УСТРОЙСТВО ТОРМОЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С РАКЕТНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
BRAKING DEVICE OF VEHICLE WITH ROCKET ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения и эксплуатации транспортных средств, в частности к оборудованию, повышающему безопасность эксплуатации автотранспортных средств.
С каждым годом растет число автомобилей на городских дорогах и скорости движения на междугородних автомагистралях, что приводит к росту числа опасных катастрофических ситуаций. Для обеспечения безопасности движения и избегания столкновения или наезда, очень важно обеспечить эффективное торможение. Современные тормозные системы экстренного торможения автомобилей с применением антиблокировочной системы (АБС), устройств с датчиками скорости торможения и усилителями тормозов обеспечивают достаточную высокую степень безопасности за счет применения автоматики. Но ввиду того, что классические тормозные системы работают на основе трения колес о поверхность дороги, то эффективность торможения ограничена и сильно зависит от состояния дорожного покрытия и соответственно от погодных условий, что иногда сводит на нет все достижения современных тормозных систем.
Существующие системы торможения практичны, не требуют больших затрат на обслуживание и эффективны в обычных рутинных условиях езды. Но в аварийных ситуациях при дефиците времени и дистанции эти системы являются недостаточными. Поэтому логичным было бы при возникновении аварийной ситуации в дополнении к существующим системам торможения добавить системы торможения на основе реактивных сил с применением реактивных двигателей. Наиболее простыми, легкими по весу и относительно дешевыми среди реактивных двигателей являются ракетные двигатели твердого топлива и однокомпонентные ракетные двигатели. Эти двигатели не требуют постоянного контроля за собой, достаточно лишь применительно к автомобилям производить их осмотр и проверять срок годности при ежегодном техническом осмотре. При этом немаловажен факт высокой надежности этих двигателей в эксплуатации.
Существует изобретение CN 101927757 A (Automobile emergency brake - перевод с китайского на английский). В этом изобретении, которое можно принять в качестве аналога, имеется ракетный двигатель (далее сокращенно - РД), расположенный в передней части транспортного средства, выходное сечение которого (сопловая часть) расположена с наружной передней стороны транспортного средства. Эта ракета управляется по проводу или дистанционно по радиосигналу водителем при отказе обычных тормозов. Как указано в реферате аналога устройство имеет простую конструкцию, оно недорогое и надежное в эксплуатации. К недостаткам аналога можно отнести следующее: ввиду низкого расположения тормозного ракетного двигателя продукты сгорания ракетного топлива могут обжечь людей и вызвать возгорание на встречном транспортном средстве (далее сокращенно - ТС) при их взаимном столкновении и будут застилать обзор самого водителя ТС, а также сильное тормозное усилие РД может создать опрокидывающий момент ТС в сторону торможения.
Другим изобретением, которое можно принять в качестве прототипа является устройство описанное в изобретении CN102029981 А (Four rockets and brake systems for motor vehicles - перевод с китайского на английский). В прототипе предусмотрено использование 4 ракетных двигателей размещенных вблизи 4 колес ТС, которые используются при необходимости экстренного торможения, когда тормозных усилий от обычных тормозов на колесах недостаточно. Как сказано в реферате прототипа использование тормозных РД позволяет быстро остановить ТС, повысить безопасность ТС и снизить число дорожно-транспортных происшествий. У прототипа такие же недостатки, как и у аналога.
Задачей предлагаемого устройства является снижение опасности поражения людей продуктами сгорания РД, устранить задымление обзора перед лобовым стеклом водителя ТС продуктами сгорания РД, а также устранение опрокидывающего момента сил торможения и повышения устойчивости ТС при торможении.
Поставленная задача решается тем, что устройство торможения транспортного средства с ракетным двигателем (далее сокращенно: УТТСРД), содержащее не менее одного ракетного двигателя имеющего возможность создания тормозного усилия с системой управления, отличающееся тем, что выходное сечение большей части ракетных двигателей расположены выше общего центра масс транспортного средства.
В предлагаемом устройстве может быть использован один или большее число ракетных двигателей. Как известно, ракетные двигатели могут быть различной конструкции: ЖРД (РД с жидкостным топливом), РДТТ (РД с твердым топливом), однокомпонентные и др.
