ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ ХИМИЧЕСКИЙ ПАТРОН Российский патент 2000 года по МПК F42B5/08 

Область применения изобретения
Изобретение относится в целом к средствам и способам регулируемого воспламенения метательных взрывчатых веществ (порохового заряда) и более точно к электротермическим химическим патронам, приспособленным для использования в орудиях и т. п., в которых зажигание медленно горящего метательного взрывчатого вещества регулируется путем электрической активации конусообразного взрывателя (снарядной трубки).

Предпосылки изобретения
Эффективная передача давления (толчка) снаряду в орудии или снаряду в виде ракеты или т. п. зависит от регулирования воспламенения метательного взрывчатого вещества. Желательно, чтобы энергия сгорающего метательного взрывчатого вещества передавалась в пределах заданного времени, а именно в тот период времени, когда снаряд подвергается толчку от метательного взрывчатого вещества. Тем не менее полная и мгновенная детонация всего метательного взрывчатого вещества является разрушительной для орудия и не приводит к максимальному увеличению силы толчка. Предпочтительно давление, действующее на снаряд, должно быть в основном постоянным, чтобы тем самым достичь максимального ускорения при заданном допустимом давлении для данного калибра орудия.

В соответствии с современным техническим уровнем техники воспламенение и горение метательного взрывчатого вещества в обычных патронах регулируется геометрией гранул метательного взрывчатого вещества. Форма, размер и степень перфорирования гранул твердого метательного взрывчатого вещества регулируют скорость горения после воспламенения метательного взрывчатого вещества с помощью взрывателя. Однако эти факторы ограничивают плотность энергии, которая может быть заложена в патрон и впоследствии передана снаряду. Например, обычное метательное взрывчатое вещество RDX, используемое в данной области техники, имеет плотность около 1,8 грамма на кубический сантиметр. Оно, как правило, таблетировано в цилиндрические таблетки, имеющие диаметр 3/8 дюйма (9,525 мм) и длину 1/2 дюйма (12,7 мм), и подвергнуто перфорированию. В результате, находясь в таблетированном виде, необходимом для регулируемого сгорания в миллисекундном масштабе времени, RDX имеет плотность около 1 грамма на кубический сантиметр. Кроме того, к метательному взрывчатому веществу, как правило, добавляют десенсибилизирующие вещества, чтобы дополнительно замедлить или регулировать горение, причем эти вещества уменьшают плотность примерно наполовину по сравнению с исходной плотностью RDX.

Разновидностью обычного патрона является объемный патрон для жидкого метательного взрывчатого вещества, в котором менее чувствительное, но при этом и менее эффективное жидкое метательное взрывчатое вещество загружается при полной плотности. В данном случае скорость горения регулируется не за счет размера гранул, а за счет роста "Taylor Bubble" (пузырька Тейлора), представляющего собой граничный слой между газообразными продуктами горения и несгоревшим жидким метательным взрывчатым веществом. К сожалению, выделение пузырьков приводит к турбулентности текучей среды, а также к увеличению нестабильности и, таким образом, не обеспечивает воспроизводимости (повторяемости).

В качестве альтернативы обычным патронам в данной области техники была предпринята попытка инициировать и регулировать горение метательного взрывчатого вещества посредством электричества. Такие патроны обладают способностью передавать значительно больше энергии импульса по сравнению с обычными химическими патронами, поскольку в патрон может быть заложена более высокая плотность энергии, и сила удара (толчка) может быть передана снаряду более своевременно и более стабильным образом за счет дополнительного регулирования, обеспечиваемого с помощью электрического тока.

