УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОЙ ПЕРЕДАЧИ КОМАНД НА ЗАПУСК ТВЕРДОТОПЛИВНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК F02K9/95 

Изобретение относится к технике создания способов и устройств передачи команд для пуска и зажигания твердотопливных ракетных двигателей и может быть использовано в системах бесконтактной передачи электрических сигналов.

Наибольшую сложность при безконтактной передаче команд на устройства, содержащие твердотопливный ракетный двигатель, представляет передача запускающего импульса. При этом необходимо выполнить следующие требования.

1. Обеспечить безопасность твердотопливного ракетного двигателя в служебном обращении отсутствие ложных срабатываний исполнительного органа от наведенных токов.

Поскольку системы бесконтактного запуска работают в условиях воздействия сильных внешних электромагнитных полей (наибольшую опасность представляют низкочастотные электромагнитные поля, создаваемые высоковольтными линиями электропередачи (ВЛЭП), силовым электрооборудованием промышленных установок с напряженностью магнитного поля до 3 кА/м и максимальной скоростью изменения напряженности магнитного поля до 600 кА/(м•с)), для обеспечения безопасности необходимо выполнение следующего условия:
I_помехи≅ 0,01•I_г.ср.,
где I_помехи величина наведенного тока помехи;
I_г.ср. величина тока гарантированного срабатывания исполнительного органа, оговариваемая техническими условиями на исполнительный орган.

2. Обеспечить высокую гарантированность передачи управляющей команды при санкционированном запуске твердотопливного ракетного двигателя в условиях воздействия сильных внешних магнитных полей. Передаваемая энергия в исполнительный орган при этом должна обеспечивать его надежное срабатывание. Это достигается при выполнении следующего условия:
W ≥ K•W_г.ср.,
где W передаваемая энергия, Дж;
К= 1.5 коэффициент, зависящий от длительности управляющей команды и от требуемой вероятности безотказной работы;
W_г.ср. энергия гарантированного срабатывания исполнительного органа, Дж.

3. Обеспечить возможность неориентированного заряжания твердотопливного ракетного двигателя в пусковое устройство, что необходимо для исключения ошибок при заряжении, а значит, для увеличения безопасности.

Известна система с устройством индукционного запуска [1] содержащая полесоздающую катушку, расположенную на пусковом устройстве, выполненном из стали аустенитного класса, и полевоспринимающую катушку, расположенную на корпусе снаряда. Известное устройство обеспечивает высокую надежность срабатывания, малые энергозатраты за счет малых потерь в корпусе из стали аустенитного класса, компактно и просто по конструктивному исполнению.

Основным недостатком известного устройства является незащищенность от воздействия низкочастотных электромагнитных полей, так как частота помехи примерно равна частоте управляющего сигнала и корпус твердотопливного двигателя оказывается "прозрачным" для магнитного поля помехи.

Для обеспечения безопасности в этих условиях полевоспринимающая катушка должна иметь настолько низкую чувствительность, чтобы в соответствии с вышеприведенными соотношениями наведенный в исполнительном органе (электровоспламенителе) ток при воздействии низкочастотных полей помех не превышал одной сотой гарантированного тока срабатывания электровоспламенителя. Тогда для обеспечения гарантированного срабатывания электровоспламенителя при санкционированном запуске твердотопливного ракетного двигателя с заданной надежностью напряженного поля, создаваемого полесоздающей катушкой, должна превышать (300-1500) кА/м.

Наружний диаметр такой полесоздающей катушки будет составлять (50-60) см, а потребляемая мощность для санкционированного запуска несколько десятков киловатт.

Известно устройство для безконтактной передачи команд на запуск твердотопливного ракетного двигателя, содержащее полесоздающую катушку, установленную вне корпуса двигателя, и полевоспринимающую катушку, электрически связанную с исполнительным органом и расположенную внутри корпуса твердотопливного двигателя [2]
Достоинствами устройства являются.

1. Высокая гарантированность передачи управляющей команды, что достигается оптимальным согласованием параметров полесоздающей и полевоспринимающей катушек.

2. Частичная защищенность от воздействия низкочастотных магнитных полей за счет экранирующего действия магнитного экрана из мягкого железа.

К недостаткам известного устройства следует отнести обеспечение помехозащищенности за счет амплитудной селекции входных сигналов, при этом часть энергии управляющего сигнала расходуется на насыщение магнитного экрана.

Для обеспечения эффективной селекции входных сигналов (а значит, для обеспечения безопасности) за счет экранирующего действия магнитного экрана напряженность магнитного поля, создаваемого управляющим сигналом, должна превышать напряженность магнитного поля помехи примерно в 100 раз, что приводит к увеличению диаметра полесоздающей катушки и потребляемой мощности до такой же величины, что и описано выше.

Все возрастающие требования по помехозащищенности (напряженность магнитного поля до 24 кА/м) вынуждает использовать все более мощные полесоздающие катушки с соответственно большими габаритами, что исключает использование известного устройства при проектировании современных систем индукционного запуска твердотопливных двигателей.

Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Указанная задача в устройстве для безконтактной передачи команд на запуск твердотопливного ракетного двигателя, содержащем полесоздающую катушку, установленную вне корпуса двигателя, и полевоспринимающую катушку, электрически связанную с исполнительным органом и расположенную внутри корпуса двигателя из неферромагнитного материала, достигается тем, что полесоздающая катушка выполнена в виде цилиндрической обмотки, охваченной с торцев и по наружнему диаметру магнитопроводом, образующим цилиндрические полюса, а полевоспринимающая катушка выполнена в виде обмоток, равномерно расположенных в окружном направлении в плоскости одного из цилиндрических полюсов полесоздающей катушки, а сами обмотки соединены последовательно и согласно.

Выполнение полесоздающей катушки в виде цилиндрической обмотки, охваченной с торцев и по наружнему диаметру магнитопроводом, образующим цилиндрические полюса, позволяет создать локальное поле с вектором напряженности, направленным по радиусу двигателя в плоскости цилиндрического полюса, т.е. в месте расположения полевоспринимающей катушки.

Выполнение полевоспринимающей катушки в виде обмоток, равномерно расположенных в окружном направлении в плоскости одного из цилиндрических полюсов полесоздающей катушки, позволяет эффективно принимать создаваемое полесоздающей катушкой локальное магнитное поле, так как направление осей обмоток полевоспринимающей катушки совпадает с направлением вектора напряженности магнитного поля, создаваемого полесоздающей катушкой.

Последовательное и согласное включение обмоток полевоспринимающей катушки для поля управляющего сигнала позволяет получить суммарную ЭДС, превышающую ЭДС одной обмотки в N раз, что обеспечивает необходимую энергию надежного срабатывания исполнительного органа.

В то же время указанное расположение обмоток полевоспринимающей катушки позволяет при суммировании сигналов от всех обмоток компенсировать в самой полевоспринимающей катушке наводимую ЭДС от внешнего пространственно-однородного низкочастотного магнитного поля помехи.

Можно сказать, что для поля управляющего сигнала диаметрально расположенные обмотки полевоспринимающей катушки включены последовательно и согласно, а для внешнего, пространственно-однородного низкочастотного поля помехи последовательно и противофазно (встречно).

Указанное расположение обмоток полевоспринимающей катушки дает осесимметричную конструкцию, что позволяет использовать неориентированное заряжение изделий, содержащих твердотопливные двигатели, в пусковое устройство.

Для увеличения ЭДС, снимаемой с полевоспринимающей катушки, напряженность радиального магнитного поля под цилиндрическими полюсами может быть увеличена путем выполнения полесоздающей катушки в виде нескольких одинаковых обмоток, попарно включенных встречно и разделенных цилиндрическими полюсами.

Кроме того, для увеличения ЭДС, снимаемой с полевоспринимающей катушки, полевоспринимающая катушка может быть выполнена в виде нескольких катушек, расположенных в плоскостях полюсов полесоздающей катушки и соединенных последовательно и согласно. Для упрощения конструкции обмотки полевоспринимающей катушки могут быть выполнены на одном магнитопроводе.

Заявленное устройство не имеет аналогов в технике создания способов и устройств передачи для запуска твердотопливных ракетных двигателей, а значит, соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого устройства; на фиг. 2 - взаимодействие полевоспринимающей катушки с полем управляющего сигнала 8 и с внешним низкочастотным, пространственно-однородным полем помехи 9.

Устройство для обеспечения передачи команд на запуск твердотопливного ракетного двигателя состоит из: полесоздающей катушки 1, магнитопровода 2 с цилиндрическими полюсами 3, обмоток 4 полевоспринимающей катушки, магнитопровода 5 полевоспринимающей катушки, исполнительного органа 6, корпуса твердотопливного двигателя 7.

Элементы 1-3 размещены на пусковом устройстве, остальные элементы 4-7 являются принадлежностью твердотопливного двигателя.

В рабочем положении (твердотопливный двигатель находится в пусковом устройстве) устройство функционирует следующим образом.

На полесоздающую катушку передается управляющая электрическая команда.

Полесоздающая катушка 1 создает локальное магнитное поле 8 в районе цилиндрического полюса, направленное перпендикулярно к оси твердотопливного двигателя (вектор напряженности магнитного поля направлен от полюса к оси двигателя или наоборот от оси двигателя) к полюсу (см. фиг. 2а).

Поскольку оси обмоток 4 полевоспринимающей катушки ориентированы к оси двигателя, а сами обмотки равномерно расположены в окружном направлении в плоскости одного из цилиндрических полюсов полесоздающей катушки, на обмотках полевоспринимающей катушки находится ЭДС одной полярности.

А так как для поля управляющего сигнала 8 обмотки полевоспринимающей катушки 4 соединены последовательно и согласно, то наводимая ЭДС на полевоспринимающей катушке будет равна сумме ЭДС этих обмоток.

Полученное напряжение передается на электрически связанный с полевоспринимающей катушкой исполнительный орган 6 и вызывает его срабатывание.

В служебном обращении (твердотопливный реактивный двигатель находится вне пускового устройства) безопасность устройства обеспечивается следующим образом.