Под системой управления в УТТСРД понимается система, которая обеспечивает управление и регулирование включения, выключения, изменения направления вектора и величины силы тяги РД предлагаемого устройства. Система управления может включать в себя электронную систему, электрическую систему или пневмо- или гидравлическую систему, радиосистему, а также комбинированную систему. В простейшем случае позволяет от кнопки управления, находящейся перед водителем ТС, привести в действие РД предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство наиболее эффективно может быть использовано при совместном использовании с современной системой торможения ТС (например, на основе АБС), при включении в завершающей стадии торможения для экстренной остановки ТС, когда все возможности автоматического торможения колес использованы, а скорость сближения ТС с препятствием слишком высока. В этом случае компьютерная система ТС включает последний резерв торможения - ракетные двигатели.
Момент срабатывания ракетных двигателей может определяться в автоматическом режиме, например, микропроцессором (бортовым компьютером) по информации, получаемой от дальномера, радара, датчика скорости торможения, датчика давления, акселерометрических и других датчиков. При этом программа торможения, заложенная в микропроцессор, определяет момент оптимального включения РД для наиболее эффективного режима дополнительного торможения, тем самым, снижая последствия аварийной ситуации. Возможен режим также ручного и дистанционного включения РД.
Таким образом, УТТСРД служит для предотвращения наезда на препятствие, человека или животного или падения с высоты за счет сокращения тормозного пути. Предлагаемое устройство позволяет предотвратить контакт с объектом или снизить разрушительное действие в случае столкновения за счет дополнительного погашения скорости сближения во время столкновения ТС.
Признак «ракетный двигатель, имеющий возможность создания тормозного усилия» означает то, что сила его тяги направлена в сторону обратную направлению движения ТС, т.е. создает силу, тормозящую ТС. При этом угол между вектором скорости общего центра масс ТС и вектором силы тяги РД должен быть близким к 180 градусов, но может отклоняться в пределах 90 градусов в ту или другую стороны.
Выходным сечением РД, как известно, является сечение его сопла, из которого происходит истечение газообразного рабочего тела РД.
Под общим центром масс ТС понимается центр масс всего ТС при его полной загрузке.
Признак «выходное сечение большей части ракетных двигателей расположены выше общего центра масс автотранспортного средства» означает, что у больше половины РД их выходные сечения расположены выше по высоте относительно положения общего центра масс ТС. При этом равнодействующая сил тяги всех РД, создающее тормозное усилие ТС, будет также выше положения общего центра масс ТС, а момент от его действия противоположен моменту от действия сил трения колес и препятствует опрокидыванию ТС в сторону его движения. Кроме того, отличительный признак УТТСРД, благодаря расположению РД выше общего центра масс ТС, обеспечивает удаление огненных (горячих) факелов РД от поверхности дороги и соответственно от людей, а также дым от работы РД не будет мешать обзору водителя ТС.
При классическом способе торможения (при торможении колесами) передние колеса оказываются более перегруженными вертикальной нагрузкой, чем задние колеса. Вследствие этого сила трения на передних колесах больше чем на задних колесах. Поэтому при случайном (или непроизвольном) повороте передних колес или их боковом смещении момент сил трения закручивают ТС с переходом его в юз. В случае использования предлагаемого устройства происходит перераспределение вертикальных нагрузок с передних колес на задние колеса. В результате этого момент от сил трения задних колес оказывается больше момента от сил трения передних колес и суммарный момент сил трения направлен против направления бокового смещения, что приводит к уменьшению бокового разворота и препятствует уходу ТС в юз. Таким образом, применение предлагаемого устройства повышает устойчивость ТС при торможении.
В качестве РД в предлагаемом устройство могут быть применены однокомпонентные РД с использованием высококонцентрированной перекиси водорода (п. 2 формулы изобретения). Действие таких РД основано на реакции разложения перекиси водорода. В них используется перекись водорода обычно от 80 до 99-процентной концентрации. Перекись водорода в чистом виде относительно устойчива, но при контакте с катализатором (например, с серебром) стремительно разлагается на воду и кислород, менее чем за 1/10 миллисекунды, увеличиваясь в объеме примерно в 5000 раз. К сожалению, по «энергетике» оно уступает гидразину и некоторым сложным химическим соединениям (например, тетранитрометану и т.п.), но превосходит их по «экологичности», стоимости, простоте и безопасности применения. РД на основе высококонцентрированной перекиси водорода используются в ракетном ранце US 3243144 (A) (Personel propulsion unit)-1966-03-29 и имеет опыт эксплуатации.