Один из известных в данной области техники способов воспламенения метательного взрывчатого вещества под управлением от электрического тока требует зажигания электрической дуги внутри одной или более капиллярных трубок, заделанных в метательное взрывчатое вещество. Некоторая степень регулирования обеспечивается за счет интенсивности излучения, отражающегося от воспламененного метательного взрывчатого вещества, поскольку яркость можно регулировать посредством электрического тока. Тем не менее степень регулирования находится в обратной зависимости от соотношения химически генерируемой и электрически подаваемой энергии. На одном полюсе находится обычное орудие, метательное взрывчатое вещество в котором было воспламенено посредством дуги. Оно обеспечивает высокую эффективность, но при этом скорость горения полностью зависит от метательного взрывчатого вещества. На другом полюсе имеет место ситуация, при которой вся подаваемая энергия электрическая. При этом обеспечивается полное регулирование импульса давления, и создается возможность выбора инертного метательного взрывчатого вещества с низким молекулярным весом, позволяющего достичь высоких скоростей. Однако эффективность использования электрической энергии для придания кинетической энергии снаряду в этом случае очень низкая.

При использовании множества конструкций с электрическим управлением сталкиваются с рядом таких же проблем, какие присущи обычным патронам с жидким метательным взрывчатым веществом, а именно со свойственной им невоспроизводимостью (неповторяемостью) динамики турбулентного смешивания и распространения пламени на расстояния внутри патрона. Это означает, что, несмотря на то, что подачу электрической энергии легко регулировать, это регулирование в данных конструкциях сводится на нет вследствие случайной динамики распространения фронтов горения, плазменных разрядов или электрически распыляемых брызг.

Например, в соответствии с еще одним способом, используемым в данной области техники, метательное взрывчатое вещество, содержащее две реактивные составляющие, воспламеняется местно путем использования электрической дуги для превращения в пар и затем распыления тумана из одной тонкоизмельченной (распыленной) составляющей внутри другой составляющей местным образом (локально). Некоторое количество таких локализованных инжекций в виде распыляемого тумана обеспечивает возможность регулирования распространения реакции по всему патрону. Однако в данной системе довольно существенны требования к электрическому входному сигналу для получения надлежащего смешивания, и, таким образом, данная система энергетически не эффективна. Кроме того, данная система ненадежна и сложна, поскольку динамика распыления является случайной и ненадежной (нестабильной), и, как следствие, получаются различные уровни смешивания двух составляющих.

При еще одном способе, используемом в данной области техники и описанном в патенте США N 4974487, выданном на имя Гольдштайна и др., ускорение снаряда вдоль ствола осуществляется посредством множественных источников плазменных струй, расположенных в продольном направлении в различных местах по длине ствола и в патроне в задней части ствола. Плазменная струя инициируется в диэлектрическом материале с низким молекулярным весом, расположенном в разрядной капиллярной трубке с электродами на каждом конце. Плазма наращивает давление за счет омического (активного) рассеяния ее энергии и проходит через текучую среду, которая также может быть превращена в пар, чтобы способствовать увеличению фронта давления, который приводит снаряд в движение. К сожалению, данному устройству присущи недостатки, связанные со случайной и невоспроизводимой динамикой плазмы и ее смешиванием с текучей средой. Несмотря на то, что можно регулировать ток, подаваемый в капиллярную трубку, поведение плазмы при начале нарастания давления, смешивание плазмы с текучей средой и происходящее в результате этого испарение составляющей текучей среды отличаются высокой степенью хаотичности и вызывают значительные проблемы. Кроме того, для достижения необходимых скоростей потока плазмы требуется значительное количество электрической энергии, что характерно и для других альтернативных способов, описанных выше.

В соответствующем устройстве, описанном в патенте США N 5072647, выданном на имя Гольдштайна и др., ускорение снаряда осуществляется в ответ на воздействие газа под высоким давлением, такого, как водород, генерируемого в результате экзотермической реакции суспензии воды и металлических частиц, инициируемой за счет плазменного разряда. Давление газообразного водорода поддерживается при ускорении снаряда вдоль ствола орудия путем увеличения электрической энергии, подаваемой к плазменному разряду. Однако данной конструкции также присущи проблемы, связанные с динамикой плазмы и рассмотренные в связи с вышеупомянутым патентом США N 4974487.

