ТРЕХСТУПЕНЧАТАЯ ЛЕГКОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА
THREE-STAGE LIGHT GAS PLANT

Изобретение относится к технике получения сверхартиллерийских (порядка 3 км/с и выше), а также космических (порядка 8 км/с и выше) скоростей моделей и ударников в лабораторных условиях.
Известны двухступенчатые легкогазовые баллистические установки [1-4], в которых метаемая сборка (снаряд) ускоряется легким газом (водородом, гелием) сжатым при помощи поршня, ускоренного в поршневом стволе, продуктами сгорания порохового заряда. Недостатки таких легкогазовых установок заключаются в следующем:
- использование пороха накладывает особые требования на организацию работ, оборудование лабораторного помещения и квалификации обслуживающего персонала,
- при быстром нарастании давления (как правило, в таких установках используются быстрогорящие пороха) сложно обеспечить стабильность форсирования (момента страгивания) поршня первой ступени, что приводит к нестабильности основных параметров выстрела. Причем, даже применение в первой ступени диафрагмы [2] не обеспечивает полной воспроизводимости основных параметров выстрела, так как момент прорыва диафрагмы существенно зависит от динамики нагружения [5-6].
Известны трехступенчатые легкогазовые баллистические установки, в которых поршень первой ступени ускоряется продуктами сгорания порохового заряда. Недостатки таких трехступенчатых легкогазовых установок такие же, как и у двухступенчатых установок [1-4].
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является трехступенчатая легкогазовая пушка [7], принятая за прототип изобретения. Трехступенчатая легкогазовая пушка включает главный ствол, который с одной стороны закрыт затвором с запальным устройством, а с другой присоединен к ведущему стволу. Внутри главного ствола расположен главный поршень, который разделяет внутренний объем ствола на пороховую камеру с размещенным в ней пороховым зарядом и главную камеру, заполненную водородом или гелием (первая ступень). Во входной части ведущего ствола размещен ведущий поршень, отделяющий главную камеру от ведущей камеры (внутренний объем ведущего ствола) так же заполненной легким газом (вторая ступень). Другим концом ведущий ствол присоединен к баллистическому стволу, во входной части которого размещен метаемый элемент (третья ступень).
Установка работает следующим образом. При срабатывании запального устройства воспламеняется пороховой заряд, продукты сгорания которого ускоряют главный поршень. В результате движения главного поршня сжимается газ в главной камере. По достижении определенного давления начинает двигаться ведущий поршень сжимающий газ в ведущей камере. По достижении в ведущей камере определенного давления приходит в движение и начинает ускоряться метаемый элемент.
Недостатки описанной трехступенчатой легкогазовой установки заключаются в следующем:
- повышенная опасность проведения работ, связанных с использованием пороха,
- плохая воспроизводимость основных параметров выстрела из-за невозможности обеспечить повторяемость момента страгивания поршня первой ступени и давления прорыва диафрагмы.
Задачей изобретения является увеличение безопасности и живучести установки, повышение стабильности основных параметров выстрела.
Поставленная задача решается тем, что в качестве источника энергии в первой ступени установки вместо пороха используется сжатый газ, например воздух, водород или гелий. Для принудительного прорыва диафрагмы первой ступени используется специальное устройство с подвижной иглой, вмонтированное в дно газовой камеры.
Как и устройство-прототип, установка содержит заполненный легким газом ствол первой ступени, ограниченный с задней стороны поршнем первой ступени и диафрагмой. Передняя сторона ствола состыкована с коническим переходником, к которому последовательно присоединен заполненным легким газом ствол второй ступени. Во входной части ствола второй ступени размещен деформируемый поршень второй ступени, другой конец ствола второй ступени присоединен к камере высокого давления, к которой прикреплен баллистический ствол, содержащий во входной части метаемый элемент и отделенный от камеры высокого давления мембраной. Для достижения поставленной цели задняя часть ствола первой ступени выполнена в виде газовой камеры, снабженной краном с обратным клапаном для заполнения газовой камеры сжатым газом, а дно газовой камеры оборудовано устройством принудительного прорыва упомянутой диафрагмы, выполненным в виде толкающего винта, имеющего возможность перемещать подвижную иглу, взаимодействующую с диафрагмой.
Использование сжатого газа вместо порохового заряда приводит к снижению механических и температурных нагрузок на элементы конструкции. В результате повысится живучесть, надежность и безопасность установки. Это позволит снизить требования к оснащению экспериментального помещения и квалификации обслуживающего персонала, упростить организацию работ в части, связанной с приобретением, хранением и использованием взрывчатых веществ. Принудительный прорыв диафрагмы первой ступени с помощь подвижной иглы повышает стабильность основных параметров выстрела.
