ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
DETONATION ENGINE

Область техники
Изобретение относится к конструкции детонационного двигателя, использующего твердое топливо. Изобретение может быть использовано в ракетостроении, например, в конструкциях ракетных двигателей на твердом детонирующем топливе, в области военной техники при производстве снарядов или ракет, в народном хозяйстве для получения мощного импульса, без применения тяжелой техники.
Уровень техники
Известен способ работы и устройство пульсирующего детонационного двигателя с последовательно срабатывающими кассетами - RU 2245449 С1 (опубликовано: 27.01.2005, кл. F02K 9/08). Способ работы пульсирующего детонационного двигателя включает в каждом рабочем цикле: инициирование заряда взрывчатого вещества; расширение продуктов детонации и взаимодействие продуктов детонации с отражателем последующей кассеты, обеспечивающее создание единичного тягового импульса. После инициирования очередного заряда продукты детонации формируются в направленную струю и истекают в сторону отражателя последующей кассеты. До момента взаимодействия продуктов детонации с отражателем последующей кассеты происходит формирование падающей ударной волны и сброс отражателя инициированной кассеты, сопровождающийся увеличением площади поперечного сечения отражателя при сохранении его целостности. После момента взаимодействия реализуется фаза двойного отражения - ударная волна догоняет отброшенный отражатель, отражается от него и вторично воздействует на отражатель последующей кассеты. Пульсирующий детонационный двигатель включает скрепленные между собой соосно, последовательно срабатывающие кассеты. Каждая из кассет оснащена зарядом взрывчатого вещества, средством инициирования и отражателем. Отражатели выполнены в виде камер, обращенных днищем в сторону, противоположную направлению движения двигателя. Боковые поверхности отражателей имеют продольные ослабляющие конструкцию насечки, обеспечивающие после инициирования заряда разделение боковой поверхности на сегменты, скрепленные с днищем.
К недостаткам такого двигателя для ракет относятся:
- кассеты (двигатели) в такой ракете соединены друг с другом винтами по периметру кольцевых выступов и при разделении кассет работают на срез. Т.к. инициация и сброс кассет происходит в свободном полете, то вероятность того, что винты срежутся одновременно чрезвычайно низка и в таком случае продукты реакции взрывчатого вещества (ВВ) обязательно создадут неуравновешенный боковой импульс, уводящий ракету от предполагаемой траектории и уменьшая целесообразность применения такой ракеты;
- к объему детонирующего ВВ в кассетах не применено требование «тонкости» -когда единица массы ВВ распределена на возможно большей площади. В отсутствии гасящих ударную волну между кассетами устройств, распространяющая в прочных корпусах кассет, ударная волна заставит срабатывать ВВ в кассетах со скоростью распространения ударной волны, а наличие кумулятивных выемок в ВВ только ускорит этот процесс, прожигая днища еще не сработавших кассет, и подрывая ВВ во всех кассетах до начала инициации кассет электроимпульсом по заложенной программе;
- невозможность отрегулировать взрывной процесс, а именно: одинаковое раскрытие лепестков во многих кассетах, вследствие этого разброс параметров полета каждой ракеты будут очень значительным.
Известен кинетический артиллерийский снаряд - RU 2291375 С1, (опубликовано 10.01.2007, кл. F42B 12/06), выбранный в качестве прототипа, который содержит боевую часть и реактивный ускоряющий двигатель. Двигатель включает твердотопливную шашку, помещенную в его трубчатом корпусе и связанную с дистанционным инициирующим устройством. Твердотопливная шашка выполнена из автономных зарядов высокобризантного взрывчатого вещества, каждый из которых размещен в продольно примыкающих друг к другу стаканах, имеющих осевой передаточный канал и закрытых со стороны боевой части демпфирующими прокладками. Боевая часть представляет собой монолитную головку, жестко связанную непосредственно с трубчатым корпусом двигателя, внутри которого укреплен многослойный бандаж, охватывающий стаканы автономных зарядов. Техническим результатом является придание бронебойной части (БЧ) снаряда дополнительного ускорения при подлете к цели. Данный снаряд имеет узкую специализацию, т.е. только придание бронебойной боевой части (БЧ) дополнительного ускорения при подлете к цели.
