БЫСТРОСГОРАЮЩИЙ ЗАРЯД ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 1999 года по МПК F02K9/10 

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к конструкциям быстросгорающих зарядов твердого топлива, которые могут быть использованы для воспламенителей, двигателей системы аварийного спасания, газогенераторов автомобильных пневматических подушек и других импульсных ракетных двигателей и газогенераторов на твердом топливе.

Поиск, проведенный по отечественным и зарубежным источникам информации, показал, что в технике известны различные конструкции быстросгорающих зарядов твердого топлива. Чаще всего это множество тонкостенных шашек, так или иначе закрепленных в камере двигателя. Так, по заявке Японии N 60-11221 шашки собираются в пакет при помощи соединительных деталей.

Быстросгорающие заряды твердого топлива по патенту Франции N 2181178, заявкам Франции NN 2201170 и 2183591, патенту США N 3962865 представляют собой набор тонкосводных шашек, которые одним из своих концов прикреплены (вклеены) к опоре либо приклеены по образующей к ленте из гибкого материала, которую затем спирально скручивают вокруг оси заряда. Как правило, каждая из твердотопливных шашек имеет канал, что обеспечивает нейтральный закон горения топлив, т.е. с примерно постоянной площадью поверхности горения.

Заряды по заявке Великобритании N 1581080, заявке ФРГ N 2757764 представляют собой спирально конструкции из топливных лент, прикрепленных к центральной опорной ленте. При свертывании такого заряда и установке его в корпус образуются зазоры между витками спиральной ленты топлива, обеспечивающие двустороннее горение топлива с постоянной площадью поверхности горения.

Недостатками трубчатых конструкций зарядов является то, что при сгорании заряда топливные шашки могут разрушаться из-за избыточного внутриканального давления. При этом несгоревшие частицы топлива вылетают в сопло, что приводит к большим разбросам суммарного импульса тяги двигателя.

Основные недостатки тонкосводных ленточных зарядов связаны с трудностями технологического характера. Кроме того, они могут терять форму вплоть до нарушения целостности в процессе хранения, эксплуатации и при старте в составе изделия с высокими ускорениями.

Наиболее близкой к заявляемому решению является конструкция заряда по заявке Великобритании N 2214277, которая и была взята за прототип. Быстросгорающий заряд твердого топлива с целью сохранения целостности в процессе хранения и эксплуатации содержит ячеистую несущую конструкцию в виде пересекающихся связующих элементов (крестообразную подложку с несколькими пересекающимися связующими элементами), на которые наносится покрытие из твердого топлива. Для обеспечения большой площади горения и с целью достижения быстрого сгорания между покрытыми топливом связующими элементами выполнены промежутки, ограничивающие область поверхности горения топлива. В случае применения, когда желательно минимальное образование дыма, ячеистая несущая конструкция должна предпочтительно изготавливаться из углерода, графита или несгораемого материала.

Так как ячеистая несущая конструкция, судя по рисунку, образована из проволоки или стружки, то характер работы такого заряда может быть отождествлен с одновременным сжиганием множества канальных шашек с бронированными каналом и торцами.

Недостатком данной конструкции быстросгорающего заряда твердого топлива является то, что она в отличие от трубчатого и листового зарядов обеспечивает дегрессивный закон горения, при котором поверхность горения монотонно уменьшается, т. к. горение происходит только по наружной поверхности. При этом в начальный момент горения в камере создается максимальное давление, соответствующее начальной поверхности заряда, под которое рассчитывается толщина стенки камеры, хотя при дальнейшем горении заряда давление неуклонно падает (кривая 1, фиг. 1), и такой толщины стенки камеры себя уже не оправдывают.

Задачей настоящего изобретения является создание быстросгорающего заряда твердого топлива с ячеистой несущей конструкцией, обеспечивающего "нейтральный" закон горения.

Поставленная задача решается предлагаемой здесь конструкцией быстросгорающего заряда твердого топлива. Она содержит ячеистую пространственную несущую конструкции из пересекающихся связующих элементов, покрытых слоем твердого топлива. Причем несущие ("связующие") элементы выполнены в виде пустотелых "балок" с газопроницаемыми стенками.

Предложенная конструкция отличается от прототипа иным выполнением несущих (связующих) элементов, что дает основание считать данное техническое решение соответствующим критерию "новизна".

