ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ МНОГОКРАТНОГО ВЗВЕДЕНИЯ
MULTIPLE ARMING SAFETY MECHANISM

Изобретение относится к военной технике, а именно к предохранительным механизмам, применяемым в пиросредствах, которые используются в ракетах различного назначения для воспламенения твердотопливных двигателей, газогенераторов, разделения агрегатов и т.д. Указанные механизмы могут быть использованы и в различных взрывательных устройствах, взводящихся по электрической команде.
Предохранительные механизмы повышают безопасность указанных выше изделий, но снижают их надежность за счет усложнения конструкции изделия. Применение предохранительных механизмов, способных многократно взводиться и возвращаться в служебное (невзведенное) положение при подаче соответствующей команды, позволяет увеличить надежность предохранительного механизма за счет многократной проверки взведения в процессе его изготовления и при эксплуатации. Одновременно повышается и безопасность комплексов, например, ракетных, в которых возможна отмена старта ракеты после взведения предохранительных механизмов в пиросредствах и, соответственно, необходим их возврат в служебное положение.
Известен взрыватель по патенту US №3658009 от 25.04.1972, МПК F42b 5/08, содержащий поворотный ротор с отверстием, который в служебном положении перекрывает огневой канал между электроинициатором и выходным пиротехническим зарядом.
Поворотный ротор выполнен из постоянного магнита с диаметрально расположенными полюсами, который имеет возможность вращаться вокруг оси и размещен внутри статора с обмоткой. В служебном положении ротор удерживается силами притяжения постоянного магнита к корпусу, выполненному из ферромагнитного материала. Статор имеет полюсные выступы, смещенные относительно исходного положения ротора на 90°.
Для взведения на обмотку статора подается ток определенной полярности и ротор, взаимодействуя с полюсными поверхностями статора, поворачивается на 90°, ориентируя имеющееся в нем отверстие соосно с электроинициатором и зарядом. Возврат в служебное положение происходит при обесточивании обмотки статора под действием сил, возникающих в результате взаимодействия постоянного магнита и ротора с ферромагнитным материалом корпуса. Поворот ротора и фиксация его в служебном положении обеспечивается тем, что в этом положении зазоры между полюсами ротора и корпусом минимальны и, соответственно, сила притяжения между ними имеет максимальную величину.
Недостатком данного предохранительного механизма является необходимость подачи напряжения на обмотку статора в течение всего времени взведенного положения ротора. Это обстоятельство затрудняет использование данных устройств из-за ограниченных возможностей источников электропитания на борту ракеты, а также из-за необходимости увеличения размеров обмотки статора для обеспечения ее теплоустойчивости при длительной подаче тока.
Известен взрыватель по патенту US №5279226 от 18.01.1994, МПК F42C 15/40, содержащий поворотный ротор с диаметрально закрепленным на нем постоянным магнитом.
В служебном положении два отверстия с закрепленными в них концами детонирующих шнуров смещены примерно на 90° относительно двух электродетонаторов, расположенных в поворотном роторе, который может вращаться внутри обмотки статора, перемещаясь из служебного положения во взведенное и обратно в зависимости от полярности напряжения, подаваемого на обмотку статора.
Поворот ротора обеспечивает сила, возникающая при взаимодействии магнитных полей статора и постоянного магнита.
В крайних положениях ротор фиксируется двумя подпружиненными фиксаторами, размещенными в корпусе механизма и упирающимися своими торцами в лунки, выполненные на боковой цилиндрической поверхности ротора.
При повороте ротор отжимает фиксаторы из лунок. В конечной фазе поворота фиксаторы утапливаются пружинами в другую пару лунок, фиксируя ротор в этом крайнем положении.
Для ограничения угла поворота ротора на его боковой цилиндрической поверхности выполнен паз и в крайних положениях стенки этого паза упираются в фиксатор, неподвижно закрепленный в корпусе механизма.