Недостатками такого снаряда являются:
- большая часть химической энергии не преобразуется в кинетическую энергию боевой части снаряда. Механический импульс в полной мере передается только через малодеформируемое твердое тело, а демпфирующие прокладки этого сделать не могут;
- расположение по одной оси передаточных каналов приводит к тому, что пока детонационный процесс в первом стакане достигнет своей периферической части, эта же детонационная волна заставить детонировать нижележащие стаканы, уменьшая послойную передачу импульса БЧ. Т.к. фронт детонационной волны от первого стакана будет распространяться с одинаковой скоростью, что вдоль по передаточным каналам (тонкие демпфирующие прокладки этому не помеха), что поперек оси полета, то детонационные волны, срабатывающих стаканов будут гасить друг друга;
- тонкие деформирующие днища стаканов не в состоянии передать какую-либо часть импульса детонационной волны массивной БЧ и не предотвращают нижележащие слои ВВ от преждевременного подрыва при разрушении днищ стаканов;
- при срабатывании ВВ в донной части изделия будет происходить послойное разрушение бандажа и наружного корпуса снаряда, что неизбежно приведет к «кувырканию» снаряда на трассе полета из-за появления неуравновешенного бокового импульса от нарушения аэродинамической формы и боковых выбросов газов от ВВ. В последствие это приведет не только к уводу БЧ от цели или попаданию в цель боковой или хвостовой частью снаряда, но и даже к уменьшению первоначальной кинетической энергии, если вдруг при «кувыркании» ВВ сработает не по ходу, а навстречу полету снаряда.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка детонационного двигателя, использующего твердое детонирующее топливо, который может быть применим во всех сферах, где необходимо получение мощного механического импульса. Например, в военном деле для метания макротел (пули, гранаты, мины, снаряды и т.п. для создания устройств с боевым темпом стрельбы в сотни тысяч выстрелов в минуту); в ракетостроении (для ускоренной доставки космических аппаратов к небесным телам); в народном хозяйстве (например, при забивке анкеров в труднодоступных местах горных склонов и на сводах горных выработок, для получения сверхвысоких давлений при синтезе новых материалов, где полезным грузом для ракеты будет выступать или головка анкера или поршень цилиндра и т.д.).
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является увеличение КПД детонационного двигателя за счет использования многократного отражения детонационной волны от отработавшей ступени и самого двигателя; эффективное преобразование химической энергии ВВ в механический импульс за счет многократного отражения детонационной волны.
Поставленная задача решается тем, что, согласно техническому решению, заявляемый детонационный двигатель включает детонатор взрывчатого вещества, полезный груз и, по меньшей мере, одну пару соединенных детонационных элементов, представляющих собой два соосно расположенных диска, первый из которых соединен с детонатором взрывчатого вещества, а последний сопряжен с полезным грузом, при этом одна сторона каждого диска выполнена плоской, а другая сторона диска выполнена сложнопрофильной, и содержит, по меньшей мере, две концентрические канавки -внутреннюю и внешнюю, сообщающиеся между собой посредством прохода, кроме того, в каждом диске выполнено запальное отверстие, расположенное оппозитно проходу относительно центра диска в одном из дисков пары во внешней канавке, а в другом - во внутренней канавке. В канавках каждого диска, а также в проходе и запальном отверстии, размещено твердое детонирующее взрывчатое вещество. Запальные отверстия каждого диска из пары выполнены разноразмерными, имеют равный диаметр, также равный ширине прохода. Твердое детонирующее взрывчатое вещество может быть выполнено на основе гексогена, октогена, пластида или других твердых детонирующих ВВ. Каждый диск пары детонационных элементов выполнен из металла или ударопрочной пластмассы. Толщина дисков значительно меньше диаметра и находится в соотношении от 1:10 до 1:40, а глубина канавок в дисках составляет 0,2÷0,9 толщины диска, детонационные элементы соединены между собой посредством байонет либо храповика, либо ударопрочного клея, либо зафиксированы с помощью тонкостенной наружной оболочки из металла или пластмассы.
Краткое описание чертежей:
Заявляемое изобретение поясняется следующими изображениями:
Фиг. 1 - схематичное изображение вертикального разреза детонационного двигателя в направляющей (пусковой установке);
Фиг. 2 - вид сверху на диск с запальным отверстием во внешней канавке;
Фиг. 3 - вид сверху на диск с запальным отверстием во внутренней канавке;
Фиг. 4 - разрез А-А диска из Фиг. 1 (выполнен не в масштабе);
Фиг. 5 - вид I из Фиг. 4 (выполнен не в масштабе);
Фиг. 6 - вид сверху одной пары детонационных двигателей в сборе;
Фиг. 7 - фотография частей соснового бруса, на котором был произведен опыт по реализации назначения заявляемого изобретения.
