ПИРОТЕХНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ УДАРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
PYROTECHNIC DEVICE FOR GENERATING IMPACT EFFECTS

Данное изобретение относится к оборудованию для испытаний на ударные воздействия и может быть использовано при испытаниях на высокоинтенсивные ударные воздействия различных приборов и оборудования, а также различных сложных систем (например, космических аппаратов).
Существует достаточно много различных стендов для испытаний на ударные воздействия, которые включают в себя устройства для создания ударных воздействий. С помощью вибрационных электродинамических стендов, стендов с падающими столами и т.д. (Вибрации в технике: Справочник в 6 томах. М.: Машиностроение, т.5. Измерения и испытания, под ред. М.Д. Генкина 1981 г., стр.476-477). В настоящее время наибольшее применение находят системы на базе вибростендов. Требования к стендам, обеспечивающим необходимое ударное воздействие, достаточно высоки, особенно при воспроизведении воздействий большой интенсивности, малой длительности и сложной формы. Иногда для создания ударных воздействий в стендах используются пиротехнические устройства. Например, патент РФ №2244909, где источником ударного воздействия служит разрывной болт 8X54. Помимо разрывных болтов, например, патент США №2..653. 504, класс 85-1, существует достаточно большой класс пиротехнических устройств, использующих для создания давления газы от сгорания порохов, с помощью которых перемещаются и/или разрушаются различные соединительные элементы. Например, патенты США №3530759, класс 85-1, №3111808, класс 60-26.1 и ряд других.
Каждое из этих устройств при срабатывании создает ударное воздействие определенного вида (со своей амплитудой воздействия и длительностью) и может быть использовано в качестве источника ударных воздействий для испытаний.
Наиболее близким к заявленному является «Пиротолкатель», по патенту США №2575071, класс 60-26.1 (прототип). Пиротолкатель выполнен в виде болта с головкой и стержнем с резьбой. В головке выполнены шлицы для ввинчивания толкателя в корпус. По оси толкателя выполнено сквозное отверстие. Внутри цилиндрического канала корпуса расположен сильфон. Пирозаряд помещен внутри стержня и подрывается электрозапалом. Внутри корпуса может скользить плунжер. При подрыве пирозаряда образующиеся газы растягивают сильфон, который выталкивает плунжер. Ход плунжера определяется количеством пороха и длиной сильфона.
Существенным недостатком этого устройства при использовании в качестве источника ударных воздействий является то, что ударное воздействие не регулируется и после его срабатывания сильфон долго остается под давлением. Кроме того, такое устройство является практически одноразовым (замене подлежат наиболее ответственные элементы).
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание регулируемого в широком амплитудно-частотном диапазоне пиротехнического устройства для формирования ударных воздействий необходимого вида.
Решение этой задачи достигается тем, что поршень пиротехнического устройства содержит наконечник, на который с помощью резьбы установлен съемный боек, при этом контрящий элемент фиксируют в корпусе с помощь резьбы, а в поршне по скользящей посадке, причем допустимые напряжения в материале корпуса и поршня больше допустимых напряжений в контрящем элементе, при этом диаметр или материал контрящего элемента выбирают по формуле
где
d - диаметр контрящего элемента;
D - внутренний диаметр пиротехнического устройства;
р - необходимое давление газов в полости пиротехнического устройства;
[τ] - допустимые касательные напряжения в материале контрящего элемента. Предлагаемое устройство содержит также дополнительные пиропатроны, а сами пиропатроны установлены в кассету-сепаратор, каналы которой соединены с полостью пиротехнического устройства.
Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства с одним пиропатроном, на фиг.2 с сепаратором для установки пиропатронов. На фиг.3 показан стенд для ударных испытаний с рассматриваемым пирустройством, а на фиг.4 показан вид А стенда.
Устройство (фиг.1) состоит из корпуса 1 с резьбой 2, профилированного поршня 3 с уплотнительным кольцом 4, контрящего элемента 5 с резьбой 6. Поршень 3 заканчивается наконечником 7 с резьбой 8 для установки сменного бойка 9. В поршне 3 имеется полость 10, а в корпусе 1 полость 11 между поршнем 3 и пиропатроном 12. К пиропатрону стыкуется кабель 13 для электрозапала. На фиг.2 показан вариант устройства, в котором вместо одного пиропатрона устанавлена кассета-сепаратор 14 с пиропатронами 12, каналы 15 от которых соединены с полостью 11.
