ДВИГАТЕЛЬ КУМУЛЯТИВНО-ФУГАСНОГО ЗАРЯДА
CUMULATIVE-HIGH-EXPLOSIVE CHARGE ENGINE

Изобретение относится к ракетным двигателям твердого топлива (РДТТ), используемым для работы в составе кумулятивно-фугасного заряда (КФЗ). Двигатель КФЗ (далее по тексту - двигатель) обеспечивает взведение взрывательного устройства (ВУ) фугасного заряда и создание реактивной тяги для подачи в образовавшийся от взрыва кумулятивного заряда (КЗ) шурп фугасного заряда. Дополнительно он может использоваться для подачи изделия к разрушаемой преграде.
Заряды для этого класса двигателей представляют собой несколько тонкостенных шашек с развитой поверхностью горения. Исходя из особенностей применения, воспламенение таких двигателей осуществляется со стороны сопла с размещением воспламенителя в донной части двигателя.
Для передачи форса пламени от пиропатрона к воспламенителю может использоваться форсажная трубка, усиливающая его воздействие на воспламенитель, или ограничивающая воздействие форса пламени с целью предохранения воспламенителя от нерасчетного разрушения (Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Л.Н. Лавров, А.А. Болотов, В.И. Гапаненко и др. М.: Машиностроение, 1993, с. 166).
Ракетная часть реактивного снаряда 9М27, используемого в РСЗО «Ураган», состоит из неснаряженной ракетной части, порохового заряда, воспламенителя и защищенного пиропатрона (Реактивные снаряды системы залпового огня 9К57. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.: Военное издательство Министерства Обороны СССР, 1981, с. 7-9). Пороховой заряд состоит из двух полузарядов. Полузаряд, размещенный в хвостовой камере, со стороны сопла опирается на диафрагму, к ребрам которой крепится воспламенитель с помощью трех скоб и винтов. Пиропатрон размещен в корпусе, который с помощью тарели крепится к выходному раструбу сопла. Снаружи корпус закрыт герметичной крышкой. С внутренней стороны в корпус в месте установки пиропатрона вкручена трубка, являющаяся газоходом передачи форса пламени к воспламенителю. С помощью гайки трубка фиксируется на конусе, опирающемся на входной конус сопла, одновременно прижимая всю конструкцию, состоящую из корпуса, крышки и тарели к выходному раструбу сопла. Герметичность стыковки обеспечивается резиновым уплотнительным кольцом. Провода от пиропатрона крепятся к контактным втулкам с внутренней стороны входного конуса сопла.
При срабатывании пиропатрона форс пламени проходит через трубку, зажигая дымный порох воспламенителя, который в свою очередь обеспечивает воспламенение порохового заряда. Под действием давления образующихся пороховых газов детали, расположенные во входном конусе и раструбе сопла выбрасываются из двигателя. Начинается истечение пороховых газов через сопло.
Такая схема воспламенения может использоваться при сравнительно больших габаритах снаряда, так как содержит много относительно больших конструктивных элементов, и не может быть использована в двигателе КФЗ в связи с малыми габаритами (диаметр корпуса составляет ~70 мм, диаметр корпуса снаряда 9М27 составляет 220 мм).
Конструкция ракетной части неуправляемого реактивного снаряда М-210Ф (9М22У) состоит из корпуса, порохового заряда в виде двух шашек твердого ракетного топлива и соплового блока. (Боевая машина БМ-21. Техническое описание. Книга 1. - М.: Военное издательство Министерства Обороны СССР, 1971, с. 92-94; Боевая машина БМ-21. Альбом рисунков к техническому описанию и инструкции по эксплуатации. - М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1971, с. 84-89). Сопловой блок представляет собой крышку - сопло, установленную посредством резьбового соединения в задней части корпуса снаряда. Крышка - сопло содержит семь сопловых отверстий. На выходной части соплового блока установлена контактная крышка, которая перекрывает выходное сечение сопла. На боковой поверхности контактной крышки расположен контактный сектор. Воспламенитель в виде герметичного футляра установлен между шашками заряда в полости, образованной промежуточной диафрагмой и решеткой. Воспламенитель имеет два электрозапала, которые проводами подключены к контактным винтам на контактной крышке и корпусе снаряда.
Воспламенение заряда в данной конструкции осуществляется при его запуске только из цилиндрической пусковой установки
Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является реактивный двигатель окопного заряда ОЗ-l (Инженерные боеприпасы. Руководство по материальной части и применению. Книга вторая. - М.: Военное издательство Министерства Обороны СССР, 1977, с. 63-70), создающий реактивную тягу для продвижения окопного заряда с последующим задействованием кумулятивного и фугасного зарядов. Данная конструкция реактивного двигателя была использована в качестве прототипа.