В предлагаемом устройстве могут использоваться ракетные двигатели сопловая часть, у которых отклонена от продольной оси ТС (п. 3 формулы изобретения). Это отклонение сопловых частей РД может быть выполнено в горизонтальной и в вертикальной плоскостях, т.е. вектор силы тяги отдельных РД имеют определенный угол отклонения от продольной оси ТС. Отклонение сопловых частей в горизонтальной плоскости может, например, применяться на грузовом автомобиле, у которого имеется два ракетных двигателя твердого топлива расположенных симметрично относительно продольной оси ТС с соответственно симметричным отклонением сопловых частей РД у правого - вправо, у левого - влево. Такое расположение сопел обеспечивает дополнительную стабилизацию ТС при его боковом смещении. Так, например, при непреднамеренном развороте ТС влево по ходу движения проекция на вектор скорости общего центра масс ТС силы тяги правого РД будет выше, чем левого РД. В результате правый РД будет иметь больший тормозящий эффект, чем левый РД и возникает момент сил, стремящийся развернуть ТС обратно вправо, т.е. уменьшить его непреднамеренный разворот влево. И, наоборот, при непреднамеренном смещении передней части ТС вправо возникает момент тормозных сил, стремящихся развернуть ТС влево. Причем эффект будет выше если сопла РД будут смещены ближе к задней части ТС. В предлагаемом устройстве сопла РД могут иметь также отклонения в вертикальной плоскости от продольной оси ТС для удаления продуктов сгорания топлива РД от попадания на людей, встречные препятствия и во избежание повреждения корпуса ТС. Кроме того, если ось сопла РД будет иметь отклонение от оси корпуса самого РД, то такое РД затруднено будет использовать в качестве самодельных ракет в хулиганских или террористических целях.
В момент резкого включения РД предлагаемого устройства, может возникнуть сильная перегрузка, негативно влияющая на пассажиров и прочность элементов ТС. Во избежание такой перегрузки система может иметь функции регулировки величины равнодействующих сил тяги РД (п. 4 формулы изобретения). Это может осуществляться любым известным способом, например постепенным, т.е. в определенной последовательности включением РД (вначале один РД, затем еще два, далее еще два и т.д.) или путем регулирования силы тяги самого РД.
В предлагаемом устройстве система управления может иметь возможность обеспечить поворот ракетных двигателей параллельно вектору скорости или ускорения общего центра масс автотранспортного средства (п. 5 формулы изобретения). В таком варианте предлагаемого устройства РД могут быть установлены на отдельной поворотной платформе и по команде системы управления, разворачиваться таким образом, чтобы вектор равнодействующей силы тяги РД будет противонаправлен вектору скорости или ускорения общего центра масс ТС. Это обеспечивает торможение ТС даже при потере управляемости и вращении ТС по поверхности дороги.
УТТСРД после срабатывания, и при отсутствии его повреждения, может быть использовано многократно путем замены РД или его подзарядки, подобно огнетушителям. Для каждого отдельно взятого ТС аварийная ситуация - достаточно редкое событие, и поэтому УТТСРД, находясь в постоянной готовности к применению, практически не требует от владельца или персонала постоянного внимания или дополнительного обслуживания, и оно должно проверяться только при очередном техническом осмотре транспортного средства.
Предлагаемое устройство может применяться на различных ТС: на автомобилях, поездах, самолетах, судах и других ТС. В авиации, например, УТТСРД может применяться для торможения самолета на палубе авианосца.
На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, состоящее из двух РДТТ, установленных на кузове грузового автомобиля, у которых сопловые части отклонены от продольной оси ТС (п. 3 формулы изобретения).
На фиг. 2 изображено предлагаемое устройство, размещенное на крыше легкового автомобиля и включающее в себя РД с однокомпонентным топливом перекисью водорода (п. 2 формулы изобретения), размещенным на поворотной платформе (п. 5 формулы изобретения) и с регулированием силы торможения при включении РД (п. 4 формулы изобретения).
