СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СРАБАТЫВАНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ПРИ ТЕПЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF ACTUATION OF PYROTECHNIC ARTICLES UNDER THERMAL ACTION AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится преимущественно к области ракетно-космической и авиационной техники, а именно к испытательному оборудованию, и предназначено для определения характеристик срабатывания различных пиротехнических изделий (ПИ) (пироболтов, пирозамков, пироэнергодатчиков и др.), подвергающихся тепловому воздействию.
Изобретение в первую очередь направлено на решение вопроса о том, может ли при заданном темпе нагрева корпуса ПИ произойти самопроизвольное срабатывание, и если может, то через какой промежуток времени. Данная постановка задачи актуальна, например, при проектировании возвращаемых аппаратов космической техники и выборе пиротехнических изделий для средств разделения. При баллистическом (нештатном) спуске возвращаемого аппарата в случае несрабатывания средств разделения после подачи импульса на подрыв ПИ необходимо знать, когда произойдет самопроизвольное срабатывание ПИ от нагрева при входе в плотные слои атмосферы.
Известен способ определения характеристик срабатывания бытовых ПИ, а именно способ определения факта невоспламеняемости (отсутствия самопроизвольного срабатывания) бытовых ПИ при тепловом воздействии и устройство для его осуществления (МВД РФ, Государственная противопожарная служба. Нормы пожарной безопасности. «Изделия пиротехнические бытового назначения. Требования пожарной безопасности. Методы испытаний», НПБ 255-99, п.27).
Этот способ заключается в следующем
. В центре термостата (устройства для создания и поддержания постоянной температуры) размещают термоэлектрический преобразователь (термопару). ПИ подвешивают на проволоке вблизи центра термостата так, чтобы спай термопары (датчик для измерения температуры) был размещен на стенке в средней части ПИ. Включают термостат и нагревают его с заданным темпом нагрева (1-2°C/мин) до заданной температуры (100°C). После этого ПИ термостатируют (выдерживают при постоянной температуре термостата) в течение 30 мин. Испытания выполняют последовательно не менее чем на трех ПИ. Если в процессе испытаний зарегистрировано спонтанное повышение температуры (как в процессе выхода на режим, так и в ходе термостатирования ПИ), термостат отключают. После завершения испытаний и остывания термостата до комнатной температуры открывают дверцу и осматривают ПИ.
ПИ считают устойчивым к нагреву, если ни в одном из трех испытаний не произошло воспламенения при заданной температуре.
ПИ считают неустойчивым к нагреву, если хотя бы в одном из трех испытаний оно воспламенилось, а также, если произошел спонтанный рост температуры в процессе выхода на режим (сверх установленного темпа роста температуры) или в режиме термостатирования при заданной температуре.
Устройство для осуществления этого способа включает в себя:
- нагреватель в виде термостата с рабочей камерой вместимостью не менее 40 куб. дм и терморегулятором, позволяющим поддерживать постоянную температуру в рабочей камере в диапазоне от 60°C до 250°C с погрешностью не более 3°C;
- термоэлектрический преобразователь, выполненный в виде термопары с максимальным диаметром рабочего спая не более 1,5 мм;
- потенциометр;
- проволока диаметром 1-2 мм из теплопроводного металла;
- секундомер с классом точности не ниже 3.
Недостатком известного способа является то, что факт не воспламенения (не возгорания) ПИ определяется только для одной конкретной температуры 100°C. При этом невозможно узнать, как будет себя вести ПИ при более высоких температурах.
Другой недостаток известного способа заключается в том, что время выдержки в термостате назначается произвольно порядка 30 мин. Для одних ПИ этой выдержки может быть достаточно, а для других - нет. Как показали опыты, температура самопроизвольного воспламенения заряда зависит от темпа нагрева корпуса ПИ: чем выше темп нагрева, тем до большей температуры можно нагреть корпус к моменту самопроизвольного срабатывания. При уменьшении темпа нагрева температура самопроизвольного срабатывания снижается и постепенно переходит в постоянное значение. Момент перехода в постоянное значение для каждого ПИ свой. Он может быть как больше, так и меньше, чем время испытания по известному способу. Если он меньше, то при испытаниях ПИ тратится излишнее время, а если больше, то испытания с положительным результатом проходит непригодное ПИ.