Внешнее, пространственно-однородное низкочастотное магнитное поле 9 (или поле помехи, каким является, например, магнитное поле помехи, создаваемое ВЛЭП, силовым электрооборудованием и т.д.) наводит на обмотках 4 полевоспринимающей катушки ЭДС, пропорциональную проекции вектора напряженности магнитного поля на ось обмотки.

При четном числе обмоток 4 (см. фиг. 2 б) ЭДС, наведенные на диаметрально расположенных обмоток, будут равны по величине и противоположны по знаку, поэтому суммарная ЭДС полевоспринимающей катушки от поля помехи будет равна нулю.

При нечетном числе обмоток 4 полевоспринимающей катушки и равномерном расположении обмоток в окружном направлении в плоскости одного из цилиндрических полюсов полесоздающей катушки также происходит компенсация наведенной ЭДС при суммировании сигналов от всех обмоток, то есть предлагаемое устройство обеспечивает селекцию управляющего сигнала и сигнала помехи по направлению вектора напряженности создаваемого ими магнитного поля.

Таким образом, при любой величине напряженности внешнего пространственнно-однородного низкочастотного магнитного поля 8 с вектором напряженности, перпендикулярным оси двигателя, наводимая им ЭДС на полевоспринимающей катушке будет равна нулю.

Внешнее пространственно-однородное низкочастотное магнитное поле 8 с вектором напряженности, направленным вдоль оси двигателя, создает на полевоспринимающей катушке ЭДС как на одном витке. Для случая выполнения полевоспринимающей катушки в виде нескольких катушек (четное число), расположенных в плоскостях нескольких цилиндрических полюсов полесоздающей катушки и соединенных последовательно и согласно, происходит полная компенсация суммарной ЭДС катушек.

Таким образом, на безопасность в служебном обращении двигателя 16 будут влиять не величина напряженности магнитного поля помехи, а только погрешность изготовления и расположения обмоток полевоспринимающей катушки двигателя (несимметричность расположения обмоток, разброс числа витков, разброс геометрических размеров и т.д.).

Был изготовлен макет устройства твердотопливного ракетного двигателя диаметром (калибра) 140 мм.

Полесоздающая катушка имела две секции, включенные последовательно и встречно по 192 витка каждая. Наружний диаметр катушки был равен 185 мм. Полевоспринимающая катушка содержит 4 обмотки по 72 витка каждая, диаметр провода 0,79 мм.

При подаче на полесоздающую катушку одной полуволны напряжения 220 В 50 Гц на полевоспринимающей катушке наводилось 3,4 В (на эквиваленте электровоспламенителя типа МБ-Ч-1). Указанного напряжения достаточно для срабатывания электровоспламенителя типа МБ-Ч-1 с вероятностью 0,9999 при доверительной вероятности 0,9.

Для проверки помехозащищенности предлагаемого устройства была использована двухконтурная система Гельмгольца, позволяющая создать пространственно-однородное магнитное поле (неоднородность менее 10^-4 в области 10х10х10 см³ с напряженностью 3 кА/м, частотой 50 Гц.

Наведенный ток на эквиваленте электровоспламенителя типа МБ-Ч-1 был ниже погрешности измерений.

Таким образом, заявляемое устройство имеет повышенную, по сравнению с прототипом, безопасность в служебном обращении за счет компенсации в самой полевоспринимающей катушке наведенных токов от внешних пространственно-однородных низкочастотных магнитных полей и в то же время обладает высокой надежностью срабатывания исполнительного органа за счет оптимального согласования параметров полесоздающей и полевоспринимающей катушек.

Использование: в ракетных двигателях. Сущность изобретения: устройство содержит полезащитную катушку 1, выполненную в виде цилиндрической обмотки, охваченной с торцов и по наружнему диаметру магнитопроводом 2, образующим цилиндрические полюса 3 и полевоспринимающую катушку 4, выполненную в виде обмоток, равномерно расположенных в окружном направлении в плоскости одного из цилиндрических полюсов полесоздающей катушки, а сами обмотки соединены последовательно и согласно. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для бесконтактной передачи команд на запуск твердотопливного ракетного двигателя, содержащее полесоздающую катушку, установленную вне корпуса двигателя, и полевоспринимающую катушку, электрически связанную с исполнительным органом и расположенную внутри корпуса двигателя, отличающееся тем, что в нем полесоздающая катушка выполнена в виде цилиндрической обмотки, охваченной с торцов и по наружному диаметру магнитопроводом, образующим цилиндрические полюса, а полевоспринимающая катушка выполнена в виде обмоток, равномерно расположенных в окружном направлении плоскости одного из цилиндрических полюсов полесоздающей катушки, а сами обмотки соединены последовательно и согласно. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обмотки полевоспринимающей катушки выполнены на магнитопроводе. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полесоздающая катушка выполнена в виде нескольких обмоток, попарно включенных встречно и разделенных цилиндрическими полюсами из ферромагнитного материала. 4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что полевоспринимающая катушка выполнена в виде нескольких катушек, расположенных в плоскостях полюсов полесоздающей катушки и соединенных последовательно и согласно.