На фиг.1 приведен пример конкретного выполнения трехступенчатой легкогазовой установки согласно изобретению. Установка включает газовую (пневматическую) камеру 1, в дно которой вмонтировано устройство прорыва диафрагмы, состоящее из корпуса 2, толкающего винта 3 и подвижной иглы 4. Кроме этого, в стенку газовой камеры вмонтирован газовый кран с обратным клапаном 5, через который она заполняется газом от баллона 6 либо от компрессора 7. К газовой камере присоединен ствол первой ступени 8, заполненный легким газом и отделенный от газовой камеры диафрагмой 9. Во входной части ствола 8 после диафрагмы 9 размещен поршень первой ступени 10. Другим концом ствол первой ступени посредством конического переходника 11 соединен со стволом второй ступени 12, также заполненным легким газом. Во входной части ствола второй ступени размещен деформируемый поршень второй ступени 13, разделяющий внутренние объемы стволов первой и второй ступени. К другому концу ствола второй ступени присоединена конусная камера высокого давления 14. К выходной части камеры высокого давления прикреплен баллистический ствол 15, внутренний объем которого отделен от внутреннего объема ствола второй ступени металлической мембраной 16, за которой расположен метаемый элемент 17.
Установка работает следующим образом. С помощью газового баллона 6 или компрессора 7 через газовый кран 5 газовая камера 1 заполняется легким газом или воздухом до необходимого (расчетного) давления. При вращении толкающего винта 3 он продвигает внутрь газовой камеры подвижную иглу 4, которая прорывает диафрагму 9, после чего под действием сжатого газа поршень 10 начинает двигаться по стволу первой ступени 8 и сжимает находящийся в нем легкий газ. По достижении в стволе первой ступени необходимого давления поршень второй ступени 13 начинает двигаться по стволу второй ступени 12, сжимая газ в стволе второй ступени и в конической камере высокого давления 14. При достижении давления, превышающего давление прорыва мембраны 16, последняя прорывается, и сжатый легкий газ начинает ускорять метаемый элемент 17 вдоль баллистического ствола 15. При входе деформируемого поршня 13 в коническую камеру высокого давления 14 его передний торец ускоряется за счет деформации, порождая дополнительную волну сжатия, что приводит к дополнительному ускорению метаемого элемента - так называемый гидродинамический эффект.
Представленным изобретением достигаются следующие технические результаты:
- благодаря отказу от использования порохового заряда упрощается организация работ, требования к оборудованию лабораторного помещения в части уменьшения пожароопасности помещения;
- использование сжатого газа вместо порохового заряда, приводит к снижению механических и температурных нагрузок на элементы конструкции, к повышению живучести, надежности и безопасности установки;
- использование устройства принудительного прорыва диафрагмы повышает повторяемость опытов за счет надежного контроля экспериментатором давления при прорыве мембраны.
Расчеты показывают, на таких установках могут быть получены космические скорости (порядка 8 км/с и выше).
Литература
1. Леконт К. Высокоскоростное метание. В кн.: Физика быстропротекающих процессов. / Под ред. Н.А. Златина, т.2. М.: Мир. 1971.
2. Кейбл А. Ускорители для метания со сверхвысокими скорстями. В кн.: Высокоскоростные ударные явления. М.: Мир. 1973.
3. Златин Н.А., Красильщиков А.П., Мишин Г.И., Попов Н.Н. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях.: М., Наука, 1974, 334 с.
4. Христенко Ю.Ф. Двухступенчатая легкогазовая установка. Патент РФ №2251063. Опубл. 2005 г. Бюл. №12.
5. Христенко Ю.Ф. Экспериментальные исследования основных внутрибаллистических процессов легкогазовых установок // Междунар. конф. "Всесибирские чтения по математике и механике": Избр. докл. Томск, 17.06.97. Томск: Изд-во Том. гос. ун-та, 1997. Т.2. С.114-122.
6. Христенко Ю.Ф. Исследование зависимости давления прорыва диафрагмы ЛГУ от динамики нагружения. В кн.: Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики. Томск: Изд-во ТГУ, 2000. С.173-174.
7. Piekutowski A.J., Poormon K.L. Development of a three-stage, light-gas gun at the University of Dayton Research Institute. // International Journal of Impact Engineering 33 (2006) p.615-624.