Для исключения несанкционированного взведения взрывателя от воздействия механических нагрузок ротор в служебном положении дополнительно фиксируется предохранительной чекой, которая вручную удаляется при установке взрывателя на объект или непосредственно перед стартом объекта.
Недостатком данного механизма является ограниченная устойчивость к механическим воздействиям и, как следствие этого, необходимость применения предохранительной чеки. Однако, применение чеки обеспечивает устойчивость к механическим воздействиям только в служебном обращении до ее удаления. Данный недостаток особенно существенен при использовании механизма в ракетной технике, так как на полете ракеты возникают значительные вибрационные и ударные перегрузки, вызванные работой двигателей и срабатыванием различных пиротехнических устройств.
Недостаточная устойчивость к механическим воздействиям не позволяет обеспечить высокую надежность и безопасность изделия. Повысить устойчивость к механическим воздействиям рассматриваемого устройства можно только путем увеличения силы давления фиксаторов на ротор, но увеличение этой силы ограничено величиной вращающего момента ротора, который в свою очередь ограничен габаритами механизма и режимом питания обмотки статора.
Наиболее близким по формальным признакам и достигаемому результату является предохранительный механизм по авторскому свидетельству СССР №100347 от 08.10.1976, М. Кл. F42c 15/00, содержащий корпус с верхней и нижней крышками, в котором установлен поворотный якорь, выполненный в виде «Н»-образного элемента с жестко установленными в нем двумя постоянными магнитами с противоположной полярностью и магнитопровод, выполненный из четырех параллельно расположенных электромагнитов с выступающими сердечниками, оси которых параллельны оси вращения якоря и равноудалены от нее. Также предохранительный механизм содержит устройство контроля взведения и возврата, взаимодействующее с постоянным магнитом, состоящее из двух концевых микропереключателей, с возможностью переключения ими цепей питания и контроля в двух крайних положениях механизма (служебном и взведенном).
Фиксация поворотного якоря в служебном и взведенном положениях осуществляется взаимодействием постоянных магнитов с сердечниками одной из пар электромагнитов.
Для взведения механизма на штыри разъема подается постоянное напряжение. В результате взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов и электромагнитов происходит переброс постоянных магнитов, а следовательно, и поворотного якоря в другое крайнее положение к сердечникам следующей пары электромагнитов.
При повороте якоря поворачивается вокруг своей оси предохранительная заслонка, связанная с якорем с помощью шпильки, открывая путь форсу от первичного заряда ко вторичному.
В начале поворота в результате взаимодействия штока микропереключателя с кулачковым выступом поворотного якоря происходит подготовка цепи питания обмоток электромагнита к возврату и разрыв цепи контроля служебного положения.
На конечном этапе поворота кулачковый выступ якоря вступает во взаимодействие со штоком микропереключателя и последний вызывает отключение цепи питания, выдавая одновременно информацию по замыканию контактов о положении предохранительного механизма.
Недостатками данного механизма являются большие габариты и масса по сравнению с предлагаемым изобретением, более сложная конструкция, а также пониженная устойчивость к виброударным нагрузкам.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание предохранительного механизма многократного взведения с уменьшенными габаритами и массой, возможностью контроля служебного (невзведенного) и взведенного положения и повышенными показателями надежности и устойчивости к виброударным нагрузкам.
Поставленная задача достигается тем, что в предохранительном механизме многократного взведения, содержащем корпус с верхней и нижней крышками, в котором установлен поворотный якорь с постоянным магнитом, магнитопровод, выполненный из параллельно расположенных электромагнитов с выступающими сердечниками, оси которых параллельны оси вращения якоря и равноудалены от нее, и устройство контроля взведения и возврата, взаимодействующее с постоянным магнитом, верхняя крышка корпуса выполнена из диамагнитного материала, а нижняя - из ферромагнитного, в корпусе размещен поддон с отверстиями, а также установлены втулки из диамагнитного материала, в которых размещены винты из ферромагнитного материала, соединяющие крышки с корпусом, магнитопровод выполнен в виде двух параллельно расположенных электромагнитов, сердечники которых выполнены из ферромагнитного материала с покрытием из диамагнитного материала, поворотный якорь выполнен в виде свободно поворачивающегося ротора с каналами, причем каналы в роторе и отверстия в поддоне выполнены таким образом, что в служебном положении механизма они не совмещаются друг с другом, а во взведенном положении - совпадают, образуя канал для огневой цепи, а устройство контроля взведения и возврата выполнено в виде двух герконов, размещенных в колодке, установленной у одного из полюсов постоянного магнита, причем постоянный магнит в крайних положениях примыкает к сердечникам электромагнитов и втулкам с винтами, фиксируя его во взведенном или служебном положении.
