Генератор нагретых импульсных гранулярных струй
GENERATOR OF HEATED IMPULSE GRANULAR JETS

Изобретение относится к технике испытаний горючих материалов на воспламеняемость, а более конкретно к способам и устройствам для определения времен зажигания и скоростей горения образцов твердых энергетических материалов с использованием нагретых сыпучих твердых теплоносителей для инициирования зажигания и сопровождения процесса горения.
Необходимость определения таких характеристик возникла при разработке способов выжигания взрывчатого наполнения с повышенными скоростями горения подлежащих массовой утилизации боеприпасов, когда процесс горения происходит внутри полостей боеприпасов типа артиллерийских снарядов при стимулировании повышенных скоростей горения подачей нагретых сыпучих твердых теплоносителей в виде гранулярной струи через горловину боеприпаса с длиной свободного полета внутри полости снаряда, по меньшей мере, 500 мм [1]. Вследствие большого числа рецептур взрывчатого наполнения, сложившегося в технологии боеприпасов, назначение режимов воспламенения и горения с учетом времени хранения боеприпасов требует проведения предварительного определения характеристик на образцах взрывчатого наполнения из конкретных партий изделий в условиях разработанного способа выжигания. Устройство для предварительного определения характеристик воспламенения и горения должно обеспечивать:
получение нагретой импульсной гранулярной струи как запального средства с длиной и скоростью, достаточными для определения времен зажигания и скоростей горения;
возможность изменения параметров гранулярной струи для достижения воспламенения и горения;
безопасность при проведении работ.
В разработанных способах испытаний горючих материалов на воспламеняемость применяют установки с подачей одиночных нагретых твердых частиц в режиме свободного падения на поверхность материала и фиксацией процесса контакта и зажигания (Захаревич В.А. Зажигание твердых и жидких конденсированных веществ одиночными нагретыми до высоких температур частицами. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Томск. 2008).
В устройстве для инициирования корпус содержит два соосных канала, разделенных преградой. В одном канале расположен разогревающий заряд, а в другом - воспламенительный заряд, выполненные из пиротехнических составов. Воспламенительный заряд разделен на два элемента, между которыми установлен передающий заряд из малогазового пиротехнического состава, образующего при горении твердые продукты сгорания. При задействовании смесь газообразных и конденсированных продуктов сгорания выбрасывается в виде импульсной струи в направлении зажигаемого материала [2]. Недостатком этого устройства применительно к поставленной задаче является недостаточная дальность проникания такой струи в глухую полость в корпусе боеприпаса, предназначенного для выжигания.
В пиротехническом воспламенителе огнесмеси реактивного зажигательного боеприпаса пиротехнический состав размещен в неразрушаемом продуктами горения состава корпусе в форме стакана с запальным отверстием в дне корпуса, перекрытым разрушаемой заглушкой, и открытым торцом, перекрытым пыжом, поджимающим пиротехнический состав к дну корпуса. Открытый торец имеет выход в оболочку с поджигаемой огнесмесью. Пороховыми газами реактивного двигателя пиротехнический состав вытесняется из корпуса через открытый торец в оболочку с поджигаемой огнесмесью [3]. Недостатком данного пиротехнического воспламенителя является канальное течение продуктов сгорания пиротехнического состава до контакта с поджигаемой огнесмесью.
Общим недостатком известных способов зажигания является отсутствие организованного во времени и пространстве взаимодействия гранулярных или дисперсно-газовых образований из продуктов сгорания с поджигаемым образцом материала.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению и принятым за прототип является устройство для метания тел с заданным ускорением [4]. В соответствии с описанием и патентной формулой устройство содержит полый корпус с последовательно расположенными внутри соосно с направлением задаваемого начального ускорения камерой настройки начального поджатая пружины и камерой метания объекта под действием силы освобождаемой пружины, внутри камеры настройки начального поджатая пружины помещена цилиндрическая втулка с винтом на выходящем из корпуса свободном конце регулирования вращением положения втулки внутри корпуса и положения внутри втулки подвижного блока, действующего на пружину, камера метания объекта выполнена в виде открытого с передней части цилиндрического канала с размещенной внутри него подвижной кюветой, несущей метаемый объект, нагруженной сжатой пружиной и удерживаемой в исходном положении спусковым механизмом, и с ограничителем хода кюветы в выходной части цилиндрического канала. При работе с помощью винта на свободном конце цилиндрической втулки осуществляют смещение втулки по камере настройки, задавая тем самым положение подвижного блока, сжимающего пружину, которая удерживается в сжатом положении кюветой, снабженной спусковым механизмом. Подвижный блок в цилиндрической втулке может иметь дополнительную настройку взведения пружины с помощью рукоятки на подвижном блоке и серии установочных шлицев во втулке. С помощью спускового механизма освобождают кювету с метаемым объектом, которая ускоренно движется по цилиндрическому каналу. При ударе об ограничитель хода кювета тормозится и метаемый объект с накопленной кинетической энергией вылетает из канала в заданном направлении. Дальность полета и сила удара об испытуемый материал определяются запасом кинетической энергии, внешними воздействиями на метаемый объект, такими как сопротивление воздуха, сила земного тяготения, и расстоянием до испытуемого материала.
