ЛАЗЕРНЫЙ ПИРОПАТРОН

Полезная модель относится к области помехозащищенных средств инициирования для применения в качестве источников газов высокого давления при задействовании различных узлов авиационной и ракетно-космической техники и других транспортных средств, например, отсечных клапанов, механизмов разделения ступеней ракет-носителей, устройств аварийного спасения и покидания.
Системы на основе лазерного инициирования энергетических материалов позволяют существенно повысить безопасность их работы, так как в них отсутствует возможность передачи на заряд энергетического материала импульсов наведенных от электромагнитных помех электрических токов, разрядов статического электричества, способных вызывать несанкционированное воспламенение.
Главными преимуществами пиротехнических устройств на основе инициирования лазерным излучением являются: малые потери мощности излучения при доставке излучения к устройству, малое время его срабатывания, небольшие массогабаритные характеристики оптических кабелей. Оптический кабель является электрическим изолятором, лучше защищен от агрессивного воздействия окружающей среды (колебания температуры и влажности, агрессивные среды), более безопасен по критериям взрывоопасности и пожароопасности.
Известен патент США (№3812783 от 03.08.1972 г., F42B 3/113) на лазерный детонатор, излучение к которому подводится по оптическому волокну от источника – высокоэнергетического лазера. У торца оптоволокна размещена собирающая линза, фокусирующая импульс излучения в пятно с максимальной плотностью излучения на поверхности тонкой металлической пленки, испаряя ее с высокой скоростью с образованием ударной волны, инициирующей взрывчатое вещество, находящееся за этой пленкой.
Недостатками данного устройства являются высокие пороговые энергии импульса излучения инициирования, что исключает применение в качестве источника излучения современных малогабаритных лазерных диодов, невозможность варьировать плотность мощности излучения на поверхности заряда.
Известен патент РФ (№ 2424490 от 20.07.2011 г., F42B 3/113, F42C 19/09) на предохранительный детонатор для промышленного применения во взрывоопасных средах при проведении горных работ, состоящий из толстостенного корпуса-гильзы, в которой находится чашечка с инициирующим взрывчатым веществом, заряд основного взрывчатого вещества, воспламенитель, оптоволоконной линии подвода энергии, проходящей через пробку для герметизации корпуса. Линия подвода энергии по оптоволокну подведена к короткофокусному объективу, состоящему из четырех линз – входной, двух собирающих и одной рассеивающей. В фокусе объектива в проставке внутри гильзы размещено затравочное вещество, воспламеняемое импульсом светового излучения.
Недостатки данного устройства – сложность устройства объектива для фокусировки излучения, который состоит из четырех линз, что вызывает высокие потери мощности излучения. Также подобное устройство не гарантирует работоспособности после воздействия интенсивных механических нагрузок или высоких температур из-за возможного взаимного смещения линз с потерей фокусирующей способности объектива.
В качестве прототипа был выбран патент РФ (№206625от 17.09.2021 г., F42B 3/113) на лазерный пироэнергодатчик, состоящий из контактной части, в которой находится колодочка с выемкой, содержащей инициирующий заряд из тринитрорезорцината свинца на оптической прокладке, к которой вплотную прилегает полированный с обоих концов отрезок волокна, закрепленный в оптическом зонде – металлической втулке, установленный на резьбе в колодочке контактной части с герметизацией резьбы эпоксидным компаундом. С наружной части на конец оптоволоконного зонда надевается разрезная центрирующая втулка для соосного соединения вплотную с оптическим разъемом с транспортным оптоволокном для подачи излучения. Контактная часть присоединяется резьбой к корпусу, в котором находится передаточный заряд, обтюрирующий конус и основной заряд, поджатый форсажной втулкой. При подаче импульса излучения инициирующий заряд воспламеняется, через канал в корпусе воспламеняет передаточный заряд, продукты сгорания которого воспламеняют основной заряд и одновременно закрывают канал в корпусе, выталкивая в него обтюрирующий конус, тем самым предотвращая утечку назад к контактной части продуктов сгорания.
Недостатком данного пироэнергодатчика является сложность в обеспечении герметичного и прочного соединения волокна с оптическим зондом по всей его длине, а также корпуса зонда с колодочкой, что может привести к прорыву газов от сгорания инициирующего заряда и демонтажу кабеля подачи излучения с его повреждением.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является разработка лазерного пиропатрона для применения его как источника давления в рабочем объеме агрегатов или как средства воспламенения, срабатывающего от источника лазерного излучения, подведенного через оптоволокно, обеспечивающего надежную герметичность корпуса устройства до и после задействования.
Поставленная задача решается за счет того, что лазерный пиропатрон (фиг.1), состоящий из следующих частей: корпуса 1, установленного в нем сплошного оптического вкладыша 2 из прозрачного материала с постоянным показателем преломления, фокусирующего излучение, установленного вплотную к задней поверхности вкладыша рабочего пиротехнического заряда 3 и поджимающей его с другой стороны кольцевой гайки 4, позволяет обеспечить герметичность после срабатывания, так как присутствует фокусирующий излучение сплошной оптический вкладыш, позволяющий выдержать напор газов от срабатывания пиротехнического заряда благодаря отсутствию в нем отверстий.
Принцип работы лазерного пиропатрона (фиг.2)заключается в следующем: импульс излучения подводится в корпус пиропатрона 1 в виде расходящегося пучка. Расходящийся пучок излучения проходит через оптический вкладыш 2 из материала с постоянным показателем преломления, имеющий выпуклость, преломляющую излучение за счет кривизны поверхности. Благодаря этому расходящийся пучок превращается в сходящийся, проходит через всю толщину оптического вкладыша и падает на поверхность прилегающего к вкладышу с обратной стороны рабочего пиротехнического заряда 3. Излучение, сфокусированное на поверхности заряда, воспламеняет его. Оптический вкладыш сдерживает продукты сгорания пиротехнического заряда и рабочее давление, создаваемое пиропатроном. Продукты сгорания рабочего пиротехнического заряда истекают из пиропатрона в рабочий объем пироагрегата через кольцевую гайку 4.
Оптический вкладыш может выполняться с градиентным распределением показателя преломления в радиальном направлении относительно его оси (фиг.3). При этом фокусировка излучения происходит не за счет криволинейной поверхности, преломляющей его, а по всей толщине оптического вкладыша за счет изменяющегося в радиальном направлении показателя преломления. Оптическая схема фокусировки пучка излучения на поверхности пиротехнического заряда для такого оптического вкладыша (фиг.4).