На фиг.3 показан ударный стенд СПИ 6.3480-0, состоящий из волновода 16, тросов 17, тензодатчиков 18 баллистического маятника 19 с исследуемым пироустройством 20, датчиками ускорений 21.
На фиг.4 показан вид А стенда, где 22 - это стенка баллистического маятника 19, пороховые газы 23 образующиеся при срабатывании пиропатрона 12, торец 24 волновода 16.
Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим образом. При подаче напряжения на пиропатрон 12 происходит его срабатывание, образуются пороховые газы 23 и растет давление внутри полостей 10, 11. При достижении критического давления срезается контрящий элемент 5 (наличие резьбы 6 исключает выпадение контрящего элемента), происходит движение поршня 3 до соударения сменного бойка 9 с объектом испытаний (например, торцом 24 волновода 16). В объект испытаний передается ударная волна. Наличие кассеты-сепаратора 14 с пиропатронами 12, замена контрящего элемента более прочным элементом, позволяет регулировать давление внутри полостей 10, 11 и соответственно изменять максимальную скорость соударения бойка с преградой (объектом испытаний). При этом срабатывание пиропатронов можно производить как одновременно, так и в любой последовательности. Замена бойков (меняя материалы, форму, массу бойка) позволяет изменять форму импульса ударного воздействия, что расширяет функциональные возможности предлагаемого устройства (см. например, Алимов, Д.Д. Удар. Распространение волн деформаций в ударных системах. / Д.Д.Алимов, В.К.Манжосов и др. - М.: Наука, 1985. - 360 с).
После срабатывания пироустройства 20 происходит постепенное снижение давления внутри полостей 10, 11 (одно уплотняющее кольцо не обеспечивает абсолютную герметичность устройства). После замены пиропатрона 12, уплотнительного кольца 4 и контрящего элемента 5, пироустройство готово к повторному использованию.
Рассмотрим процедуру выбора параметров контрящего элемента.
Как видно из фиг.1, 4 расчет диаметра контрящего элемента нужно проводить на чистый срез. При этом сила давления пороховых газов на поршень распределяется на две точки среза.
1
2
Пусть p - необходимое давление газов в полости пиротехнического устройства, возникающее при срабатывании пиропатрона, D - внутренний диаметр пиротехнического устройства, a d - диаметр контрящего элемента, S - площадь поперечного сечения пироустройства, a S - площадь поперечного сечения контрящего элемента
Тогда сила, действующая на каждую из двух точек среза,
а площадь поперечного сечения контрящего элемента
При срезе расчет ведется по допустимым касательным напряжениям [τ]
отсюда диаметр контрящего элемента равен
Таким образом, зная необходимое давление в полости p и выбрав материал по значению [τ], получают необходимый диаметр контрящего элемента.
Т.к. допустимые напряжения в корпусе и поршне больше допустимых напряжений в контрящем элементе, то при разрушении контрящего элемента разрушение корпуса и поршня не произойдет. Это дает возможность многократного использования пиротехнического устройства.
Пример практического исполнения
5
На предприятии в настоящее время для проведения ударных испытаний приборов используется ударный стенд СПИ 6.3480-0. Источником ударного воздействия в этом стенде служат разрывные болты типа 8X54, обладающие повышенной величиной ударного воздействия (до 2·10Н) и длительностью порядка ~0.1 мс, что не перекрывает необходимый диапазон ударных воздействий.
Рассмотрим одно исполнение предлагаемого устройства, показанное на фиг.1. и 4.
Диаметр ~30, длина 120 мм, масса устройства ~100 г. Боек латунный, полусферический (на полусфере выполнено "пятно" диаметром 5.6 мм), массой ~35 г. Применяемый пиропатрон ДП4-2.
3
На волноводе (фиг.3) был получен импульс, близкий к трапецеидальному, длительностью ~0.5 мс с амплитудой 1.2·10 Н. Это позволило создавать для испытуемой аппаратуры ускорения длительностью до 1 мс с амплитудами воздействий в диапазоне 300-1000g.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.