В устройстве по патенту США N 5052272, выданном на имя Лее, на металлический провод подается электрический импульс, чтобы создать электрическую искру на проводе, погруженном в суспензию частиц алюминия в воде, тем самым воспламеняя суспензию. Электрическая энергия продолжает проходить через суспензию и тем самым способствует интенсификации реакции. За счет этого реакция в смеси алюминия и воды происходит в основном в заданное время. Однако не предусмотрено никаких средств для регулирования скорости реакции, используя электрический ток после того, как начался разряд тока зажигания. Разрядный электрический импульс способствует экзотермической реакции алюминия и водорода, при этом не учитывается положение и скорость фронта реакции. Кроме того, все метательное взрывчатое вещество в патроне вступает в реакцию сразу (одновременно), что приводит к тем же проблемам, связанным с динамикой распространения пламени, которые характерны для других вышеупомянутых устройств.

Несмотря на то, что общая идея применения электротермических химических патронов сулит существенные преимущества по сравнению с обычными патронами с точки зрения эффективной и своевременной передачи усилия толчка к снаряду в орудии или к ракете или т.п., существует необходимость разработки надежного средства, позволяющего использовать электрический ток для регулирования воспламенения метательного взрывчатого вещества. В частности, требуется патрон, который позволяет избежать проблем, связанных с турбулентностью, имеет приемлемую эффективность подачи электрической энергии и работает надежно. Кроме того, желательно, чтобы такой патрон был сравнительно простым и недорогим в изготовлении.

Настоящее изобретение предпочтительно направлено на достижение вышеуказанных и других целей.

Краткое описание изобретения
В соответствии с изобретением разработан усовершенствованный электротермический химический (ETC) патрон, имеющий конусообразный взрыватель, в котором используется электричество для воспламенения и регулирования горения высокоэнергетического, медленно горящего химического метательного взрывчатого вещества. Длинная узкая трубка, имеющая отшлифованную проводящую наружную поверхность, по существу полностью заполнена метательным взрывчатым веществом, которое локально сгорает постепенно от переднего разгрузочного конца к заднему концу трубки за счет нагрева электрическим током или взрыва при расплавлении твердого металлического взрывателя, который проходит по длине внутренней поверхности трубки. Метательное взрывчатое вещество создает давление, которое выходит через разгрузочный конец для приведения снаряда в движение. Площадь поперечного сечения материала взрывателя сужается к разгрузочному концу, так что ток заданной величины, подаваемый через материал взрывателя, за счет разряда электрического импульса между электродом высокого напряжения, присоединенным у заднего конца трубки, и проводящей наружной поверхностью нагревает и взрывает материал взрывателя сначала в зоне, имеющей меньшую площадь поперечного сечения. Таким образом, фронт зажигания начинается у разгрузочного конца и продвигается в направлении заднего конца по мере того, как взрыватель достигает температур воспламенения и/или взрывается.

Рационально то, что небольшой диаметр трубки обеспечивает полное сгорание метательного взрывчатого вещества локально за счет взрывающегося материала взрывателя, и при этом не возникают проблемы, связанные с динамикой турбулентного смешивания. Поскольку метательное взрывчатое вещество горит медленно по сравнению со скоростью воспламенения материала взрывателя, продвижение фронта воспламенения от разгрузочного конца к заднему концу трубки полностью регулируется взрывателем и обеспечивает надлежащее сгорание метательного взрывчатого вещества. Это позволяет эффективно устранить приводящие к обратным результатам воздействия избыточного давления, которые могли бы иметь место, если бы все метательное взрывчатое вещество вступило бы в реакцию сразу, или воздействия стохастического распространения пламени, если бы плазма использовалась только для воспламенения метательного взрывчатого вещества в небольшой зоне.

Метательное взрывчатое вещество предпочтительно представляет собой суспензию металла и окислителя, такого как вода, которая горит медленно по сравнению со скоростью потребления взрывателя, но является высоко экзотермической, и (при сгорании) выделяет газы с низким атомным весом при высоких температурах и давлениях.

