ПИРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОТДЕЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ТИПА
PYROMECHANICAL SEPARATION SYSTEM OF COMBINED TYPE

Изобретение относится к области взрывного дела, а также разработки средств и систем бортовой и наземной пироавтоматики и может быть использовано на объектах ракетно-космической, авиационной, специальной техники социально-экономического, научного и военного назначения.
Широкое распространение в ряде конструкций реальных современных летательных аппаратов получили пиромеханические устройства и системы (ПМУ и ПМС, соответственно), использующие в качестве исполнительных элементов детонирующие удлиненные заряды бризантных взрывчатых веществ как кумулятивного, так и некумулятивного типов (будем их именовать УКЗ и УЗ, соответственно) [1-3]. Другое прочно закрепившееся название ПМС данного типа - это системы отделения.
В практике проектирования и использования, в первую очередь бортовых ПМС, достаточно часто предпочтение отдается системам отделения на основе УЗ, особенно в тех случаях, когда одновременно с отделением требуется обеспечить метание (отстрел) элемента конструкции со строго заданной скоростью.
Несмотря на большое разнообразие предложенных гипотетических конструктивно-компоновочных схем систем отделения на УЗ практическое применение нашли, главным образом, три схемы.
Известно схема ПМС на УЗ так называемого линейного типа (иногда называется кольцевой) [4, стр.17, рис.1]. Удлиненный заряд пропущен через сквозные отверстия в стяжках, скрепляющих стенки зарядной камеры. При взрыве снаряжения УЗ происходит механическое разрушение стяжек (в местах пропускания через них УЗ); образующиеся продукты детонации и высокоскоростные осколки оболочек УЗ, воздействуя на боковые стенки зарядной камеры, раздвигают отделяемые элементы конструкции. Входящие в конструкцию обтюраторы лабиринтного типа нужны для защиты внутренней части ЛА от продуктов взрыва и копоти. Такие конструкции используются, например, для решения задач аварийного сброса фонаря кабины пилота или отделения кабины вместе с летчиком [1; 4]. Недостатком таких систем является невысокий импульс метания.
Известна ПМС на УЗ на основе линейного устройства разделения (ЛУРа) [2, стр.65, рис.1.35], представляющего собой оплощенную тонкостенную металлическую (чаще всего стальную) трубу-оболочку с эластичным заполнителем внутри. Через заполнитель проходят, как правило, два (для обеспечения требуемого показателя надежности системы) линейных заряда - УЗ (на рис.1.35 [2] УЗ не совсем удачно назван газообразующим шнуром). При детонации УЗ за счет образующихся продуктов детонации происходит деформирование трубы-оболочки, как правило, без разрушения стенок; изначально оплощенная труба принимает форму, близкую в сечении к круглой. При этом происходит срезание (разламывание) силовых элементов и расталкивание разделяемых блоков изделия.
Достоинством ЛУРов является то, что разделяемые конструкции практически не испытывают ударных нагрузок, сильных вибраций; продукты детонации и осколки оболочки УЗ полностью «закапсюлированы» внутри трубы-оболочки. К недостатку, присущему системам отделения на УЗ линейного типа, добавляется еще один - невысокое единообразие действия из-за неминуемого разброса физико-механических характеристик материала, из которого изготовлена труба-оболочка.
Для существенного увеличения импульса метания разработаны и приняты к практическому использованию системы отделения, так называемого поршневого типа [4, стр.17, 22; рис.2,7]. Конструктивно такая система состоит из зарядной камеры кольцевой формы. Внутри зарядной камеры по всей ее длине примерно на оси зарядной камеры размещен УЗ. Роль крышки зарядной камеры выполняет кольцевой поршень, являющийся неотъемлемой частью метаемой (отстреливаемой) конструкции. УЗ играет роль пироэнергодатчика, источника рабочего тела - продуктов детонации.
Для обеспечения сохранения герметичности зарядной камеры в течение достаточно длительного периода разгона кольцевого поршня и воспрепятствования прорыва продуктов детонации через зазор между стенками зарядной камеры и поршня в конструкцию системы включены обтюраторы лабиринтного типа. За счет этого существенно увеличивается импульс метания отделяемой конструкции. Срезающиеся шпильки удерживают кольцевой поршень в исходном положении и препятствуют его самопроизвольному перемещению при транспортировании летательного аппарата, его запуске и во время полета. По сути дела СР поршневого типа представляет собой короткоствольную минометную систему, где роль метательного заряда играет бризантное взрывчатое вещество, являющееся снаряжением УЗ.
Данное техническое решение является наиболее близким по сущности к заявляемому изобретению и принято за прототип.