Предлагаемое устройство, изображенное на фиг. 1 содержит два РДТТ поз. 1, расположенные симметрично относительно продольной оси ТС на верхней задней части кузова грузового автомобиля. У РДТТ поз. 1 оси сопловых частей имеют отклонения относительно осей их цилиндрических корпусов в горизонтальной и в вертикальной плоскостях и относительно продольной оси ТС. Внутри кабины имеется бортовой компьютер (далее сокращенно - БК) поз. 2. В кабине рядом с водителем на передней панели расположена кнопка поз. 3 включения экстренного торможения, соединенная электрическими связями поз. 4 с бортовым компьютером поз. 2. От каждого РДТТ поз. 1 к БК поз. 2 идут электрические связи, которые объединяются попарно между собой до входа в БК поз. 2. Одна пара электрических связей поз. 5 предназначена для передачи электрических импульсов от БК поз. 2 на электрические пиропатроны системы запуска, предназначенной для воспламенения заряда и запуска РДТТ поз. 1. А другая пара электрических связей поз. 6 предназначена для передачи электрических импульсов от БК поз. 2 к узлам отсечки тяги, предназначенные для полного обнуления тяги, т.е. для отключения РДТТ поз. 1. Пиропатроны и узлы отсечки являются составными частями РДТТ поз. 1 и поэтому отдельно на фиг. 1 не показаны. Имеется также акселерометр поз. 7 для измерения ускорения ТС вдоль его продольной оси, соединенный с помощью электрических связей поз. 8 с БК поз. 2.
Предлагаемое устройство, изображенное на фиг. 1 работает следующим образом. С включением двигателя автомобиля включается его бортовой компьютер поз. 2. При возникновении аварийной ситуации водитель, использовав обычную тормозную систему и понимая, что ее возможности не позволяют на имеющейся дистанции безопасно затормозить ТС, нажимает на кнопку поз. 3 включения экстренного торможения. Сигнал включения по связям поз. 4 передается на БК поз. 2, который в свою очередь тут же передает по электрическим связям поз. 5 импульсы на запуск одновременно обоих РДТТ поз. 1. Силы тяги РДТТ поз. 1 затормаживают автомобиль до его полной остановки. БК поз. 2 при этом анализирует показания акселерометра поз. 7, передаваемые по электрическим проводам поз. 8. В момент остановки автомобиля акселерометр поз. 7 передает на БК поз. 2 показания о нулевом ускорении ТС, который в свою очередь по связям поз. 6 передает электрический импульс на узлы отсечки РДТТ поз. 1, т.е. на их отключение.
Предлагаемое устройство, изображенное на фиг. 2, содержит БК поз. 2, РД на основе перекиси водорода имеющий 3 сопла Лаваля поз. 9, соединенные через трубопроводы с двумя гидроаккумуляторами поз. 10 с жидкой перекисью водорода, которые связаны с помощью трубопроводов с баллоном поз. 11 со сжатым азотом высокого давления. При этом центральное сопло соединяется с гидроаккумуляторами поз. 10 через клапан-регулятор поз. 12 и газогенератор поз. 13, а два других сопла соединяются с газогенератором поз. 13 параллельно через свои клапан-регуляторы поз. 14. В газогенераторе поз. 13 находится катализатор, при контакте с которым перекись водорода начинает бурно разлагаться с выделением энергии, превращаясь в кислород и воду. Клапан-регуляторы поз. 12, 14 соединены электрическими связями поз. 15, 16 с БК поз. 2 и имеют возможность открываться и закрываться по команде БК поз. 2, причем два клапан-регулятора поз. 14 включаются одновременно по одной команде. Описанные выше составляющие РД расположены на поворотной платформе поз. 17, расположенной на крыше автомобиля над его общим центром масс и может поворачиваться вокруг своей вертикальной оси с помощью привода поз. 18, управляемого через связь поз. 19 БК поз. 2. На платформе поз. 17 расположены два акселерометра: продольный акселерометр поз. 20 и поперечный акселерометр поз. 21, которые через связи поз. 22, 23 связаны с БК поз. 2. Продольный акселерометр поз. 20 расположен таким образом, что он измеряет ускорение вдоль направления вектора силы тяги РД, а поперечный акселерометр поз. 21 - перпендикулярно направлению вектора тяги РД. На передней панели расположена кнопка поз. 3 включения экстренного торможения, соединенная электрическими связями поз. 4 с БК поз. 2. В передней части ТС расположен радар поз. 24 связанный связью поз. 25 с БК поз. 2. По показаниям радара поз. 24 БК поз. 2 определяет расстояние до объектов перед ТС и оценивает вероятность столкновения с ними. В автомобиле имеется современная система торможения, которая может управляться БК поз. 2 и ввиду своей известности не показана на рисунках. Сверху платформа поз. 17 с расположенными на ней РД и акселерометрами укрыта съемной крышкой поз. 26 обтекаемой формы прикрепленной к самой платформе поз. 17. Причем перед соплами поз. 9 у крышки поз. 26 имеются быстросъемные части, которые отбрасываются струями продуктов разложения перекиси водорода при включении РД.