Позициями на чертежах обозначены:
1. Направляющая;
2. Детонационный диск;
3. Сложнопрофильная деталь;
4. Детонатор взрывчатого вещества;
5. Запальное отверстие;
6. Наружная стенка;
7. Внешняя канавка;
8. Внутренняя стенка;
9. Внутренняя канавка;
10. Центральный стержень;
11. Проход;
12. Плоская сторона диска.
Осуществление изобретения
В качестве топлива в реактивном детонационном двигателе использовано твердое детонирующее ВВ, у которого скорость разлета продуктов реакции гораздо выше скорости истечения газовых струй из сопла современных твердотельных и жидкостных реактивных двигателей.
Известно, что давление  детонационной волны на твердую поверхность определяется соотношением
,
где ρ - плотность ВВ,
D - скорость детонационной волны,
U - скорость разлета продуктов реакции.
Выражая силу F через давление , имеем: , где:
S - площадь действия силы.
В то же время знаем, что изменение импульса Р системы равно интегралу от силы по времени:
Так как ρ, D, U и S не зависят от времени, имеем:
импульс
где Δt - время действия детонационной волны.
Из формулы (1) следует, что для увеличения передаваемого полезному грузу импульса от определенного количества ВВ, кроме наличия максимальных значений плотности, скорости детонации и скорости разлета продуктов реакции, желательно распределить это ВВ по максимальной площади, ограничиваясь критическими значениями параметров детонации по толщине укладки. Увеличение времени, в течении которого срабатывает ВВ в ступени необходимо для того, чтобы материал ступени мог бы иметь возможность, исходя из механических характеристик материала и без разрушения передать в полной мере импульс следующей ступени и в конечном итоге - полезному грузу.
Эти выводы, вытекающие из (1) и определяют геометрические параметры детонационного элемента (ступени) двигателя. Ступень, должна быть сравнительно тонкой, плоской (не иметь выпуклостей), а взрывчатое вещество необходимо разместить в максильно длинную канавку или канавки для данной площади ступени, соблюдая условие неразрушимости ребер жесткости и днища ступени при применении конкретного вида взрывчатого вещества.
1
2
n
1
Заявляемый детонационный двигатель представляет собой конструкцию, включающую детонатор ВВ 4, полезный груз (ПГ) и, по меньшей мере, одну пару детонационных элементов ДЭ и ДЭ'. Детонационные элементы ДЭ и ДЭ' представляют собой ступени двигателя (C, С) и соединены между собой соосно посредством соединения байонет либо храповика, либо ударопрочного клея, либо зафиксированы с помощью тонкостенной наружной оболочки из металла или пластмассы (на чертежах не показаны). С последней ступенью (C) сопряжен полезный груз (ПГ), а с первой ступенью (C) - детонатор ВВ 4.
1
n
Пара детонационных двигателей ДЭ и ДЭ' представляет собой два соосно расположенных и примыкающих к друг другу диска 2 и 2', соответственно. Таким образом, первый диск (C) ракеты подсоединен к детонатору ВВ 4, а последний диск (С) связан с полезным грузом ПГ.
Толщина дисков 2 и 2' значительно меньше диаметра дисков и находится в соотношениях от 1:10 до 1:40.
Максимальное количество пар дисков 2 и 2' в двигателе определяется типом применяемого ВВ, размерами самих дисков и величиной заданной скорости ПГ, а также его массой. Однако, для эффективной работы двигателя достаточно и одной пары дисков 2 и 2'.
1
2
Детонационные элементы ДЭ и ДЭ' могут также располагаться непосредственно в стволе пусковой установки - направляющей 1. Так на Фиг. 1 показан многоступенчатый детонационный двигатель с парой дисков 2-2', размещенных в направляющей 1. При этом первая ступень (C) представляет собой диск 2, а вторая ступень (С) представляет собой диск 2'.
Детонационный элемент ДЭ или ДЭ' (или диск 2, 2') представляет собой сложнопрофильную деталь 3, внутрь которой помещено твердое взрывчатое вещество на основе гексогена, октогена, пластида или других твердых ВВ. Диск выполнен из металла или ударопрочной пластмассы, например, из нержавеющей стали или алюминия и т.п.