Слой изоляции между материалом взрывателя и отшлифованной наружной поверхностью трубки выполнен достаточно тонким для того, чтобы обеспечить возможность его местного разрушения при локальном воспламенении метательного взрывчатого вещества за счет нагрева материала взрывателя электрическим током до температуры воспламенения или при взрыве материала взрывателя. Тем самым израсходованный материал взрывателя, который в ином случае мог бы продолжать потреблять электрическую энергию, закорочен на отшлифованную наружную поверхность, что обеспечивает возможность получения большего количества электрической энергии неизрасходованным материалом взрывателя.

Одна такая трубка может служить в качестве патрона, или предпочтительно много подобных трубок могут быть объединены в пучок в корпусе для формирования патрона для орудий с более широким стволом. Конструкция патрона проста и экономична. Работа патрона надежна, поскольку она основывается не на распространении фронта воспламенения в текучей среде, который подвержен отклонениям (колебаниям) из-за турбулентной динамики.

Целью изобретения является разработка электротермического химического патрона, который эффективно использует электрическую энергию для воспламенения и регулирования горения медленно горящего метательного взрывчатого вещества надлежащим и надежным образом, чтобы обеспечить своевременную передачу огромного усилия выталкивания снаряду.

Следующей целью изобретения является разработка патрона, который позволяет избежать проблем, связанных с турбулентным смешиванием и распространением пламени, которые присущи устройствам по предшествующему техническому уровню, путем полного регулирования горения метательного взрывчатого вещества с помощью электрически регулируемого сужающегося твердого взрывателя в содержащей метательное взрывчатое вещество узкой трубке.

Еще одной целью изобретения является введение тонкого слоя изоляции в патрон между материалом взрывателя и проводящей наружной поверхностью, который разрушается за счет взрыва взрывателя или горения метательного взрывчатого вещества, так что фронт воспламенения может эффективно перемещаться по длине патрона.

Еще одной целью изобретения является разработка патрона, который прост и экономичен в изготовлении.

Вышеуказанные и дополнительные цели, признаки и преимущества изобретения станут очевидными при рассмотрении нижеприведенного подробного описания конкретных вариантов осуществления совместно с сопровождающими чертежами.

Краткое описание чертежей
Вышеуказанные и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из нижеследующего более подробного описания изобретения, представленного вместе со следующими чертежами, в которых:
фиг. 1 представляет собой сечение орудия, в котором применяется патрон по настоящему изобретению,
фиг. 2 представляет собой сечение длинного однотрубного патрона в соответствии с настоящим изобретением, в котором длинная центральная часть не показана, как отмечено неровной линией разрыва,
фиг. 3 представляет собой перспективное изображение длинного листа изоляции с протравленным слоем металла на нем, в котором длинная центральная часть не показана, как отмечено неровной линией разрыва,
фиг. 4 представляет собой перспективное изображение трубки, предназначенной для использования в патроне в соответствии с настоящим изобретением, причем длинная центральная часть трубки исключена, как отмечено неровной линией разрыва,
фиг. 5 представляет собой вид с торца многотрубного патрона в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения,
фиг. 6 представляет собой частичное сечение многотрубного патрона по фиг. 5.

Подробное описание изобретения
Нижеприведенное описание относится к наилучшему способу реализации изобретения, разработанному на данный момент времени. Это описание не следует рассматривать в ограничивающем смысле, оно представлено только в целях описания общих принципов изобретения. Объем изобретения определяется пунктами формулы изобретения.

На фиг. 1 в целом показано применение патрона 2 в соответствии с настоящим изобретением в орудии 4. Находящийся под высоким давлением газ, образующийся при воспламенении метательного взрывчатого вещества в патроне 2, выталкивает снаряд 6 из орудия 4. Питающие провода 7 и 8 подают электрический ток зажигания к взрывателю патрона от источника 9 высокого напряжения. Провод 7 присоединен к проводящему электроду у задней части патрона, в то время как провод 8 может подсоединяться к части наружной поверхности орудия, которая выполнена металлической и проводящей. Следовательно, существует токовая цепь (путь тока) для разряда импульса зажигания через провод 7 к электроду в задней части патрона, через материал взрывателя в патроне к проводящему корпусу патрона и затем к металлическому стволу орудия и наконец к проводу 8. Альтернативно, провод 8 может быть заземлен, и путь тока может проходить от металлической наружной поверхности орудия по существу к "земле".