Следующий недостаток - двухступенчатый режим нагрева (нагрев с изменяющимся темпом от 1 до 2°C/мин и выдержка при постоянной температуре). Такой режим нагрева не пригоден для определения температуры самопроизвольного срабатывания ПИ, так как имеется неопределенность влияния на факт срабатывания участка нагрева и участка выдержки при постоянной температуре.
Таким образом, известный способ не может обеспечить получение характеристик срабатывания ПИ (времени самопроизвольного срабатывания) при тепловом воздействии и здесь необходим другой подход, заключающийся в том, что экспериментально определяется зависимость температуры корпуса ПИ при самопроизвольном срабатывании от темпа нагрева, по которой судят о времени самопроизвольного срабатывания ПИ в условиях эксплуатации при тепловом воздействии.
Известный способ взят за прототип, поскольку он предназначен для определения характеристик срабатывания ПИ и в нем осуществляется нагрев испытуемого ПИ, как и в заявленном изобретении.
Недостатком устройства для осуществления известного способа является сравнительно большая инерционность термостата и невозможность контроля температуры непосредственно самого корпуса ПИ, так как термопара измеряет температуру воздуха в центре термокамеры вблизи ПИ и приходится давать выдержку 30 минут, чтобы температура воздуха и корпуса ПИ выровнялись.
При помощи известного устройства можно производить нагрев корпуса ПИ только с относительно низкими темпами нагрева 1-2°C/мин. В известных нештатных ситуациях конструкция космических аппаратов, содержащих ПИ, по расчетным оценкам нагревалась до 500…600°C в течение 5…7 минут. В результате происходило самопроизвольное срабатывание ПИ. Таким образом, представляющие интерес темпы нагрева, на один-два порядка превышают темпы нагрева известных устройств.При срабатывании многих ПИ, применяемых в авиационной и космической технике, происходит разлет осколков, которые могут разрушить дорогостоящий термостат, и известное устройство просто непригодно для испытаний таких ПИ.
В известном устройстве не предусмотрена защита от осколков при срабатывании ПИ, тем самым не обеспечивается на должном уровне безопасность проведения работ.
Известное устройство принято за прототип, поскольку оно предназначено для определения характеристик срабатывания ПИ при тепловом воздействии, содержит нагреватель, рабочую камеру и средство измерения температуры, как и в заявленном изобретении.
Задачей заявленного изобретения является:
- возможность прогнозирования поведения ПИ при тепловых нагружениях и при проектировании аппаратов с безопасным разрушением конструкции;
- возможность анализа поведения ПИ в нештатных и аварийных ситуациях, связанных с высоким тепловым воздействием на бортовые ПИ, например, при нештатном спуске с орбиты.
Техническим результатом изобретения является возможность определения времени самопроизвольного срабатывания ПИ в зависимости от темпа нагрева корпуса ПИ.
Технический результат достигается за счет того, что способ определения характеристик срабатывания пиротехнических изделий при тепловом воздействии включает тепловое воздействие на корпус пиротехнического изделия с заданным темпом нагрева и определение факта его самопроизвольного срабатывания, тепловое воздействие на пиротехническое изделие производят с заданным постоянным темпом нагрева корпуса до момента его самопроизвольного срабатывания и фиксируют температуру корпуса пиротехнического изделия, при которой произошло самопроизвольное срабатывание, повторяют эту операцию поочередно с другими аналогичными пиротехническими изделиями с заданным шагом по темпу нагрева до получения зависимости температуры самопроизвольного срабатывания от времени нагрева корпуса, по которой определяют время самопроизвольного срабатывания пиротехнического изделия при аварийном спуске штатного изделия, используя расчетный темп нагрева корпуса пиротехнического изделия.