Одна сторона каждого диска выполнена плоской 12, а другая сторона диска выполнена сложнопрофильной, и содержит, по меньшей мере, две концентрические канавки - внутреннюю 9 и внешнюю 7. Канавки выполнены равной ширины и глубины и сообщаются между собой посредством прохода. Диски одной пары размещены таким образом, что к плоской стороне одного диска примыкает сложнопрофильная сторона другого диска. Канавки 7, 9 обычно выполняют на станке путем точения или фрезерования, и они могут быть концентрическими. Число канавок зависит от размеров диска (толщина, диаметр), вида, применяемого ВВ, материала корпуса диска и других параметров и их количество может быть более двух. Так в случае наличия трех и более канавок, каждый последующий проход будет диаметрально противоположен другому проходу.
При укладке ВВ в канавках 7 и 9 единица массы ВВ распределена на возможно большей площади, толщиной не меньше критических параметров детонации, таким образом, разлет продуктов детонации в поперечном направлении к оси диска будет не существенным, что увеличивает КПД использования ВВ. Таким образом, предпочтительная глубина канавок 7 и 9 в диске 2 (2') составляет 0,2÷0,9 толщины диска 2 (2') и зависит от вида ВВ. Канавки 7 и 9 сообщаются между собой посредством прохода 11. Соответственно, проход 11 также имеет глубину 0,2÷0,9 толщины диска и также предназначен для укладки ВВ.
Канавки 7 и 9 предназначены для удлинения времени срабатывания массы ВВ, заключенного в диске 2 или 2', т.к. известно, что время полной реакции ВВ при линейном (в длину) распределении больше, чем при двумерном равномерном распределении того же количества ВВ по площади.
Внешняя кольцевая канавка 7 диска 2 (2') одной стороной примыкает к наружной кольцевой стенке 6 диска, а другой стороной - к внутренней стенке 8. Внутренняя стенка 8 разделяет кольцевые канавки 7 и 9 соответственно и представляет собой в разрезе неполное кольцо. Наружные кольцевые стенки 6 и внутренние стенки 8 дисков являются ребрами жесткости для передачи при срабатывании ВВ возникающих напряжений последующей ступени (С) и в конечном итоге полезному грузу ПГ.
Центральная часть 10 диска выполняет роль жесткого стержня, как и ребра жесткости для передачи импульса полезному грузу (ПГ).
Таким образом, стенки 6, 8 и центральный стержень 10 направляют продукты реакции ВВ в нормальном к плоскости диска направлении, т.е. соосно направлению полета двигателя и предотвращают преждевременной подрыв плоской стороны 12 дисков.
В каждом диске 2 и 2' выполнено одно сквозное запальное отверстие 5 и 5' соответственно. В запальных отверстиях 5, 5' диска 2, 2' также помещено твердое детонирующее ВВ (см. Фиг. 1).
Запальное отверстие расположено оппозитно проходу относительно центра диска в одном из дисков пары во внешней канавке, а в другом - во внутренней канавке. Таким образом, пары дисков собраны из элементов, имеющих запальные отверстия в разных канавках, что обеспечивает направленное распространение детонационной волны последовательно из одного диска в следующий.
Запальные отверстия 5 и 5' дисков 2, 2' расположены противоположно проходу 11 относительно центральной части 10. В диске 2 запальное отверстие 5 выполнено во внешней кольцевой канавке 7. А во втором диске 2' запальное отверстие 5' выполнено во внутренней кольцевой канавке 9. Данные запальные отверстия 5 и 5' первого 2 и второго дисков 2' имеют одинаковый диаметр d.
Диаметры d запальных отверстий 5 и 5' по меньшей мере в два раза больше критического параметра детонации для используемого конкретного вида ВВ, в целях гарантированного воспламенения следующей ступени. Ширина L прохода 11 равна диаметру d запальных отверстий 5 и 5'.
Диаметр D центральной части 10 исходя из требований к виду ВВ и материала изготовления диска должен выдерживать импульс от отработавшей ступени (С).
При этом в случае выполнения дисков с большим количеством канавок, например, три или четыре, запальные отверстия будут располагаться во внешней кольцевой канавке для одного диска, и во внутренней кольцевой канавке для второго диска.
Заявляемый двигатель работает следующим образом.
1
1
2
Инициируют подрыв детонатора 4, в результате чего взрывается твердое детонирующее ВВ, помещенное в канавках 7, 9 диска 2 первой ступени С. При срабатывании твердого ВВ, заключенного в канавках диска 2, детонационная волна, начиная с точки инициации ступени d (диск 2 на Фиг. 1), проходит по канавкам 7, 9 первой ступени C и, достигнув запального отверстия 5, проходит через плоскую сторону 12 диска 2, инициируя тем самым детонацию ВВ второй ступени С - диск 3.