В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, подробно описанным ниже, патрон, предназначенный для использования в широкоствольном орудии, таком, как показано на фиг. 1, содержит множество узких, наполненных метательным взрывчатым веществом трубок зажигания, соединенных вместе в пучок. В орудиях с небольшим (узким) стволом патрон может содержать только одну такую трубку.

Как показывает фиг. 2, электротермический химический патрон 10 в соответствии с настоящим изобретением выполнен трубчатым и по внешнему виду длинным и узким, что показано на фигуре неровной линией разрыва в центре патрона, представляющей длинную, непоказанную центральную часть. Патрон имеет разгрузочный конец 12 и задний конец 14, и снаряд, выстрел которого должен произойти из ствола орудия, получает воздействующее на него усилие из разгрузочного конца патрона. Патрон содержит еще изолирующий слой 16, взрыватель 18 на внутренней поверхности изолирующего слоя и проводящий слой 20 на наружной поверхности изолирующего слоя. Метательное взрывчатое вещество 24 в основном заполняет объем трубки.

Метательное взрывчатое вещество предпочтительно представляет собой такое вещество, которое генерирует газы с низким молекулярным весом, такие, как водород, и, более точно, содержит металл или гидрид металла в сочетании с окислителем. Наиболее точно, метательное взрывчатое вещество представляет собой алюминий в виде макрочастиц, находящийся во взвешенном состоянии в воде, которая содержит гелеобразующий агент (загуститель) для предотвращения осаждения алюминия. Такая смесь воспламеняется при температуре в диапазоне от примерно 1000^oC до 2000^oC , которая может быть достигнута путем получения такого диапазона температур в материале взрывателя, который, как правило, представляет собой металлический материал, который расплавляется или взрывается в данном температурном диапазоне. Предпочтительно к смеси может быть добавлен нитрат аммония (аммиачная селитра) для снижения пороговой температуры воспламенения в диапазоне от примерно 300^oC до 400^oC. При использовании такой смеси можно добиться воспламенения без взрыва металлического материала взрывателя.

Патрон 10 выполнен длинным, так что время, требуемое для сгорания метательного взрывчатого вещества от разгрузочного конца до заднего конца, при воспламенении его только с одного конца, является достаточно продолжительным по сравнению с интервалом времени, в который происходит взрыв материала взрывателя. Тем не менее патрон выполнен достаточно узким для того, чтобы полное сгорание метательного взрывчатого вещества в поперечном направлении происходило за период времени, который является коротким по сравнению с заданным (требующимся) временем. Таким образом, сгорание метательного взрывчатого вещества в продольном направлении регулируется путем нагрева и/или горения взрывателя 18.

Нагрев до определенной температуры или взрыв материала взрывателя с целью воспламенения метательного взрывчатого вещества достигается путем получения критического сочетания плотности электрического тока и продолжительности подачи электрического тока в материал взрывателя. Электрический ток подается посредством электрода 26 высокого напряжения, предпочтительно расположенного у заднего конца 14 патрона и находящегося в электрическом контакте с взрывателем. Ток течет через электрод 26, через материал взрывателя и в проводящий слой 20, который соединен с заземлением и с которым взрыватель находится в контакте у разгрузочного конца 12, как можно видеть на фигуре. Площадь поперечного сечения взрывателя 18 уменьшается от заднего конца 14 к разгрузочному концу 12, так что при заданном протекании электрического тока плотность тока в материале взрывателя увеличивается в направлении разгрузочного конца 12. Вследствие этого плотность электрической энергии достигнет критического порогового значения во взрывателе сначала в зоне разгрузочного конца, вызывая локальный нагрев или взрыв взрывателя и локальное воспламенение метательного взрывчатого вещества, и впоследствии смещается в направлении заднего конца регулируемым образом в зависимости от степени сужения (конусности), используемого материала взрывателя и имеющегося электрического тока помимо прочих факторов.

