УСТРОЙСТВО ИНДУКЦИОННОГО ЗАПУСКА ТВЕРДОТОПЛИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК F02K9/95 

Изобретение относится к технике создания устройств передачи команд для пуска и зажигания твердотопливных ракетных двигателей и может быть использовано в системах индукционного запуска.

Основные требования, предъявляемые к устройствам индукционного запуска твердотопливных двигателей (УИЗДТ), являющимися наиболее перспективными для современных систем запуска, следующие:
1. Высокая надежность срабатывания средств инициирования - электровоспламенителей (ЭВ) УИЗДТ, которая может быть достигнута за счет гарантированного приема необходимой энергии воспламенения от поля управляющего сигнала пускового устройства.

2. Повышенная безопасность при служебном обращении с устройствами, содержащими УИЗДТ, которая может быть достигнута за счет обеспечиваемого конструктивно помехозащищенности от воздействия внешних паразитных электромагнитных полей (ЭМП).

Известна система с устройством индукционного запуска [1] содержащая полесоздающую катушку, расположенную на пусковом устройстве, выполненном из стали аустенитного класса и поле воспринимающую катушку, расположенную на корпусе твердотопливного двигателя. 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 отсутствие защиты от помех мощных низкочастотных электромагнитных полей, в частности возникающих в линиях электропередачи в аварийных режимах, особенно при коротком замыкании фазы на землю с характеристиками внешних воздействий:
напряженность магнитного поля до 3 кА/м;
скорость изменения напряженности магнитного поля до 600 кА/м•с.

Помеха может привести к несанкционированному срабатыванию ЭВ. Для обеспечения гарантированного несрабатывания известного устройства индукционного запуска при служебном обращении необходимо обеспечить порог срабатывания от магнитного поля управляющего сигнала напряженностью порядка 300 кА/м, что увеличивает энергопотребление, и увеличивает габаритные размеры полесоздающей катушки (ПК). Указанный порог связан с необходимостью обеспечения безопасных токов наводки на поле воспринимающей катушке (ВК) не более одной сотой от тока гарантированного срабатывания ЭВ.

Известно устройство индукционного запуска твердотопливного двигателя, содержащее корпус, полесоздающую катушку, полевоспринимающую катушку, электрически связанную с электровоспламенителем и помещенную в сплошной ферромагнитный экран [2]
Данное устройство позволяет обеспечить высокую надежность срабатывания, компактно и просто по конструкции, частично защищено от мощных низкочастотных электромагнитных полей. Недостатком данного устройства является ограниченный диапазон напряженности ЭМП, при котором обеспечивается его помехозащита. Известно, что для ферромагнитного материала существует кривая намагничивания, показывающая, что при некоторой напряженности магнитного поля материал входит в насыщение, что резко снижает эффективность помехозащиты.

Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Указанная цель в УИЗТД, содержащем корпус, полесоздающую катушку, полевоспринимающую катушку, расположенную внутри корпуса твердотопливного двигателя, концы которой соединены с электровоспламенителем, достигается тем, что полевоспринимающая катушка выполнена в виде прямоугольной одно- или многовитковой обмотки, свернутой в кольцо.

Указанная конструкция полевоспринимающей катушки позволяет скомпенсировать наводки от ЭМП с любыми значениями напряженности магнитного поля и обеспечить безопасность от несанкционированного инициирования ЭВ при служебном обращении с двигателем за счет одинаковых и включенных по отношению друг к другу встречно электродвижущих сил (ЭДС), наводимых паразитными ЭМП на противоположных сторонах витков прямоугольной обмотки (ВК), свернутой в кольцо.

В режиме санкционированного инициирования ЭВ создается локальное магнитное поле за счет внешнего замыкания магнитной цепи, образованной магнитопроводом полесоздающей катушки.

