ИМПУЛЬСНЫЙ ГАЗОГЕНЕРАТОР
IMPULSE GAS GENERATOR

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для генерирования газов, и может быть использовано для наддува подушек безопасности, авиажелобов для эвакуации пассажиров, спасательных плотов и т.п.
Уровень данной области техники характеризует конструкция динамичного генерирования газов, образующихся при горении пиротехнического заряда, которые посредством сопла выдаются направленным потоком для целевого использования (см. Гладков И.М., Ермаков Ю.П. и др. «Двигатели специального назначения импульсного типа на твердом топливе, М., ЦНИИ-информ, 1990, с. 104).
Указанная конструкция представляет собой микродвигатель закрутки летательного аппарата с целью его гироскопической стабилизации на траектории автономного полета.
Этот прямоточный реактивный двигатель, ориентированный под углом к направлению движения, содержит твердотопливную канальную шашку, размещенную в цилиндрическом корпусе, покрытом теплозащитным слоем.
По торцам корпуса смонтированы держатель электровоспламенителя и сопловая крышка, закрытая в служебном обращении тарелью.
Пиротехническая шашка по наружной поверхности имеет три продольных зига, образующих с примыкающим корпусом газоводы к выпускному соплу.
Этот реактивный микродвигатель обеспечивает импульс тяги не ниже 2 кгс⋅с при массе шашки 10 г.
Для образования импульса тяги меньше 1 кгс⋅с используется реактивный микродвигатель по патенту RU 2382222 C1, F02К 9/08, 2010 г., который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному газогенератору.
Известный импульсный микродвигатель ракетного снаряда включает камеру сгорания с выпуклым дном, цилиндрическую канальную шашку твердого топлива (функциональный газогенерирующий заряд), установленную между опорами, закрепленными в камере сгорания, закрытой крышкой, несущей инициатор воспламенения - пиропатрон.
Особенностью конструкции известного микродвигателя является размещение в канале шашки форсажной трубки, соединяющей электровоспламенитель с ресивером, образованным выпуклым глухим дном камеры и торцом функционального заряда, который воспламеняется огневым форсом инициирования, распределяемым посредством донного рассекателя.
Ресивер через продольные (центральное и периферийные) каналы шашки сообщается с объемом под газопроницаемым коническим фильтром, перекрывающим объем под крышкой, где смонтированы газоводы, питающие выпускные сопла, направленные под углом к продольной оси устройства.
На фильтре задерживается конденсированная фаза сепарируемых газообразных продуктов горения функционального заряда.
Донный ресивер служит для перемешивания газовых потоков из камеры сгорания, выравнивания давления и температуры, которая при реверсировании снижается, а несгоревшие топливные частицы оседают на дне камеры, где догорают.
Косонаправленные реактивные струи генерируемого газа, выходящие из выпускных сопел, закручивают вокруг продольной оси основное изделие, гироскопически стабилизируя тем самым его на траектории автономного полета.
Недостатком известного микродвигателя является инерционность функционирования из-за протяженного пути инициирующего форса пламени от запускающего пиропатрона через форсажную трубку, а донный ресивер, где происходит его распределение и реверсирование на развитую поверхность горения функционального заряда, и аэродинамическое торможение рабочего газового потока на пористом фильтре расширительного объема под крышкой, где смонтированы выходные газоводы сопел.
Это представляет собой техническое ограничение для использования газогенерирующего устройства по наполнению эластичных емкостей спасения в экстремальных ситуациях, в частности подушек безопасности автомобилей.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение технологических возможностей быстродействующего газогенератора.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном импульсном газогенераторе, включающем функциональный заряд в форме канальной шашки, который помещен между газопроводными опорами и размещен с периферийным зазором в камере сгорания, связанной с несоосным выпускным соплом и расположенной между дросселирующей решеткой и диафрагмой сообщения, при этом в крышке камеры сгорания установлен электровоспламенитель, инициирующий воспламенение и горение функционального заряда, согласно изобретению, функциональный заряд выполнен из примыкающих между собой и вписанных в поперечное сечение камеры сгорания канальных шашек, радиально опирающихся на стержни крепления газопроводных опор, представляющих собой диафрагму и дросселирующую решетку, установленную в крышке с возможностью продольного перемещения относительно ее конфузора, направленного в камеру сгорания, а на торце функционального заряда со стороны электровоспламенителя конформно закреплен усилительный пиротехнический заряд, причем ресивер с выпускным соплом сообщается непосредственно.