Выполнение несущих элементов в виде пустотелых "балок" с газопроницаемыми стенками, позволяет получить заряд, обеспечивающий нейтральный закон горения, т. е. при котором площадь поверхности горения остается постоянной, т.к. топливо горит как по наружной, так и по внутренней стороне, и тем самым удается избежать заметного изменения давления в процессе горения заряда. Оно держится на одном уровне (кривая 2, фиг. 1) на протяжении всего времени горения заряда. Отсутствие пика давления в первоначальный момент позволяет оптимизировать толщину стенок камеры, что снижает пассивную массу изделия и экономит материал.

Кроме того, благодаря двустороннему горению заряда мы получаем по сравнению с прототипом и дополнительный положительный эффект - уменьшение времени горения заряда, т.е. при одинаковых массе, габаритах и среднем уровне давления наш заряд сгорит примерно в два раза быстрее, что тоже является очень важным моментом при использовании данных зарядов в системах аварийного спасания, где требуется очень быстрое сгорание заряда. Более того, предлагаемое решение дополнительно снижает пассивную массу изделия за счет облегчения ячеистой несущей конструкции.

Такое выполнение не было очевидным для специалистов, непосредственно из уровня техники не вытекает, что дает основание считать данное техническое решение обладающим изобретательским уровнем.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом (фиг. 2), где изображена конструкция быстросгорающего заряда. Она содержит ячеистую несущую конструкцию 1 в виде пересекающихся связующих элементов 2, покрытие из твердого топлива 3. Связующие элементы выполнены в виде пустотелых балок необходимого сечения (например, круглого) с газопроницаемыми стенками 4.

Конструкция работает следующим образом (фиг. 3).

При срабатывании воспламенителя продукты его сгорания контактируют с внешней поверхностью 5 твердого топлива 3, нанесенного на ячеистую несущую конструкцию и воспламеняют ее. При этом часть продуктов сгорания попадает внутрь связующих элементов, выполненных в виде пустотелых балок, и далее, проходя через газопроницаемые стенки 4, зажигает внутреннюю поверхность 6 топлива 3, нанесенного на несущее основание, т.е. топливо горит с двух сторон: внутренней и наружной, что обеспечивает постоянную поверхность горения, позволяя избегать пика давления в начальный момент загорания заряда и уменьшает время сгорания заряда твердого топлива.

Пример. На предприятии была изготовлена и опробована конструкция быстросгорающего заряда, содержащая несущую ячеистую конструкцию из высокопористого проницаемого ячеистого материала (ВПЯМ), ТУ 40-03847211-003-94. Опорная конструкция изготавливается методом порошковой металлургии осаждением металла (керамики) на формооснову из пенополиуретанов с последующим его спеканием и параллельным выжиганием пенополиуретана. В итоге связующих элементы представляют собой пустотелые "балки" с треугольным сечением (получающимся в результате тесного контакта трех газовых пузырей при образовании пенополиуретана) и с газопроницаемыми стенками. Полученную пространственную решетку опускают в топливную массу, которая осаждается на ней и застывает.

В конечном счете получаемый заряд представляет собой объемную ячеистую газопроницаемую конструкцию, где отдельная элементарная ячейка (фиг. 4) в пределе является додекаэдром слегка вытянутой формы (коэффициент формы 1,1 - 1,3).

Предложенная конструкция быстросгорающего заряда твердого топлива при изготовлении не вызывает затруднений, т.к. используемые для этого элементы и материалы изготавливаются прогрессивными известными в промышленности способами. Потребность же их использования в двигателях системы аварийного спасания и газогенераторах автомобильных пневматических подушек безусловна. Таким образом, данное техническое решение обладает и третьим критерием "промышленной применимостью".

Использование в конструкциях воспламенителей двигателей системы аварийного спасения. Конструкция быстросгорающего заряда твердого топлива содержит ячеистую несущую конструкцию (1) в виде пересекающихся связующих элементов (2), покрытие из твердого топлива (3). При этом связующие элементы выполнены пустотелыми с газопроницаемыми стенками. (4). Предложенная конструкция заряда твердого топлива обеспечивает нейтральный закон горения заряда, что позволяет избежать заметного изменения давления в процессе горения заряда, а также уменьшить время сгорания заряда. 4 ил.

Быстросгорающий заряд твердого топлива, содержащий ячеистую несущую конструкцию в виде пересекающихся связующих элементов и покрытие из твердого топлива, отличающийся тем, что связующие элементы выполнены пустотелыми с газопроницаемыми стенками.