Отечественный окопный заряд ОЗ-1 предназначен для устройства взрывным способом одиночного стрелкового окопа в мерзлых и твердых грунтах, рыхления мерзлого и твердого грунтов при устройстве групповых стрелковых окопов на два-три человека, отрывке окопов для танков и боевых машин.
Окопный заряд ОЗ-l состоит из четырех узлов, собираемых в одно целое перед применением:
- кумулятивного заряда;
- фугасного заряда с реактивным двигателем;
- взрывателя;
- пускового устройства УП-60.
В верхней части корпуса размещения фугасного заряда, выполненного в виде трубы, установлен реактивный двигатель, который состоит из стального корпуса, сопловой крышки, порохового заряда, расширительной камеры, пиротехнического замедлителя и вышибного порохового заряда. В сопловой крышке выполнены шесть сопловых отверстий и центральное резьбовое гнездо для ввинчивания пускового устройства. Гнездо закрыто пробкой. Вышибной заряд с замедлителем предназначен для выбрасывания корпуса отработавшего реактивного двигателя перед взрывом фугасного заряда, что уменьшает осколочное воздействие взрыва.
Пусковое устройство УП-60 состоит из отрезка огнепроводного шнура и закрепленного на его концах терочного воспламенителя и воспламенительного заряда. Сердцевина огнепроводного шнура состоит из медленногорящего состава, время замедления 50-83 с. Воспламенительный заряд помещен в гильзе, обжатой на конце огнепроводного шнура. На гильзу надета резьбовая втулка для ввинчивания пускового устройства в резьбовое гнездо реактивного двигателя.
Недостатком прототипа является многосопловая конструкция крышки, так как с увеличением количества сопел увеличиваются термодинамические потери и, как следствие, эффективность сопел двигателя.
Шнур пускового устройства, ввинченного в центральное резьбовое гнездо, частично перекрывает одно или несколько сопловых отверстий и при горении порохового заряда создаст эксцентриситет тяги, что может повлиять на прямолинейность движения изделия.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение эффективности и улучшение эксплуатационных характеристик двигателя кумулятивно - фугасного заряда.
Указанная цель достигается тем, что в двигателе, содержащим корпус, сопло, заряд, размещенный между решеткой и переходным дном, решетка представляет собой ряд концентрических колец, между которыми выполнены отверстия и пазы, а воспламенитель размещен между решеткой, установленной со стороны сопла, и фиксатором. Фиксатор представляет собой выпуклую тонкостенную алюминиевую пластину, в центре которой имеется отверстие для прохода форса пламени от электровоспламенителя или пускового устройства к воспламенителю. Фиксатор фланцем крепится в зазоре между соплом и решеткой. На фланце фиксатора формовкой выполнены локальные выступы, причем высота выступов больше зазора между соплом и решеткой. Для обеспечения подпора давления в камере двигателя, обеспечивающего надежное воспламенение заряда, отношение площади проходного сечения отверстий в решетке к площади отверстия фиксатора больше, чем отношение свободного объема камеры размещения заряда к величине предсоплового объема.
При горении навески пороха воспламенителя, газ истекает как через проходные отверстия в решетке, обеспечивая зажжение заряда, так и через отверстие в фиксаторе в сторону сопла.
Расход газа можно оценить по формуле
- для расхода через решетку на воспламенение заряда;
c
1
ф
G=А⋅р⋅σ - для расхода через отверстие в фиксаторе в сторону сопла,
c
где , G - расход через решетку и фиксатор соответственно;
p
ф
σ, σ - площадь отверстий в решетке и фиксаторе соответственно;
1
2
А, А - коэффициенты расхода.
1
2
Для оценочных расчетов можно принять А=А.
Тогда, учитывая уравнение состояния идеального газа, соотношение площадей проходных сечений решетки и фиксатора можно приблизительно определить по формуле
с
где , m - масса газа в свободном объеме камеры размещения заряда и в предсопловом объеме к началу воспламенения заряда;
c
, W - свободный объем камеры размещения заряда и пред сопловой объем соответственно, разделителем этих объемов является фиксатор.
c
Данное соотношение обеспечивает примерное равенство давлений в объемах  и W до момента воспламенения заряда. Повышение надежности воспламенения может быть достигнуто дополнительным подпором давления в камере размещения заряда, достигаемом при соотношении
Для реального прототипа двигателя
3
-5
3
-4
2
-4
2
c
p
ф
м W=2,2⋅10 м, d=9,7⋅10 м, а=2,5⋅10 м;
Таким образом, приблизительная оценка показывает, что надежное воспламенение заряда будет происходить при отношении площади проходного сечения отверстий в решетке к площади отверстия фиксатора большей, чем отношение свободного объема камеры размещения заряда к величине предсоплового объема.