Магнитный поток, создаваемый током управляющего сигнала полесоздающей катушки, пересекает контур витков полевоспринимающей катушки в радиальном направлении и наводит на противоположных сторонах витков прямоугольной многовитковой обмотки свернутой в кольцо одинаковые ЭДС, но включенные синфазно по отношению друг к другу, при этом общая ЭДС суммируется. Это позволяет обеспечить безотказность срабатывания ЭВ.

Для уменьшения наводок за счет несимметрии и разброса размеров конструкции полевоспринимающей катушки поперечные стороны витков начала и конца обмотки катушки установлены не в стык, а в нахлест.

Для уменьшения габаритных размеров ВК прямоугольная обмотка выполнена на гибкой печатной плате в виде одной или нескольких прямоугольных спиралей, соединенных последовательно.

Для увеличения ЭДС, наводимой на прямоугольной многовитковой обмотке, выполненной на гибкой печатной плате, необходимой для надежного срабатывания ЭВ, ВК выполнена многооборотной, что эквивалентно увеличению числа ее витков, однако любое дополнительное количество оборотов катушки не приводит к увеличению величины наводок от паразитных ЭМП.

Для увеличения коэффициента передачи полезного сигнала (уменьшения воздушных зазоров в замкнутой магнитной цепи) часть корпуса твердотопливного двигателя, охватывающего катушку, может выполняться из ферромагнитного материала, а во внутрь кольца катушки может быть установлена вставка из ферромагнитного материала.

На фиг. 1 изображен предлагаемый макет устройства индукционного запуска твердотопливного двигателя, состоящий из корпуса 1, полевоспринимающей катушки 2, каркаса катушки 3, электровоспламенителя 4. Каркас катушки устройства индукционного запуска ввинчен в корпус твердотопливного двигателя, выполненный из неферромагнитного материала.

На фиг. 2 изображена фотография макета приемного устройства индукционного запуска в натуральную величину.

На фиг. 3 изображено заявляемое устройство индукционного запуска твердотопливного двигателя в составе твердотопливного двигателя с внешней полесоздающей катушкой, где: 5 полесоздающая катушка; 6 магнитопровод (ферромагнитный стакан и стержень).

Заявляемое устройство индукционного запуска твердотопливного двигателя в служебном обращении функционирует следующим образом (фиг. 1).

Пространственно-однородное внешнее магнитное поле помехи можно представить в виде двух составляющих: магнитное поле, направленное вдоль оси твердотопливного двигателя; магнитное поле, направленное перпендикулярно оси твердотопливного двигателя.

Внешнее поле, направленное вдоль оси, наводит на противоположных сторонах прямоугольной многовитковой обмотки 2 свернутой в кольцо, одинаковое напряжение, которые взаимно компенсируются.

Внешнее поле, направленное перпендикулярно оси, наводит на диаметрально противоположных сторонах прямоугольной многовитковой обмотки 2, свернутой в кольцо, одинаковые напряжения, которые тоже взаимно компенсируются. Поэтому наводки от внешнего пространственно однородного низкочастотного магнитного поля любой величины и направления, взаимно компенсируясь, на противоположных сторонах прямоугольной многовитковой обмотки 2, дают на выводах электровоспламенителя 4 напряжение, равное нулю. Таким образом, предлагаемое устройство индукционного запуска обеспечивает безопасность в условиях воздействия внешнего пространственно-однородного низкочастотного магнитного поля любого направления.

Максимальное значение величины наводки от поля помехи определяется только погрешностью изготовления полевоспринимающей катушки (непрямоугольностью катушки, погрешностью взаимного расположения витков и т.д.).

В режиме санкционированного инициирования ЭВ твердотопливного двигателя заявляемое устройство индукционного запуска функционирует следующим образом.

Магнитное поле (фиг. 3), создаваемое полесоздающей катушкой 5, замыкается через магнитопровод полесоздающей катушки 6 и полностью пересекает контур полевоспринимающей катушки 2, выполненной в виде прямоугольной многовитковой обмотки, свернутой в кольцо и помещенной в воздушный зазор между ферромагнитным стаканом и стержнем магнитопровода полесоздающей катушки 6.

