ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ДАВЛЕНИЯ
GAS-DYNAMIC PRESSURE SOURCE

Изобретение относится к газодинамическим устройствам, источником энергии которых являются газогенерирующие заряды, в частности, взрывчатого вещества (ВВ). Изобретение может быть применено в различных областях техники, где необходимы источники сжатого газа, обеспечивающие выполнение полезной работы при его расширении. Большое распространение получили газодинамические источники давления, в которых газ образуется непосредственно перед совершением работы в результате химической реакции в твердых или жидких веществах, обеспечивающих максимальную плотность реагентов, а значит, их небольшое количество для образования единицы объема газа.
Известен газодинамический источник давления, используемый в экспериментальных ствольных баллистических установках по пат. RU №2135927, опубл. 27.08.1999. Указанный источник содержит корпус, в котором размещен полый цилиндрический пороховой заряд со стержневым осевым воспламенителем и средством воспламенения, в качестве которого использован детонирующий шнур, введенный в полость камеры через отверстие в торце корпуса. В противоположном торце выполнен газовывод - отверстие, через которое продукты взрыва воздействуют на нагружаемый объект. При воздействии механического или электрического импульса на детонатор последний, срабатывая, возбуждает детонацию в прутке ВВ или детонирующем шнуре. Ударная волна и продукты детонации, воздействуя на пороховой заряд, поджигают его. Образующиеся при этом пороховые газы вместе с продуктами детонации перетекают через газовывод в смежный объем, где совершают полезную работу, например разгоняют метаемый объект в стволе баллистической установки.
Недостатком указанного устройства является относительно невысокая скорость наполнения корпуса газом, обусловленная низкой скоростью горения пороха (0,01-0,1 км/с) и относительно небольшим давлением реакции горения, что приводит к снижению коэффициента полезного действия (КПД).
Известен другой газодинамический источник давления по патенту RU 2300070, публ. 27.05.2007, выбранный в качестве ближайшего аналога. Источник давления состоит из камеры высокого давления, в корпус которой помещен газогенерирующий заряд, например заряд ВВ, соединенный с источником инициирования, например электродетонатором через, например, подрывной кабель, пропущенный через отверстие ввода линии инициирования, соосно которому установлен перемещаемый элемент газогенерирующего заряда. Соосно отверстию под ввод линии инициирования во внутренней полости камеры установлен перемещаемый элемент цилиндрической или цилиндроконической формы, в котором также выполнены один или два канала под подрывной кабель, которые смещены относительно отверстия под ввод линии инициирования. Величина смешения канала или каналов от оси в перемещаемом элементе должна быть не менее диаметра отверстия ввода линии инициирования. Перемещаемый элемент установлен в выемке корпуса, форма которой соответствует форме перемещаемого элемента. В противоположном торце камеры выполнено отверстие под газовывод для вывода газа высокого давления, которое используют для воздействия на нагружаемый объект, установленный на участке разгона. Для снижения пиковых нагрузок на нагружаемый объект отверстие под газовывод выполняют с относительно небольшой площадью поперечного сечения. Такой источник давления работает следующим образом. Подачей электрического импульса по линии инициирования задействуют электродетонатор, который производит подрыв заряда ВВ. Вследствие этого происходит повышение давления в камере и перемещаемый элемент под действием продуктов взрыва (ПВ) примыкает к выемке, отсекает провода линии инициирования и перекрывает отверстие под ввод линии инициирования, исключая выход ПВ из него, а следовательно, и потери давления в камере. После этого вся энергия газа высокого давления воздействует на нагружаемый объект через газовывод.
Недостаток ближайшего аналога связан с тем, что такая конструкция газодинамического источника давления накладывает ограничение на диаметр отверстия под газовывод, который не может быть большим из-за влияния пиковых нагрузок на нагружаемый объект на фронте разлета ПВ, которые могут привести к разрушению. Высокая скорость протекания детонационных процессов и высокое давление в зоне химических реакций приводят к быстрому заполнению камеры газообразными продуктами детонация, однако детонационное разложение ВВ и последующее расширение ПВ сопровождаются неравновесным распределением давления, максимальное значение которого в ПВ может в десятки раз превышать конечную величину, устанавливающуюся после заполнения газом всего объема камеры. В этом случае снизить пиковые нагрузки на конструкционные элементы газодинамического источника давления можно, если подобрать определенные материалы и увеличить их толщину, но при этом нельзя защитить такими методами нагружаемый объект, т.к. его массогабаритные характеристики являются заданными. Выполнение отверстия под газовывод с уменьшенной площадью поперечного сечения для снижения пиковых нагрузок позволяет этого достичь только для небольших скоростей движения нагружаемого объекта, а при необходимости получения высоких скоростей газ из камеры не успевает перетекать, что приводит к колебательному режиму разгона объекта и уменьшению его максимальной скорости.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей за счет возможности обеспечения более высоких скоростей движения нагружаемого объекта.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в газодинамическом источнике давления, включающем камеру высокого давления с внутренней полостью, в которую помещен газогенерирующий заряд ВВ, при этом на одном из торцов камеры выполнен газовывод, а на противоположном - ввод линии инициирования газогенерирующего заряда ВВ, соединяющей его с источником инициирования, расположенным вне камеры, новым является то, что:
2
1
- площадь поперечного сечения отверстия под газовывод или, в случае выполнения нескольких отверстий под газовывод, суммарная площадь их поперечных сечений D составляет не менее 0,25 от площади поперечного сечения внутренней полости камеры D;
2
- площадь поперечного сечения отверстия под ввод линии инициирования газогенерирующего заряда ВВ составляет 0,01-0,05 от площади поперечного сечения отверстия или суммарных площадей поперечных сечений отверстий под газовывод D;
- отверстие под газовывод закрыто мембраной, а в случае выполнения нескольких отверстий под газовывод каждое закрыто мембраной, разрушаемой под действием давления продуктов взрыва газогенерирующего заряда ВВ;
1
2
- толщину мембраны δ выбирают исходя из соотношения площадей поперечных сечений D/D и величины ρ, определяемой соотношением массы ВВ газогенерирующего заряда к объему внутренней полости камеры, в соответствии со следующим выражением:
1
2
2
δ≤0,7+(D/D)+0,002ρ,
на разрушаемой мембране могут быть выполнены насечки глубиной 0,3-0,6 от толщины.