Совокупность деталей в камере настройки начального сжатия пружины представляет механизм настройки начального сжатия пружины. Совокупность деталей в камере метания объекта представляет механизм метания объекта.
Таким образом, с помощью известного устройства может быть осуществлено воспроизводимое метание одиночных объектов с заданными параметрами удара по испытуемому материалу. Однако устройство не позволяет метать нагретые сыпучие твердые теплоносители в виде импульсных гранулярных струй для создания на поверхности поджигаемого материала теплового импульса с заданной мощностью и продолжительностью.
Решаемой технической задачей являлась конструкция метательного устройства - генератора удлиненных компактных образований, формируемых из доз нагреваемого сыпучего твердого теплоносителя, называемых импульсными нагретыми гранулярными струями.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в генераторе метаемых импульсных нагретых гранулярных струй, содержащем полый корпус с расположенными внутри последовательно и соосно с направлением задаваемого начального ускорения механизмом настройки начального поджатая пружины и механизмом метания объекта под действием силы освобождаемой пружины, механизм метания объекта выполнен в виде открытого с передней части цилиндрического канала с размещенной внутри него подвижной кюветой, несущей метаемый объект, нагруженной сжатой пружиной и удерживаемой в исходном положении спусковым механизмом, и с ограничителем хода кюветы в выходной части цилиндрического канала, метаемым объектом является доза нагретого твердого сыпучего теплоносителя, полый корпус изготовлен из теплостойкого немагнитного материала, кювета выполнена из ферромагнитного материала в форме стакана с открытым передним торцем, задним дренированным дном, наружным направляющим стопорным пояском на задней части стакана и индуктивной связью с внешним индуктором нагрева, пружина соединена с механизмом настройки начального сжатия пружины и кюветой посредством штока с опорами на двух концах, а спусковой механизм, снабженный дистанционно управляемым приводом, удерживает сжатой пружину через опору штока.
Сравнительный анализ существенных признаков прототипа и предлагаемого устройства показывает, что отличительными признаками предложения являются те, в соответствии с которыми:
метаемым объектом является доза нагреваемого сыпучего твердого теплоносителя;
корпус генератора изготовлен из теплостойкого немагнитного материала;
подвижная кювета выполнена из ферромагнитного материала в виде стакана с открытым передним торцем, задним дренированным дном, наружным скользящим пояском на задней части стакана и индуктивной связью с внешним индуктором нагрева;
спусковой механизм снабжен дистанционно управляемым приводом;
ограничитель хода кюветы расположен вблизи выходного среза цилиндрического канала.
Сущность изобретения предложения будет более понятна из рассмотрения фигур чертежа, где
фиг. 1 показывает устройство в исходном положении в готовности к работе;
фиг. 2 изображает конструктивное исполнение кюветы, и следующего описания исполнения изобретения.