Технический результат достигается и тем, что в устройство для определения характеристик срабатывания пиротехнических изделий при тепловых нагрузках, содержащее нагреватель с рабочей камерой, средство измерения температуры, подключенное к регистратору температуры, введены изолирующий кожух, источник питания регулируемой мощности, подключенный к нагревателю, который выполнен в виде теплового излучателя и размещен по внешнему контуру рабочей камеры, при этом рабочая камера выполнена из прозрачного электроизолирующего материала и вместе с нагревателем помещена в изолирующий кожух, а средство измерения температуры установлено на корпусе пиротехнического изделия.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1 и фиг. 2).
На фиг. 1 представлен пример устройства для определения характеристик срабатывания ПИ (разрывного пироболта) при тепловом воздействии. На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - ПИ (пироболт);
2 - кварцевая трубка;
3 - тепловой излучатель;
4 - источник электропитания с регулируемой мощностью;
5 - датчик температуры (термопара);
6 - регистратор температуры;
7 - изолирующий кожух.
На фиг. 2 представлена диаграмма температур самопроизвольного срабатывания от времени нагрева корпусов испытываемых ПИ, на которую нанесены результаты экспериментальных данных по испытаниям семи пироболтов и осредняющая их зависимость «А». Здесь приняты следующие обозначения: СС - самопроизвольное срабатывание; ССО - самопроизвольное срабатывание отсутствует.
Пироболт (1) помещают внутрь кварцевой трубки (2), на которой размещен тепловой излучатель (3), выполненный, например, из нихромовой проволоки, намотанной в виде спирали на внешнюю поверхность кварцевой трубки (2) и подключенный к источнику электропитания с регулируемой мощностью (4). На корпусе пироболта (1) закреплен датчик температуры (5), подключенный к регистратору температуры (6). Кварцевая трубка (2) с излучателем (3) помещена в изолирующий защитный (от разлетающихся осколков) кожух (7). Кварцевая трубка с намотанной нихромовой проволокой дешева и проста в изготовлении и является одноразовым сменным элементом, заменяемым, как и ПИ после каждого срабатывания.
Излучатель (3) может обеспечить быстрый нагрев корпуса ПИ до температур порядка 1100°C, что позволяет нагревать ПИ, помещенные в рабочую камеру (например, кварцевую трубку 2) с высокими темпами нагрева, на порядки, превышающие темпы нагрева в обыкновенных термостатах, например 100-500°C/мин. Датчик температуры (5), например, термопара, закреплен на корпусе ПИ (1) и подключен к входу регистратора температуры (6).
Предложенный способ может быть осуществлен при помощи устройства, представленного на фиг. 1, следующим образом.
сср
На ПИ (1), помещенное в кварцевую трубку (2), осуществляют тепловое воздействие тепловым излучателем (3) от источника электропитания регулируемой мощности (4) путем нагрева корпуса ПИ с заданным постоянным темпом до момента самопроизвольного срабатывания ПИ и фиксируют датчиком температуры (5) при помощи регистратора температуры (6) температуру корпуса ПИ, при которой произошло самопроизвольное срабатывание. Данная температура фиксируется по резкому скачку температуры на диаграмме «температура - время нагрева корпуса», так как осколками пироболта разрушается кварцевая трубка (2) с тепловым излучателем (3), находящаяся внутри изолирующего кожуха (7), препятствующего разлету осколков ПИ. Операцию повторяют поочередно с другими аналогичными пиротехническими изделиями с заданным шагом по темпу нагрева до получения зависимости «А»: температуры самопроизвольного срабатывания (Т) от темпа (времени) нагрева корпуса ПИ (фиг. 2), по которой судят о времени самопроизвольного срабатывания ПИ, например, при аварийном спуске штатного изделия, используя расчетный темп нагрева корпуса ПИ.