Выполнение газовывода либо в виде одного отверстия, площадь поперечного сечения которого составляет не менее 0,25 от поперечного сечения внутренней полости камеры, либо в виде нескольких отверстий, суммарная площадь поперечных сечений которых составляет не менее 0,25 от поперечного сечения внутренней полости камеры, позволяет обеспечить истечение всего образовавшегося газа в стационарном режиме.
Наличие разрушаемой мембраны позволяет эффективно выравнивать давление внутри источника давления и обеспечивает уменьшение бризантного действия на нагружаемый объект, что снижает ограничение на размер отверстия для выхода ПВ из него. Т.о. мембрана снижает пиковые нагрузки на нагружаемый объект.
Выбор толщины мембраны связан с необходимостью ее раскрытия в требуемый момент, что приводит к обеспечению требуемого режима истечения газа.
Выполнение отверстия под ввод линии инициирования заряда ВВ, площадь поперечного сечения которого составляет 0,01-0,05 от плошали поперечного сечения отверстия или суммарных площадей поперечных сечений отверстий под газовывод, позволяет истекать газу через отверстие или отверстия под газовывод, а не через отверстие под ввод линии инициирования, при этом нет необходимости использовать в конструкции перемещаемый элемент, как в ближайшем аналоге.
Выполнение на разрушаемой мембране насечек определенной глубиной облегчает ее раскрываемость.
На фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство, где: 1 - корпус камеры; 2 - заряд взрывчатого вещества: 3 - электродетонатор; 4 - разрушаемая мембрана: 5 - нагружаемый объект.
3
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить газодинамический источник давления, в котором газ образуется в результате детонации заряда ВВ и который предназначен для использования в экспериментальных ствольных баллистических установках. Газодинамический источник давления включает камеру высокого давления с объемом внутренней полости, составляющим 100 см. В полости размещен газогенерирующий заряд ВВ - 10 гр. На одном из торцов камеры выполнено отверстие под газовывод, а на противоположном - отверстие под ввод линии инициирования газогенерирующего заряда ВВ, соединяющей его с источником инициирования, расположенным вне камеры. В качестве источника инициирования использован электродетонатор. Отверстие под газовывод выполнено с площадью поперечного сечения, составляющей 0,25 от площади поперечного сечения внутренней полости камеры, отверстие газовывода закрыто стальной мембраной, разрушаемой под давлением продуктов взрыва газогенерирующего заряда ВВ, толщина которой составляет 1 мм, отверстие под ввод линии инициирования газогенерирующего заряда ВВ выполнено с площадью поперечного сечения, составляющей 0,01 от площади поперечного сечения отверстия под газовывод. На разрушаемой мембране выполнены три радиальных насечки глубиной 0,3 от толщины мембраны.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Подачей электрического импульса по линии инициирования задействуют электродетонатор 3, который производит подрыв газогенерирующего заряда ВВ 2. Ввиду высокой скорости протекания детонационных процессов камера мгновенно заполняется газообразными продуктами детонации. Вследствие этого происходит повышение давления в камере 1, давление на фронте детонационной волны достигает нескольких паскалей. Под действием продуктов взрыва, отражаемых от разрушаемой мембраны 4, она деформируется и разрывается по радиальным насечкам, выполненным на мембране. После чего энергия газа высокого давления воздействует на нагружаемое тело 5 через газовывод, исключая, ввиду большой скорости истечения газа и определенного соотношения диаметров отверстий под газовывод и под линию ввода инициирования заряда ВВ, выход ПВ из последнего, а следовательно, и потери давления в камере. Вышедшие газы разгоняют метаемый объект в стволе баллистической установки. Проведенные эксперименты подтвердили возможность обеспечения по сравнению с ближайшим аналогом более высоких скоростей движения нагружаемого объекта, что существенно расширяет функциональные возможности газодинамического источника давления.