На иллюстрациях представлена конструктивная схема двигателя, поясняющая сущность изобретения, где:
- на фиг. 1 представлена конструктивная схема двигателя;
- на фиг. 2 - поперечное сечение;
- на фиг. 3 - узел крепления воспламенителя;
- на фиг. 4 - фиксатор воспламенителя;
- на фиг. 5 - сечение фиксатора.
Силовая оболочка двигателя образована корпусом 1 и соплом 2, которые соединены между собой резьбовым соединением. Герметизация стыка обеспечивается резиновым уплотнительным кольцом 3. Материалом корпуса 1 и сопла 2 может служить термообработанная легированная сталь типа 30ХГСА. Применение стали 30ХГСА в конструкции сопла 2 обусловлено малым временем горения заряда и, как следствие, сниженными требованиями к теплостойкости используемого материала.
Заряд твердого топлива 4 выполнен в виде семи шашек, каждая из которых представляет собой многолучевой моноблок типа «ромашка». Фиксация заряда в осевом направлении осуществляется решеткой 5 и переходным дном 6. Решетка представляет собой ряд концентрических колец, между которыми выполнены отверстия и пазы для прохода газов при горении заряда 4. Материалом решетки служит низкоуглеродистая сталь.
В передней части корпуса 1 имеется резьбовое отверстие, предназначенное для крепления двигателя к кумулятивно-фугасному заряду 7. При хранении и транспортировании отверстие закрыто заглушкой. Герметичность этого соединения обеспечивается резиновым кольцом 8.
В переходном дне 6, со смещением от оси корпуса, выполнено дроссельное отверстие 9, обеспечивающее падение давления и температуры в свободном объеме переходного дна до значений, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к взведению взрывательного устройства фугасного заряда. Смещение отверстия от продольной оси предотвращает прямое воздействие форса пламени на фугасный заряд. Герметичность стыка корпуса 1 и переходного дна обеспечивается резиновым кольцом 10.
Воспламенитель 11, представляющий собой перкалевый картуз с навеской дымного пороха, размещен между решеткой 5 и фиксатором 12, который фланцем крепится в зазоре между соплом 2 и решеткой 5. Фиксатор представляет собой выпуклую деталь из тонкой алюминиевой ленты. В центре фиксатора выполнено отверстие, обеспечивающее беспрепятственное попадание струи газа от электровоспламенителя или пускового устройства непосредственно на воспламенитель. Для обеспечения подпора давления в камере двигателя, обеспечивающего надежное воспламенение заряда, конструкция решетки и фиксатора выполнены таким образом, что отношение площади проходного сечения отверстий в решетке к площади отверстия фиксатора больше, чем отношение свободного объема камеры размещения заряда к величине предсоплового объема. Одновременно фиксатор предохраняет воспламенитель от перемещений.
На плоском фланце фиксатора методом формовки выполнены несколько локальных выступов 13, таким образом, что высота каждого выступа больше зазора между соплом 2 и решеткой 5. Для работоспособности уплотнения 3 необходимо обеспечить нулевой осевой зазор в стыке между соплом 2 и корпусом 1. Одновременно требуется установка фиксатора 12 между соплом 2 и решеткой 5 без осевого люфта, что обеспечивается гарантированной пластической деформацией выступов 13 на фиксаторе.
Герметичность внутреннего объема двигателя обеспечивается мембраной 14, выполненной в виде крышки, установленной посредством резьбового соединения на сопле 2. Герметичность соединения обеспечивается герметиком. С внешней стороны в мембране выполнено резьбовое гнездо для установки электровоспламенителя 15 или пускового устройства. С наружной стороны имеется кольцевая проточка, диаметром равным диаметру среза соплового отверстия. В мембране 14 с внутренней стороны установлена форсажная трубка 16, обеспечивающая формирование и направление струи газов от электровоспламенителя или пускового устройства непосредственно на воспламенитель.
Конструкция двигателя с одним коническим соплом обеспечивает снижение газодинамических потерь и улучшение эффективности работы двигателя.
Схема размещения воспламенителя между решеткой и фиксатором, при которой отношении площади проходного сечения отверстий в решетке к площади отверстия фиксатора больше, чем отношение свободного объема камеры размещения заряда к величине предсоплового объема, обеспечивает подпор давления в камере и надежное воспламенение заряда.
В начале работы двигателя пусковое устройство, ввинченное в резьбовое гнездо мембраны, удаляется вместе с разрушенной по кольцевой проточке частью мембраны и не создает помех для работы двигателя.