В случае, если запальное отверстие 5' первой ступени находится во внутренней канавке (диск 2'), то детонация ВВ второй ступени (диска 2) начнется с центральной части второй ступени и закончится на периферии второй ступени, откуда детонационная волна через запальное отверстие 5 второй ступени (диска 2) проходит к третьей ступени (следующему диску 2') и по канавкам 7, 9 начнет распространятся от периферии к центральной части третьей ступени.
Таким образом детонация проходит последовательно по всем ступеням, исключая возможность несанкционированной инициации ВВ других ступенях.
Продукты реакции детонирующего ВВ передают механический импульс детонирующим элементам ДЭ и ДЭ' и, т.к. ВВ находится в замкнутом объеме между двумя дисками, то при взрыве топлива - ВВ, детонационная волна, отражаясь от плоской стороны уже отработавшего диска, возвращается к месту своего возникновения. Таким образом, при многократных отражениях детонационные волны всех ступеней передают, в конечном итоге, дополнительный импульс полезному грузу ПГ. В этом состоит эффект многократного отражения детонационной волны ВВ от отработавших ступеней, приводящего к наиболее эффективному преобразованию химической энергии ВВ в механический импульс полезного груза.
Предлагаемые конструкции детонационных двигателей очень эффективны для метания макротел. Известно, что в ствольном оружии, работающем на принципе давления пороховых газов, скорость метания ограничена и лучшие образцы достигают лишь скорости в 1750-1800 м/с, а при метании реактивным принципом скорость может достигать гораздо больших значений. Таким образом, достигается значительная скорость перемещения полезного груза при сравнительно небольших затратах ВВ.
При применении традиционных ракет для достижения таких скоростей требуется длительное время работы двигателей в свободном пространстве. А в случае использования заявляемых детонационных двигателей из-за высокой скорости детонационных процессов, передача импульса полезному грузу будет происходить за очень короткое время в пределах части длины направляющей пусковой установки, что продемонстрировано проведенными испытаниями.
Пример конкретного выполнения
Изготовлен детонационный двигатель в соответствии с заявляемой формулой изобретения, содержащий 18 дисков (9 пар детонационных элементов), размещенных в тонкостенном алюминиевом корпусе, выбранном в качестве наружной оболочки как системы соединения детонационных элементов. В таком корпусе детонационные элементы плотно прилегают друг к другу, отсутствует осевое их смещение.
Характеристики изготовленного двигателя:
общий вес - 54 грамма,
полезный груз - шарик подшипниковый [сталь] диаметр 15,1 мм, вес 14 грамм,
внутренний диаметр оболочки детонационного двигателя -16 мм,
длина из 18 ступеней без шарика - 82 мм,
масса топлива / вид ВВ - 5,17 грамм / фульминат ртути,
количество ступеней - 18 шт,
материал корпуса двигателя - алюминий;
толщина корпуса диска - 4 мм,
глубина канавок - 2 мм,
диаметр диска 16 мм,
ширина прохода в дисках - 2 мм,
диаметр запальных отверстий в дисках - 1 мм,
толщина наружных и внутренних кольцевых стенок и - 2 мм,
диаметр центральной части - 2 мм,
пусковая установка - стальная труба с внутренним диаметром в 17 мм и длиной 450 мм.
Результаты
В результате подрыва ВВ полезный груз (шарик) отброшен на значительное расстояние. Скорость шарика была определена методом баллистического маятника по высоте подъема маятника весом 4720 грамм, на подвесе длиной 1780 мм. Скорость шарика равнялась 1305 м/с, что значительно выше скорости любой стрелковой системы. Двигатель запускался в горизонтальном направлении через направляющую, закрепленную на горизонтальной поверхности скотчем, что свидетельствует о малой отдаче.
Другие аналогичные опыты дали такие результаты: стальной шарик пробил насквозь 640 листов стопки книг и застрял в штукатурке кирпичной стены на глубине 25 мм, а в другом опыте шарик углубился в торец сухого соснового бруса сечением 150X150 мм на глубину 140 мм (см. Фиг. 7). Таким образом, заявляемое изобретение существенно повышает КПД детонационного двигателя, за счет оптимального использования площади детонационных элементов, и взаимосопряжения их между собой.