0
д
0
д
д
0
д
0
0
-3
3
-4
2
2
Анализ предельных возможностей систем отделения поршневого типа показывает, что при реальных геометрических размерах зарядных камер и допустимых уровнях перегрузок такие системы обеспечивают получение скоростей метания до 20-40 м/с [4]. Этого сравнительно легко можно достичь, если, пользуясь терминологией внутренней баллистики ствольных систем [5], плотности заряжания составляют ω/W=(2-20)·10 кг/м, относительные массы ω/М=(1-3)·10, а относительные длины стволов λ=0,5-0,2 (здесь ω - масса взрывчатого вещества в УЗ на единице его длины, кг/м; W - начальный удельный объем зарядной камеры, м; М - приведенная масса метаемого тела к единице длины УЗ, кг/м; λ=x/Н, x - длина ствола (кольцевого поршня), м; Н - начальная высота зарядной камеры, м). Таким условиям заряжания соответствуют начальные давления в зарядной камере порядка р=(50-300) кГ/см.
д
0
0
Однако в ракетно-космической, авиационной и другой технике встречаются часто задачи, требующие метания очень массивных (несколько десятков и даже сотен кг) тел примерно с такими же скоростями (20-40 м/с). В подобных случаях необходимо либо на порядок увеличивать λ, либо (при том же уровне ω/М) резко повышать плотность заряжания ω/W, т.е. в конечном счете - начальное давление p в зарядной камере. Вполне естественно, оба эти пути приводят к необходимости существенного утолщения стенок кольцевой зарядной камеры и как следствие - ее утяжеления, а также к резкому повышению ударных нагрузок и возрастанию перегрузок.
Возможный путь решения данной проблемы - замена УЗ как источника рабочего тела на пороховой заряд, который обеспечит более «мягкое» метание массивных тел с большими скоростями. Однако в этом случае необходимо обеспечить практически мгновенное воспламенение порохового заряда по всему периметру кольцевой зарядной камеры. Добиться этого с применением штатных средств воспламенения практически невозможно. В противном случае неизбежны перекосы и заклинивание кольцевого поршня в процессе его движения в зарядной камере.
Задачей предложенного технического решения является создание пиромеханической системы отделения, обеспечивающей многократное увеличение по сравнению с системой отделения поршневого типа на УЗ импульса метания при сохранении максимального давления в зарядной камере на том же уровне.
Указанный технический результат достигается тем, что в конструкцию известной системы отделения, состоящей из зарядной камеры кольцевой формы с размещенным в ней по всей ее длине на оси удлиненным зарядом бризантного ВВ, метаемого тела в виде кольцевого поршня, срезающихся шпилек и обтюраторов лабиринтного типа, в качестве основного метательного заряда, плотно посаженного в зарядной камере, по всей ее длине, применены элементы трубчатого баллиститного пороха и/или смесевого твердого топлива в виде одноканальных шашек и/или шайб, причем удлиненный заряд бризантного ВВ размещен одновременно на оси канала этих элементов с зазором между корпусом УЗ и сводом порохового и/или топливного элемента, либо применен картуз с зерненным пироксилиновым порохом и/или порохом стрелкового оружия и/или дымным порохом. Удлиненный заряд выполняет, главным образом, роль детонационного воспламенителя, обеспечивающего практически одновременное и мгновенное воспламенение пороха по всему периметру зарядной камеры. Основной же вклад в импульс метания вносят продукты горения пороховых элементов, вследствие чего сохраняя максимальное давление в зарядной камере на одном и том же уровне (и следовательно, не увеличивая прочности зарядной камеры), можно существенно повысить импульс метания. Такую систему отделения можно назвать комбинированной или системой типа «УЗ + порох».
В заявляемой конструкции предлагается использовать в качестве детонационного воспламенителя УЗ в металлических (медных, алюминиевых, стальных, свинцовых) оболочках. Ведущим фактором, определяющим динамику процесса воспламенения пороха, будет ударно-волновой разогрев пороховых элементов под действием высокоскоростных осколков оболочки УЗ. Ударные давления (давления, возникающие при ударе осколка оболочки УЗ по пороховому элементу) по крайней мере на два порядка превосходят так называемые квазистатические давления, создаваемые продуктами детонации, и давления, создаваемые воздушной ударной волной. Они значительно превосходят критические давления, при которых гарантируется возбуждение в пороховом элементе взрывчатого превращения в форме горения. В результате этого задержки воспламенения пороха будут весьма малыми (составят десятые, либо даже сотые доли миллисекунд) и, что особенно важно, очень стабильными. За счет этого будет обеспечено высокое единообразие действия системы отделения.
В качестве основного метательного порохового заряда предлагается использовать гомогенные нитроцеллюлозные пороха (например, трубчатые баллиститные типа НМФ-2, РСИ-12к, или зерненые с несколькими каналами пироксилиновые пороха типа семиканального пороха 4/7), или пороха стрелкового оружия или сферические), либо гетерогенные смесевые пороха (например, традиционный дымный порох марок ДРП, КЗДП), либо смесевые твердые топлива (СТТ) на основе бутилкаучука, полибутадиенов или поливинилизопренов в виде одноканальных трубок, шашек или шайб.
Из пироксилиновых порохов предпочтение должно быть отдано зернененым порохам из-за высокой скорости газообразования как за счет развитой поровой структуры пороховых элементов, так и за счет уменьшения до минимума толщины горящего свода (50÷90 мкм).