Устройство на фиг. 2 работает следующим образом. При включении двигателя автомобиля включается его БК поз. 2, который в постоянном режиме анализирует показания с акселерометров поз. 20, 21. Изначально платформа поз. 17 сориентирована как показано на фиг. 2 и находится в таком положении от состояния покоя до определенного граничного показателя скорости ТС, величина которого зависит от погодных условий (влажности, температуры окружающей среды), т.е. от коэффициента трения и сцепления колес с дорожным покрытием. При превышении граничного показателя скорости БК поз. 2 через связь поз. 19 дает команду на привод поз. 18 для разворота платформы поз. 17 таким образом, чтобы показания поперечного акселерометра поз. 21 было минимальным, а сопла поз. 9 были направлены с отклонением от продольной оси ТС на угол не более 90 градусов в ту или другую сторону. При этом поперечный акселерометр поз. 21 служит датчиком обратной связи, по показаниям которого БК поз. 2 направляет на привод поз. 18 корректирующие команды для поворота платформы поз. 17 в ту или другую стороны, чтобы минимизировать эти показатели. В таком режиме направление вектора возможной тяги РД (при его включении) совпадает с направлением вектора полного ускорения движущегося ТС и таким образом РД готов к эффективному торможению ТС, причем на любом участке траектории движения, как на прямолинейной, так и на криволинейной ее части. Радар поз. 24 в постоянном режиме сканирует зону перед автомобилем, передавая информацию на БК поз. 2, который рассчитывает тормозной путь при торможении колесами до подвижных или неподвижных объектов перед ТС. В случае, когда, рассчитываемый тормозной путь окажется меньше предельного значения, БК поз. 2 посылает команду на включения обычной системы торможения колесами (если она до этого момента еще не задействована водителем) и на открытие клапан-регулятора поз. 12. При этом азот из баллона поз. 11 вытесняет перекись водорода из гидроаккумуляторов поз. 10 в газогенератор поз. 13, в котором перекись водорода превращается в парогазовую смесь высокого давления и далее с ускорением выбрасывается из центрального сопла Лаваля поз. 9. В результате возникает реактивная сила тяги РД, которая начинает тормозить ТС. Через небольшой промежуток времени БК поз. 2 подает команду через связь поз. 16 на открытие клапан-регуляторов поз. 14, через которые парогазовая смесь из газогенератора начинает поступать еще на два крайних сопла Лаваля поз. 9. В результате этого сила тяги РД возрастает и торможение становится более активным. Ступенчатый рост тяги РД уменьшает перегруз людей в ТС. РД работает до момента, когда акселерометр поз. 20 передаст на БК поз. 2 отсутствие перегрузки, т.е. когда ТС остановится. В этот момент БК поз. 2 передает команду на закрытие клапан-регулятора поз. 12. Помимо автоматического режима включения РД в предлагаемом устройстве предусмотрено также ручное включение РД. Такая необходимость может возникнуть, например, если водитель в самый последний момент обнаружит провал в дорожном покрытии, который радар поз. 24 не сможет «увидеть» или когда у автомобиля откажет обычная тормозная система. В этом случае водитель нажимает на кнопку поз. 3 экстренного торможения. Далее БК поз. 2 также как и выше включает обычную систему торможения колесами и одновременно подает команды на управление включением и выключением РД аналогично тому, как это было описано выше. В предлагаемом устройстве включение РД автоматически по команде БК поз. 2 производится еще в случае, когда водителем будет задействована обычная система торможения колесами и одновременно при работе привода поз. 18 платформа поз. 17 повернется относительно продольной оси ТС на угол, превышающий предельное значение при котором автомобиль переходит в юз, т.к. это означает, что автомобиль перешел в неуправляемый обычными средствами торможения режим вращения на поверхности дорожного покрытия. Дальнейшее управление работой РД БК поз. 2 осуществляется подобно тому, как описано ранее.