Другой особенностью изобретения является то, что выпускное сопло расположено тангенциально камере сгорания, а припрессованный к торцу функционального заряда усилительный пиротехнический заряд по открытой поверхности, со стороны электровоспламенителя, выполнен с радиальными каналами.
Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили повышение функциональной надежности и показателей назначения компактного газогенерирующего устройства, характеризующегося быстродействием, при расширении возможностей его адаптивного монтажа в стесненных условиях ограниченного объема основных изделий.
Выполнение функционального заряда из примыкающих между собой и вписанных в поперечное сечение камеры сгорания канальных шашек кратно увеличивает поверхность горения и, следовательно, интенсивность газовыхода, то есть быстродействие устройства по назначению.
Опора шашек функционального заряда на стержни крепления диафрагмы с дросселирующей решеткой крышки формирует автономный топливный моноблок, в котором предотвращены несанкционированные радиальное смещения шашек заряда под действием окружных сил вращения устройства на полете.
Выполнение нижней газопроницаемой опоры функционального заряда в форме диафрагмы формообразует свободный объем камеры сгорания - ресивер и служит для выпуска в него генерируемых в камере сгорания газов организованным потоком распределенных струй, при этом пространственно фиксируя канальные шашки в служебном обращении устройства и во время их горения при его функционировании.
Жесткая резьбовая связь дросселирующей решетки с крышкой определяет геометрическое местоположение топливного моноблока в камере сгорания и относительно ресивера.
Дросселирующая решетка, изменяя давление по квадратичному закону, автоматически регулирует напор форса пламени от электровоспламенителя, распределяя тепловой поток по всему поперечному сечению камеры сгорания для одномоментного инициирования усилительных пиротехнических таблеток на торцах канальных шашек.
Установка дросселирующей решетки в крышке устройства с возможностью относительных продольных перемещений обеспечивает балансировку посредством изменении объема форкамеры между ними, адекватно мощности сменного электровоспламенителя, расширяя тем самым номенклатуру используемых инициаторов.
Установка дросселирующей решетки в стационарной крышке с возможностью продольных относительных перемещений необходимо для балансировки давления инициирующего импульса горячих газов от электровоспламенителя, что позволяет использовать разные штатные типы последнего для создания тарированного подпора на решетке и, следовательно, заданного газодинамического режима обтекания пламенем всей развитой поверхности воспламенения твердотопливного заряда в камере сгорания.
Выполнение в держателе конфузора, направленного в камеру сгорания, ускоряет воспламенение периферии функционального заряда форсом горячих продуктов горения от сработавшего электровоспламенителя за счет принудительного обтекания, что интенсифицирует горение по развитой поверхности.
Размещение ресивера между камерой сгорания и выпускным соплом предназначено для демпфирования потока генерируемых газов и создания газодинамического сопротивления, в результате чего увеличилась скорость горения функционального заряда и быстродействие устройства в целом и обеспечивается равномерный удельный газорасход со стабильной скоростью.
Тангенциальное размещение выпускного сопла относительно камеры сгорания устройства создает конструкционную миниатюрность реактивного микродвигателя, встроенного в габариты летательного аппарата и пригодного для коррекции траектории полета аппарата или его гироскопической стабилизации, а в качестве газогенератора - для наполнения подушек безопасности, аварийных авиатрапов, спасательных плотов и т.п.
Припрессовка конформного усилительного заряда непосредственно к торцу функционального заряда повышает быстродействие за счет сокращения огневой цепи и повышает функциональную надежность устройства.
Выполнение на открытой поверхности таблеток усилительного заряда радиальных каналов, во-первых, развивает поверхность контакта с воспламенительным форсом, а, во-вторых, распределено направляет потоки пламени на периферию функционального заряда для усиления огневого импульса одномоментного воспламенения его по всей поверхности горения, что повышает динамику газогенерирования.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, не присущего признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Сравнение предложенного технического решения с ближайшими аналогами уровня техники не выявило идентичного совпадения совокупности существенных признаков изобретения.
Предложенные отличия импульсного газогенерирующего устройства, которые прямо не следуют из постановки технической задачи, не являются очевидными для специалиста по стрелковому оружию самообороны.
Изготовление импульсного газогенерирующего устройства возможно на действующем механическом производстве серийно.
Из вышесказанного можно сделать вывод о соответствии изобретения условиям патентоспособности.
Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами, которые имеют чисто иллюстративную цель и не ограничивают объема притязаний совокупности признаков формулы, где изображены:
на фиг. 1 - общий вид предложенного устройства в сечении В-В на фиг. 2;
на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг 1;
на фиг. 3 - вид сверху на шашку функционального заряда;
на фиг. 4 - разрез по Б-Б на фиг. 3.
Импульсное газогенерирующее устройство выполнено в форме реактивного микродвигателя длительностью работы 0,1-0,2 с, обеспечивающего импульс тяги не больше 1 кгс⋅с.
Корпус 1, оснащенный крепежным фланцем 2, совмещен с выпускным соплом 3, перекрытым в служебном обращении мембраной 4.
Сопло 3 тангенциально развернуто относительно продольной оси корпуса 1, чем обеспечиваются компактность конструкции и широкие возможности по адаптивному монтажу в установке основного назначения.
Корпус 1 с соплом 3 сообщаются посредством ресивера 5, сформированного между ними.
С противной стороны корпус 1 закрыт крышкой 6 (держателем), в которой установлен центральный электровоспламенитель 7 (пиропатрон), связанный с внешним устройством управления запуском (условно не показано).
В крышке 6 с возможностью относительного продольного регулировочного перемещения по резьбе установлена дросселирующая решетка 8 для распределения огневого импульса от инициатора - электровоспламенителя 7 через ее тарированные окна 9 (фиг. 1, 2), обеспечивающие заданную степень диафрагмирования.
При этом решетка 8 помещена внутри конфузора 10, выполненного на выходе крышки 6, расширяющегося в сторону камеры сгорания - части корпуса 1, где установлены канальные шашки 11 функционального заряда твердого топлива.
Снизу к торцам шашек 11 примыкает диафрагма 12, жестко связанная стержнями 13 крепления (фиг. 2) с решеткой 8, образуя моноблок реактивного топлива.
На верхних по чертежу (фиг. 1 и 4) торцах шашек 11 припрессованы усилительные таблетки 14 из чувствительного к тепловому импульсу пиротехнического состава, которые конформно повторяют геометрию торца канальных шашек 11.
Особенностью выполнения усилительных таблеток 14 является наличие на открытом торце радиальных канавок 15 (фиг 3, 4), назначение которых - перераспределение на периферию шашек 11 огневого форса от сработавшего электровоспламенителя 7.
Функционирует предложенный газогенератор следующим образом.
От внешнего управляющего сигнала срабатывает электровоспламенитель 7, огневой форс которого через конфузор 10 и окна 9 дросселирующей решетки 8 распределенно подается к усилительным таблеткам 14.
Чувствительный к тепловой энергии пиротехнический состав таблеток 14 воспламеняется и активно горит, поджигая примыкающие канальные шашки 11, которые горят по всей развитой поверхности, воспламеняемой форсом пламени инициатора 7, проникающим через их осевой канал, конфузор 10 и окна 9 решетки 8.
Дополнительно к тепловой энергии форса пламени от электровоспламенителя 7, горячие продукты горения по торцу таблеток 14 распределяются по канавкам 15 на периферию, где воспламеняют снаружи шашки 11, стабилизируя скорость их горения.
При горении шашек 11 по развитой поверхности, генерируется большое количество газообразных продуктов, которые через диафрагму 12 поступают в ресивер 5, где перемешиваются, выравнивая давление и температуру. Возросшее давление газов в ресивере 5 демпфирует пульсацию струйной подачи генерируемых газов из камеры сгорания и повышает скорость горения функционального заряда в ней.
При этом резко увеличивается удельный расход газов через сопло 3, которое при прожигании мембраны 4 коммутируется с рабочей емкостью наддува (подушкой безопасности, спасательным плотом или авиажелобом).
В случае использования предложенного газогенерирующего устройства в качестве рулевых микродвигателей реактивная струя из сопла 3 создает импульс тяги, направленный нормально траектории движения летательного аппарата, на котором оно смонтировано, что создает крутящий момент для гироскопической продольной стабилизации полета.
Таким образом, осуществляется разнообразное техническое применение газогенератора по различному назначению, при достижении новизны качества.
Натурные и стендовые испытания опытных образцов предложенной конструкции импульсного газогенератора подтвердили его функциональную надежность и стабильность технических параметров, при широком диапазоне регулирования газодинамических характеристик, что расширяет технологические возможности для практического использования по различному назначению.