Сказанное можно пояснить примером конкретной реализации.
Пироболт №1 самопроизвольно сработал при достижении температуры 180°C с темпом нагрева 29,7°C/мин. Пироболт №2 самопроизвольно сработал при достижении температуры 160°C с темпом нагрева 11,2°C/мин и последующей выдержки в течение 55 с при этой температуре. Пироболт №3 самопроизвольно не сработал при достижении температуры 125°C с темпом нагрева 2,2°C/мин и выдержки при этой температуре в течение 1800 с. Пироболт №4 самопроизвольно не сработал при достижении температуры 125°C с темпом нагрева 4,6°C/мин и выдержки при этой температуре в течение 7200 с. Пироболт №5 самопроизвольно сработал при нагреве до 140°C с темпом нагрева 3,6°C/мин и последующей выдержке при этой температуре в течение 540 с. В то же время пироболт №6, нагретый до температуры 140°C с темпом нагрева 5,5°C/мин, не сработал после выдержки 180 с. Пироболт №7, нагретый до 140°C с темпом нагрева 7,1°C/мин, не сработал после выдержки 480 с, а самопроизвольно сработал только после повторного нагрева до температуры 160°C с темпом 8,2°C/мин (на фиг. 2 отмечен как №7 бис).
Из полученных результатов следует, что пироболты №1, 2, 5 и 7 бис самопроизвольно срабатывали, когда на диаграмме «температура самопроизвольного срабатывания - время нагрева корпуса» температура нагрева пироболтов оказывалась вблизи осредняющей зависимости «А». При этом с постоянным темпом нагревались только болты №1 и №2, болты №5 и №7 бис выдерживались до момента самопроизвольного срабатывания при постоянной температуре определенное время.
сср
Кривые нагрева несработавших самопроизвольно пироболтов располагаются на диаграмме ниже зависимости Т, хотя максимальная температура некоторых болтов (№6 и №7) превышала температуру самопроизвольного срабатывания при больших временах нагрева.
сср
сср
Следовательно, факт самопроизвольного срабатывания при данном времени нагрева и данной температуре слабо зависит от режима нагрева и полученную указанным способом зависимость Т от времени нагрева корпуса пироболта можно использовать для прогнозирования поведения ПИ при нештатном нагреве. Достаточно наложить расчетную кривую нагрева ПИ на зависимость Т и точка их пересечения определит время самопроизвольного срабатывания.
сср
Из диаграммы видно, что при увеличении темпов нагрева значения температур Т резко возрастают. Физический смысл этого явления состоит в том, что при высоких тепловых потоках нагревается до высоких температур только поверхность корпуса ПИ, заряд, расположенный внутри корпуса нагревается за счет термического сопротивления (тепловой инерции) конструкции до температуры самопроизвольного срабатывания только через определенное время.
сср
хр
При уменьшении темпа нагрева осредняющая зависимость «А» от времени становится более пологой и, начиная с некоторого характерного времени, превращается в горизонтальную прямую. Здесь температура самопроизвольного срабатывания уже не зависит от времени нагрева (стационарная область). Это характерное время - свое для каждого ПИ. В нашем случае, изображенном на фиг. 2, это время составляет 80-90 мин. С другой стороны, значение Т при небольших темпах нагрева может служить верхней границей температурного диапазона температур безопасного хранения (Т). Тем самым данное техническое решение позволяет обеспечить более надежное получение такой эксплуатационной характеристики, как температура безопасного хранения ПИ.
При спуске космических аппаратов с орбиты Земли при нештатных ситуациях могут реализовываться высокие темпы нагрева ПИ.
сср
Имея такую характеристику ПИ, как зависимость Т от темпа (времени) нагрева, можно сказать, когда и при какой температуре осуществится самопроизвольное срабатывание.
Все вышесказанное подтверждает достижимость заявленного технического результата.