Изолирующий слой 16 отделяет взрыватель 18 от проводящего слоя 20 на электрическом потенциале Земли по всей длине патрона за исключением зоны у разгрузочного конца, в которой взрыватель 18 и проводящий слой 20 входят в контакт вокруг конца изолирующего слоя. Когда на электрод 26 подано высокое напряжение, ток течет через материал взрывателя и в проводящий слой. Поскольку площадь поперечного сечения материала взрывателя имеет наименьшую величину у разгрузочного конца, плотность тока у разгрузочного конца является наивысшей, заставляя этот материал взрывателя нагреваться более быстро, возможно до температуры взрыва, что приводит к воспламенению метательного взрывчатого вещества. Если метательное взрывчатое вещество представляет собой взрывчатое вещество такого типа, которое воспламеняется только при очень высоких температурах, таких как температура плавления или температура кипения металлического материала взрывателя, то этот материал переходит в расплавленное (жидкое) или парообразное состояние и разрушается локально. Если метательное взрывчатое вещество представляет собой взрывчатое вещество такого типа, которое воспламеняется при температуре, более низкой по сравнению с температурой плавления, или с температурой кипения металлического материала взрывателя, то материал взрывателя разрушается локально под действием силы взрыва местно воспламененного метательного взрывчатого вещества.

Когда материал взрывателя в зоне с наименьшей площадью поперечного сечения локально взрывается или разрушается, он оказывается фактически удаленным из электрической цепи зажигания, как описано ниже, и плотность тока достигает своего максимального значения в материале взрывателя, находящемся непосредственно рядом с разрушенным участком, который имеет площадь поперечного сечения, немного превышающую площадь поперечного сечения разрушенного участка, но меньшую по сравнению с любым другим оставшимся участком взрывателя. Таким образом, местоположение зоны с максимальной плотностью тока в неизрасходованном материале взрывателя и, следовательно, фронт воспламенения постепенно смещаются от разгрузочного конца к заднему концу.

В соответствии с изобретением слой изоляции 16 должен быть достаточно тонким, чтобы он разрушался при взрыве соседнего материала взрывателя или локальном горении метательного взрывчатого вещества, сопровождаемом местным разрушением соседнего материала взрывателя. Таким образом, по мере того, как фронт воспламенения материала взрывателя продвигается от разгрузочного конца к заднему концу, изолирующий материал разрушается вместе с продвижением фронта, и конец неизрасходованного материала взрывателя входит в контакт с наружным проводящим слоем, чтобы создать возможность непрерывного протекания электрического тока, или размещается достаточно близко к проводящему слою, чтобы создать возможность образования электрической дуги и тем самым обеспечить непрерывное воспламенение метательного взрывчатого вещества.

Предпочтительно, что тем самым устройство по настоящему изобретению позволяет избежать проблемы, заключающейся в том, что, когда материал взрывателя взрывается, он, как правило, сохраняет высокое омическое сопротивление и тем самым потребляет большую часть электрической энергии, подаваемой током, что препятствует превращению в пар оставшегося неизрасходованным материала взрывателя или предотвращает такое превращение. Поскольку изолирующий слой разрушается локально при взрыве материала взрывателя, остаток израсходованного взрывателя закорачивается на новый открывшийся для воздействия участок проводящего слоя 20 и, таким образом, не поглощает электрическую энергию из фронта материала в парообразном состоянии.

Как также можно видеть на фиг. 2, желательно, чтобы проводящий слой 20 не доходил до заднего конца патрона, где расположен электрод 26. Это предотвращает возможное образование дуги электрического тока от электрода непосредственно до проводящего слоя, которая могла бы обойти взрыватель и тем самым свести на нет эффективность изобретения. На конце проводящего слоя может быть предусмотрен изолирующий кожух 28, чтобы обеспечить дополнительную защиту от образования электрической дуги. Изолирующая опора 30 охватывает электрод 26 высокого напряжения и конец патрона для создания электрической изоляции от ствола орудия и других объектов и обеспечения опоры для узла в целом.