Уменьшение габаритов и массы предохранительного механизма достигается путем упрощения конструкции с одновременным сохранением или даже увеличением показателей надежности за счет уменьшения количества деталей в механизме (один постоянный магнит вместо двух, два электромагнита вместо четырех), а также за счет исключения сил, препятствующих повороту ротора, от воздействия на него других деталей, например, микропереключателей. Повышение устойчивости к виброударным нагрузкам обеспечивается применением симметричного ротора и исключением из конструкции перемещающихся деталей с эксцентриситетом, например, заслонки, которая при определенных условиях может переключаться из служебного положения во взведенное. Использование герконов в устройстве контроля взведения и возврата позволяет повысить надежность предохранительного механизма, так как для работы герконов не нужно использовать механическое воздействие ротора, а используется только магнитное поле постоянного магнита, а также тот факт, что контакты геркона впаяны в герметичную стеклянную колбу и не подвержены воздействию внешней среды.
Таким образом, совокупность и взаимосвязь предлагаемых технических решений обеспечивает достижение поставленной цели.
Конструктивное оформление предохранительного механизма многократного взведения представлено на фиг. №№1, 2, 3, 4, 5; схема электрическая принципиальная - на фиг. 6.
Фиг. 1 - продольный разрез Б-Б предохранительного механизма; Фиг. 2 - поперечный разрез А-А предохранительного механизма в служебном положении;
Фиг. 3 - продольный разрез В-В предохранительного механизма в служебном положении;
Фиг. 4 - поперечный разрез Г-Г предохранительного механизма во взведенном положении;
Фиг. 5 - продольный разрез А-А предохранительного механизма во взведенном положении;
Фиг. 6 - схема электрическая принципиальная предохранительного механизма.
Предохранительный механизм содержит корпус 1 с размещенным в нем ротором 2 с постоянным магнитом 3, который своими полюсами притянут к одному из сердечников 4 из ферромагнитного материала с покрытием из диамагнитного материала и одному из винтов 5 из ферромагнитного материала. В корпусе 1 размещены два электромагнита 6 и две втулки 7 из диамагнитного материала, соединенные нижней крышкой 8 из ферромагнитного материала и верхней крышкой 9 из диамагнитного материала с помощью винтов 5 и 10.
Выводы катушек электромагнитов 6 соединены по схеме электрической принципиальной.
В служебном положении каналы 11 в роторе 2 смещены относительно отверстий 12 в поддоне 13, размещенном между инициатором 14 и ротором 2, который удерживается в крайнем положении силой притяжения постоянного магнита 3 к одному из сердечников 4 и винтов 5. Контакты геркона 15 разомкнуты, геркона 16 замкнуты. Отверстия 12 в поддоне 13 при их совмещении с каналами 11 ротора 2 образуют огневую цепь между инициатором 14 и зарядом 17.
Описание работы устройства: взведение предохранительного механизма осуществляется подачей на выводы катушек электромагнитов 6 постоянного напряжения величиной 27 В определенной полярности. Под действием сил, возникающих при взаимодействии постоянного магнита 3 и электромагнитов 6, ротор 2 поворачивается из одного крайнего положения в другое. При этом каналы 11 ротора 2 совмещаются с отверстиями 12 в поддоне 13, открывая огневую цепь между инициатором 14 и зарядом 17, контакты геркона 15 замыкаются, а контакты геркона 16 размыкаются. Возврат предохранительного механизма в служебное положение осуществляется аналогично взведению, но напряжение на катушки электромагнитов 6 подается обратной полярности. Ротор 2 поворачивается в исходное положение, контакты геркона 15 размыкаются, а контакты геркона 16 замыкаются.
