив Т для начального темпа нагрева, можно перейти к следующему темпу нагрева. Величину нового темпа можно взять вдвое меньше. И так далее. Четыре-пять полученных таким образом точек зависимости Т от темпа нагрева даст удовлетворительное начальное представление обо всей кривой. При необходимости можно всегда уточнить результат, проведя испытания для других выбранных темпов нагрева. Таким образом, полученная зависимость от времени Т для пироболтов представлена на фиг. 3.
В качестве примера для иллюстрации осуществления заявленного способа использовались ПИ с электрическим инициированием. Но способ можно использовать и для других ПИ, которые можно дистанционно инициировать в течение короткого промежутка времени при достижении заданной температуры в процессе нагрева. Например, хлопушки с тросовым приводом.
шср
шсрдх
При уменьшении темпов нагрева зависимость Т от времени становится более пологой и начиная с некоторого характерного времени вырождается в горизонтальную прямую. Предельное значение этой зависимости Т является максимальной температурой для своего вида ПИ, при длительном хранении ниже которой ПИ всегда остается работоспособным. Знание максимально допустимой температуры при длительном хранении обеспечивает надежность срабатывания ПИ после длительного хранения и, как следствие, безопасность использования изделий, в которых использованы ПИ.
В частности, при спуске космических аппаратов с орбиты земли при нештатных ситуациях за счет аэродинамического нагрева могут реализовываться высокие темпы нагрева ПИ, близкие к постоянным.
шср
Имея такую характеристику ПИ, как зависимость Т от темпа нагрева, можно сказать, произойдет или нет штатное срабатывание, если известна кривая нагрева конструкции, в которой установлен корпус ПИ.
Можно решать и обратную задачу. Если известен момент отказа срабатывания, то можно судить о температуре и темпе нагрева корпуса ПИ в этот момент времени.
Все вышесказанное подтверждает достижимость заявленного технического результата.