Более точно, взрыватель 18 может представлять собой прилегающий слой, покрывающий всю внутреннюю поверхность изолирующего слоя 16 в зоне, где толщина слоя взрывателя уменьшается от заднего конца к разгрузочному концу. Альтернативно, взрыватель может содержать множество параллельных полосок, проходящих по всей длине внутренней поверхности изолирующего слоя, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга по окружности, причем ширина каждой полоски уменьшается от заднего конца к переднему концу, а толщина остается такой же. Материал взрывателя может представлять собой любой металлический материал, известный в данной области техники и предназначенный для нагревания электрическим током и в конечном итоге для взрыва при приложении достаточной плотности электрического тока, и может быть прикреплен к внутренней поверхности изолирующего слоя любым способом, пригодным для указанного материала, как хорошо известно в данной области, включая способы осаждения, экструзии и травления (протравливания), но не ограничиваясь ими.

Аналогичным образом, проводящий слой 20 может состоять из любого металла, обладающего достаточной проводимостью, и может быть нанесен на наружную поверхность изолирующего слоя 16 любым из хорошо известных способов, включая осаждение, экструзию, травление и обертывание (наматывание).

Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения может быть рассмотрен со ссылкой на фиг. 3, на которой показан лист 50 изоляции Kapton, ламинированный слоем 52 меди. Лист выполнен длинным, как показано на фигуре неровной линией разрыва в центре листа, представляющей длинную, непоказанную центральную часть. Ламинирование (нанесение) меди осуществляют путем протравливания, используя способ травления печатных плат, хорошо известный в данной области техники, для получения конфигурации, содержащей множество параллельных полосок 54, которые сужаются от одного конца до другого. Толщина изоляции Kapton предпочтительно составляет около 5 миллиметров, а толщина медного слоя предпочтительно находится в диапазоне от примерно 1 миллиметра до примерно 3 миллиметров. Медные полоски 54 соединены друг с другом у обоих концов лентами 56 и 58. Лента 56 расположена в зоне, которая будет образовывать задний конец патрона, и используется для подсоединения к электроду высокого напряжения, в то время как лента 58 расположена в зоне, которая будет образовывать разгрузочный конец патрона. Лента 58 служит для создания конструктивной опоры для листа, но она не является обязательной для изобретения, и в альтернативном варианте медные полоски 54 могут проходить до края листа изоляции Kapton без объединения их с помощью какой-либо подобной ленты.

Наличие ленты 58 у разгрузочного конца не ухудшает эффективности применения суженных полосок 54 взрывателя при эксплуатации. Несмотря на то, что на ленте 58 может никогда не достигаться критическая плотность тока, необходимая для достижения температуры воспламенения, эта критическая плотность тока будет достигнута по существу рядом с разгрузочным концом непосредственно перед лентой 58, где полоски являются наиболее тонкими. Как описано выше, когда в данной зоне с полосками наименьшей ширины происходит локальное воспламенение, материал взрывателя разрушается, и соседний (примыкающий) материал взрывателя на полосках вводится в контакт с наружной проводящей поверхностью. Следовательно, лента 58 эффективно устранена из электрической цепи и не влияет на остальную часть процесса.

Лист ламинированной и протравленной изоляции свертывают в длинную трубку путем соединения краев 60 и 62. Получающаяся в результате трубка 100, показанная на фиг. 4, является длинной и узкой, что показано на фигуре неровной линией разрыва в центре трубки, представляющей длинную, непоказанную центральную часть. Трубка 100 имеет разгрузочный конец 102 и задний конец 104. Трубка содержит слой 106 изоляции Kapton, на внутренней поверхности которого находятся полоски 108 взрывателя, ширина каждой из которых уменьшается в направлении разгрузочного конца 102. Трубка может быть изготовлена, например, путем закручивания листа 50 изоляции Kapton вокруг цилиндрической оправки. У краев 60 и 62 ее соединяют с помощью продольной полоски клеящей ленты Kapton или т.п., наложенной вдоль стыка 110.