Поскольку магнитный поток, создаваемый полесоздающей катушкой 5, полностью пересекает контур полевоспринимающей катушки 2, то на последней наводится максимальное напряжение, обеспечивающее необходимую энергию воспламенения для безотказного срабатывания электровоспламенителя 4.

Таким образом, заявляемое устройство индукционного запуска позволяет увеличить энергию воспламенения, наводимую в воспринимающей катушке, от поля управляющего сигнала и взаимно компенсировать эту энергию от поля помехи.

Был изготовлен и испытан макет заявляемого устройства индукционного запуска (фиг. 3).

Макет устройства имел следующие параметры:
Полесоздающая катушка (ПК):
число витков обмотки ПК 294;
провод ПЭТВ-2 диаметром 0,95 мм;
число витков в слое 21;
число слоев в обмотке катушки 14;
сопротивление провода обмотки катушки постоянному току 1,15 Ом;
индуктивность катушки на частоте 1000 Гц 3,8 мГн.

Полевоспринимающая катушка:
количество витков в спирали 8;
количество спиралей 32;
сопротивление проводящего рисунка постоянному току 6,0 Ом;
индуктивность проводящего рисунка на частоте 1000 Гц 22 мкГн.

При подаче на ПК одной полуволны напряжения 220В ±10% частотой 50 Гц на эквиваленте нагрузки ЭВ R=12 Ом выделялась энергия W=1,2 мДж. При этом наводимый сигнал на ВК имел параметры:
напряжение импульса u=2,6 B;
длительность импульса t=5,0 мс.

Полученной энергии достаточно для срабатывания ЭВ типа МБ-4-1 с вероятностью 0,9999 при доверительной вероятности 0,9.

Таким образом, испытаниями подтверждена работоспособность ЭВ с заданной вероятностью.

Помехозащищенность проверялась измерением наводимого напряжения на ВК при размещении ее в магнитном поле соленоида с числом витков 378 при среднем диаметре витка 140 мм и длине соленоида 70 мм.

Соленоид запитывался одной полуволной напряжения 220В частоты 50 Гц, напряженность магнитного поля в центре соленоида составляла 124 кА/м. Сопротивление провода обмотки соленоида постоянному току 4,6 Ом, индуктивность соленоида на частоте 1000 Гц 3,36 мГн.

Размещение катушки в центре соленоида (симметрично относительно оси и краев) не позволило зафиксировать наводки на катушке даже с учетом погрешности ее конструктивного выполнения на гибкой печатной плате.

Таким образом, устройство индукционного запуска обладает высокой надежностью срабатывания ЭВ за счет гарантированного приема необходимой энергии воспламенения от полеуправляющего сигнала и в то же время имеет по сравнением с прототипом повышенную безопасность в служебном обращении и в режиме эксплуатации за счет гарантированной помехозащиты от воздействия внешних паразитных ЭМП.

Использование: в системах индукционного запуска. Сущность: устройство индукционного запуска твердотопливного двигателя содержит корпус, полесоздающую катушку, полевоспринимающую катушку, электрически связанную с электровоспламенителем, причем полевоспринимающая катушка выполнена в виде прямоугольной одно- или многовитковой обмотки, свернутой в кольцо. 5 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство индукционного запуска твердотопливного двигателя, содержащее корпус, полесоздающую катушку, полевоспринимающую катушку, электрически связанную с электровоспламенителем, отличающееся тем, что в нем полевоспринимающая катушка выполнена в виде прямоугольной одно- или многовитковой обмотки, свернутой в кольцо. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем обмотка выполнена на гибкой печатной плате. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в нем катушка выполнена в виде спирали. 4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что в нем поперечные стороны витков прямоугольной обмотки установлены внахлест. 5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что в нем часть корпуса твердотопливного двигателя, охватывающего катушку, выполнена из ферромагнитного материала. 6. Устройство по пп. 1 4, отличающееся тем, что в нем внутри катушки установлена вставка из ферромагнитного материала.