Как можно видеть из фиг. 1, в исходном состоянии генератор импульсных гранулярных струй содержит корпус 1, в верхней части которого выполнено посадочное место под кювету 2, закрываемое на выходе съемной наковальней 3. Диаметр канала посадочного места соответствует диаметру стопорного пояска 4 кюветы, а диаметр отверстия съемной наковальни соответствует наружному диаметру цилиндрической части кюветы для свободного выхода из корпуса 1 до удара стопорного пояска о съемную наковальню. В исходном состоянии кювета 2 через вертикальный шток 5 нагружена сжатой пружиной механизма настройки сжатия пружины 7, состоящего, например, из цилиндрической втулки 8 с винтом 9 на выходящем из корпуса 1 свободном конце регулирования вращением положения втулки внутри корпуса и положения внутри втулки подвижного блока 10, сжимающего пружину 7. Пружина 7 удерживается в сжатом состоянии спусковым механизмом 11 через опору штока 5. В целях безопасности при работе с горючими веществами спусковой механизм 11 снабжен дистанционным приводом (не показан). Кювета 2 заполнена дозой сыпучего теплоносителя 12 с плотностью начальной упаковки обстукивания или утряски, соответствующей средней порозности 0,4. Снаружи на корпусе в зоне расположения кюветы смонтирован генератор индукционного нагрева 13 со своим источником питания (не показан). Часть корпуса 1 под генератором индукционного нагрева снабжена ребрами охлаждения 14.
При работе сначала включают генератор индукционного нагрева 13, создающий нагрев стенок кюветы 2. Через нагретые стенки кюветы происходит нагрев дозы 12 сыпучего твердого теплоносителя. Степень нагрева определяют по тепловому расширению дозы, которая выступает над кромками кюветы. С помощью спускового механизма освобождают верхний конец сжатой пружины, которая через упругий шток 5 действует с заданной силой на дно кюветы 2, вызывая ее ускоренное движение в канале посадочного места. В зависимости от длины хода пружины возможны три различных режима разгона кюветы с дозой сыпучего твердого теплоносителя: 1) ударный режим, когда ход пружины заканчивается раньше приближения стопорного пояска кюветы к съемной наковальне; 2) плавный режим, когда ход пружины заканчивается в момент контакта опорного пояска со съемной наковальней, и 3) избыточный режим, когда ход пружины прерывается контактом опорного пояска со съемной наковальней.
В любом случае кювета 2 движется с ускорением до момента удара стопорного пояска о съемную наковальню. При остановке кюветы 2 доза сыпучего твердого теплоносителя продолжает свое движение вследствие приобретенного при разгоне кюветы количества движения, образуя гранулярную струю. Для исключения образования зоны разрежения в донной части кюветы при инерционном выходе дозы сыпучего твердого теплоносителя дно кюветы дренировано рядом отверстий малого диаметра 15 для поступления окружающего воздуха и выравнивания давлений. Без такого поступления воздуха через дно выходящая гранулярная струя будет тормозиться и разрушаться вследствие подсоса воздуха через открытый верхний торец кюветы. Каждая частица сыпучего твердого теплоносителя в гранулярной струе имеет независимое от других частиц направление движения и количество движения. При невозмущенном выходе из кюветы все частицы имеют одно направление движения. Коллективные характеристики гранулярной струи возникают при взаимодействии с преградой или поджигаемым материалом, когда происходит изменение направления движения и обмен энергией с поверхностью (Cheng X., Varas G., Citron D. et al. Collective behavior in a granular jet: Emergence of a liquid with zero surface tension. Phys.Rev Lett., 2007).
Длина импульсной гранулярной струи определяется длиной кюветы. Скорость движения определяется характеристиками пружины.
Использование спускового механизма с дистанционным приводом позволяет обеспечить безопасность обслуживания при изучении характеристик воспламенения и горения взрывчатых веществ и твердых топлив.
После взаимодействия с целевой поверхностью частицы сыпучего твердого теплоносителя падают вниз, образуя либо «султан», либо нисходящее пристеночное течение по ограничивающей боковой поверхности. Этот материал собирают и анализируют на состав и содержание примесей, полученных при взаимодействии с поджигаемым материалом и продуктами сгорания.
В качестве сыпучих твердых материалов применяют инертные природные или синтетические вещества типа речного песка или оксида алюминия, а также материалы с окислительными свойствами при высоких температурах типа спеченного оксида железа, оксида никеля, оксида меди, а также их сочетания с инертными материалами.
Применение предлагаемого генератора импульсов нагретых гранулярных струй позволит ускорить подбор навесок воспламенительных составов для нестандартных условий работы с определением времен задержек воспламенения.
Источники информации
1. RU 2485437/ 2013. Способ расснаряжения боеприпасов.
2. RU 2408834, 2011. Устройство для инициирования.
3. RU 2413163, 2011. Пиротехнический воспламенитель огнесмеси.
4. WO 2012/062578 A1. F41B 7/00. Apparatus and method for defined acceleration of a projectile.