На фиг.1 приведена принципиальная схема комбинированной системы отделения «УЗ + порох», в конструкции которой в качестве порохового заряда использован трубчатый баллиститный порох (или одноканальные шашки, шайбы СТТ). В ее состав входят: кольцевой поршень (1); зарядная камера (2); удлиненный заряд (3); элемент трубчатого пороха или одноканальная шашка СТТ (4); обтюраторы лабиринтного типа (5); срезающиеся шпильки (6).
На фиг.2 представлена принципиальная схема комбинированной системы отделения «УЗ + порох», в конструкции которой в качестве порохового заряда использован зерненый пироксилиновый порох, либо порох стрелкового оружия, либо дымный порох. Поз.7 обозначен на рисунке фиг.2 картуз с порохом; остальные обозначения аналогичны приведенным на фиг.1.
Принцип работы предложенной системы состоит в следующем. При подаче сигнала на детонирующее устройство происходит срабатывание удлиненного заряда бризантного ВВ, который воспламеняет пороховой заряд практически одновременно по всему объему кольцевой зарядной камеры. По мере нарастания давления в зарядной камере срезаются шпильки, фиксирующие в исходном положении кольцевой поршень, последний начинает движение с ускорением по стволу зарядной камеры. В момент выхода на «дульный» срез зарядной камеры кольцевой поршень приобретает требуемую скорость.
В любом случае, для обеих конструктивных схем, приведенных на фиг.1 или на фиг.2, пороховые (топливные) трубки, шашки и шайбы или картуз с порохом должны быть достаточно плотно «посажены» в зарядную камеру; в противном случае неизбежно дополнительное дробление пороха, резкое увеличение горящей поверхности и, как следствие - резкий подъем давления в зарядной камере с возможным ее разрушением.
В конструкции, приведенной на фиг.1, УЗ размещен строго на оси канала пороховой трубки или топливной шашки (шайбы). При детонации УЗ под действием взрывных нагрузок происходит незначительная (на 10-30%) осевая и радиальная деформация трубки (шашки, шайбы), после чего она горит параллельными слоями (при соблюдении условия плотной «посадки» ее в зарядной камере!). Дополнительным условием нормальной работы системы является наличие воздушного зазора между УЗ и сводом пороховой трубки (шашки, шайбы). Оптимальный зазор, установленный экспериментально, составляет 5-8 мм. При очень малых зазорах имеет место тенденция выравнивания давлений, создаваемых продуктами детонации, отраженной воздушной ударной волной и осколком оболочки УЗ при его ударе по своду трубки (шашки, шайбы). При отсутствии указанного зазора (при плотной посадке пороховых или топливных элементов на УЗ) воспламенения порохового (топливного) элемента, как правило, не происходит. Осколки оболочки УЗ при этом не образуются, в результате на пороховой (топливный) элемент воздействует давление, обусловленное скользящей детонационной волной, которое, будучи весьма кратковременным, существенно меньше величины давления, создаваемого в пороховой (топливной) массе металлическим осколком.
Заявленное решение отличается от прототипа наличием нового существенного признака. В конструкцию поршневой системы отделения на основе УЗ дополнительно включен пороховой заряд в виде элементов трубчатого баллиститного пороха (одноканальных шашек или шайб СТТ) или картуза с зерненым пироксилиновым порохом, порохом стрелкового оружия или дымным порохом, выполняющий роль основного метательного заряда. Удлиненный заряд бризантного ВВ в отличие от прототипа играет, главным образом, роль детонационного воспламенителя пороховых элементов. Это отличие позволяет сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию «Новизна».
В научно-технической литературе не обнаружено решений с такой совокупностью существенных признаков, следовательно, заявленное решение соответствует критерию «Изобретательский уровень».
Заявленное устройство содержит стандартные элементы из областей взрывного дела, машино- и приборостроения, следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Промышленная значимость».
Положительный эффект от применения предложенного технического решения состоит в том, что комбинированная система отделения «УЗ + порох» обеспечивает существенное увеличение импульса метания при сохранении максимального давления в зарядной камере и уровня ударных перегрузок на том же уровне, что и для системы - прототипа.
Источники информации
1. Вспомогательные системы ракетно-космической техники: Сб. переводов / Под ред. И.В.Тишунина. - М.: Мир, 1970.
2. Юмашев Л.П. Устройство ракет-носителей (вспомогательные системы): Учеб. пособие. Самар. Гос. Аэрокосм. Ун-т, Самара, 1999.
3. Ефанов В.В., Кузин Е.Н., Тимофеев В.Н., Челышев В.П. Устройства и системы пироавтоматики летательных аппаратов на основе линейных кумулятивных зарядов // Общерос. научно-техн. журнал «Полет». 2003. №10. С.42-49.
4. Ефанов В.В., Кузин Е.Н., Пичхадзе К.М., Челышев В.П. Энергобаллистические характеристики детонационных систем разделения КА для планетных иследований // Общерос. научно-техн. журнал «Полет». 2004. №5. С.16-22.
5. Серебряков М.Е. Внутренняя баллистика ствольных систем и пороховых ракет. М.: ГНТИ Оборонгиз, 1962.