Пример реализации устройства: корпус 1 и втулки 7 выполнены из дюраля, винты 5 и 10 - из стали, ротор 2 - из латуни. Постоянный магнит 3 выполнен из материала 25Х12К2БА ГК и после намагничивания имеет коэрцитивную силу не менее 40 кА/м и индукцию на одном из полюсов не менее 0,15Т. Электромагниты 6 соединены таким образом, что сопротивление электрической цепи составляет 5,4 Ом и при подаче на них напряжения один электромагнит 6 работает на отталкивание постоянного магнита 3, другой - на притягивание. Магнитодвижущая сила электромагнитов 6 при подаче на них постоянного напряжения определенной величины начинает превышать силу притяжения постоянного магнита 3 к сердечнику 4 электромагнита 6 и винту 5. Диамагнитное покрытие из цинка толщиной 40 мкм сердечников 4 и толщина стенки диамагнитной втулки 7 в месте ее контакта с постоянным магнитом 3 величиной 0,35 мм обеспечивают условия, при которых напряжение переключения находится в пределах 10-20 В (фактически 12-18 В). Безопасный ток для подобных устройств составляет 0,5А, что в данной конструкции соответствует напряжению 2,7 В. Таким образом обеспечивается более чем 3-х кратный запас по безопасному напряжению переключения (10:2,7=3,7 раза). Рабочее напряжение для подобных устройств составляет 27 В. Таким образом, запас по напряжению надежного переключения составляет 1,35 (27:20=1,35 раза). В процессе изготовления подобные предохранительные механизмы проходят многократные проверки напряжения переключения, что гарантирует их работоспособность в дальнейшем. Время переключения предохранительного механизма также соответствует требованиям, предъявляемым к подобным устройствам (не более 0,2 с). По результатам испытаний время переключения находится в пределах (20-30) мс. Таким образом, получаем не менее чем 6-ти кратный (200:30=6,6 раза) запас по времени переключения.
Характеристики материалов, из которых изготавливаются магниты 3, например материала 25Х12К2БА ГК, изменяются (снижаются) незначительно (не более, нескольких процентов) при хранении и эксплуатации в течение 20 лет при температуре от плюс 50 до минус 50°С. В этом случае надежность переключения даже повышается, так как фактическое напряжение переключения снижается, а безопасность уменьшается незначительно с учетом 3-х кратного запаса по минимальному напряжению переключения.
Опытные образцы предохранительного механизма многократного взведения прошли успешные испытания на базе АО «НИТИ им. П.И. Снегирева» на стойкость к транспортированию, виброустойчивость и устойчивость к ударным нагрузкам, а также проверку безопасности огневой цепи в служебном положении и надежности срабатывания огневой цепи во взведенном положении предохранительного механизма. Подтверждены ожидаемые величины напряжения переключения и времени переключения (взведения и возврата) предохранительного механизма.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что при реализации изобретения поставленная задача - создание предохранительного механизма многократного взведения с уменьшенными габаритами и массой, возможностью контроля служебного (невзведенного) и взведенного положения и повышенными показателями надежности и устойчивости к виброударным нагрузкам решена, а заявленный технический результат - снижение габаритов и массы, повышение надежности и безопасности устройства - достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле изобретения признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения заявленного технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, относится к области военной техники, а именно к предохранительным механизмам, применяемым в пиросредствах, и предназначенных для воспламенения твердотопливных двигателей, газогенераторов, разделения агрегатов;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке и известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, причем используемые решения не являются очевидными для специалиста и явным образом не следуют из уровня техники. Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «промышленная применяемость» и «изобретательский уровень», согласно существующим в законодательстве требованиям, предъявляемым к изобретению.