Трубка имеет проводящий слой 112, который может быть получен, например, путем обертывания (ее) листом алюминиевой фольги, имеющей толщину порядка 0,13 мм (0,005 дюйма). Слой 112 фольги предпочтительно заканчивается примерно за 10 сантиметров от заднего конца 104 трубки, чтобы предотвратить непосредственное образование электрической дуги между электродом и проводящим слоем, минуя зону 114 изолирующего слоя, открытого для воздействия. Чтобы предотвратить образование электрической дуги от края до электрода, край слоя 112 фольги дополнительно заизолирован путем наматывания клеящей полоски 116 изоляции Kapton или т. п. вокруг окружной поверхности трубки поверх края фольги. Хотя для ясности это и не показано на фигуре, следует понимать, что проводящая фольга имеет такую длину, что она проходит за край разгрузочного конца, и ее участок (отрезок), проходящий за край разгрузочного конца, может служить в качестве створки (заслонки), подлежащей обертыванию вокруг разгрузочного конца и вводу в контакт с материалом взрывателя на внутренней поверхности трубки. Альтернативно, вокруг верхнего края трубки накладывают отдельный кусок медной ленты, соединяющий внутренний слой взрывателя с наружным проводящим слоем.

В соответствии с еще одним вариантом исполнения настоящего изобретения, множество трубок, таких, как показанная на фиг. 4, могут быть соединены вместе в пучок в корпусе, и для них может быть предусмотрен один электрод высокого напряжения; такая конструкция используется для широкоствольных орудий. Предпочтительно плотно упаковать такое множество (трубок) в корпус, и с этой целью трубкам может быть придана такая форма, чтобы они плотно и по существу полностью заполняли все пространство цилиндрического корпуса.

Фиг. 5 представляет собой вид с торца, показывающий одну схему плотной упаковки трубок в корпус, при которой по существу не остается никакого открытого пространства между трубками. Корпус 150 содержит сорок девять трубок, из которых сорока восьми трубкам придана такая форма, что они имеют поперечные сечения в виде трапеции, а одна трубка 152 имеет цилиндрическую форму. Несмотря на то, что формы трубок не обязательно должны быть идентичными, желательно поддерживать осевую симметрию при размещении трубок в корпусе. Для снаряда диаметром 132 мм слой изоляции Kapton с протравленным медным слоем, как описано выше, может сначала быть обернут вокруг цилиндрической оправки диаметром 0,75 дюйма (19,05 мм) и может иметь три полоски 108 взрывателя. Затем цилиндрическим трубкам может быть придана трапециевидная или другая форма поперечного сечения путем надевания их на оправки соответствующей формы.

На фиг. 6 показано частичное сечение патрона 200 с множеством трубок, в котором объединенные в пучок трубки 202 показаны не в сечении, а корпус 204, электрод 206 высокого напряжения и другие компоненты показаны в сечении. Патрон 200 имеет задний конец 208 и разгрузочный конец 210. Корпус 204 выполнен металлическим, чтобы обеспечить конструктивную опору и чтобы обеспечить электрический контакт с "землей" (заземление) для проводящих поверхностей трубок 202. Сжатие и небольшая деформация пучка трубок 202 при вставке их в корпус 204 обеспечивают хорошее соединение с "землей", поскольку они прижаты к металлическому охватывающему корпусу 204. Такая степень деформирования, как видимая на фигуре на участке 212 патрона, обеспечивает данное соединение, при этом не оказывая заметного ухудшающего воздействия на работу патрона.

Конусообразный, имеющий форму колпачка изолятор 214, предпочтительно изготовленный из поликарбоната марки Lexan, поставляемого фирмой General Electric Co. , или из высокомодульного полиуретана, изолирует электрод 206 высокого напряжения от заземленного охватывающего корпуса 204, а также проходит на требуемую длину электрического пробоя за местоположение задних концов трубок 202. Форма изолятора 214 позволяет получить герметичное уплотнение относительно находящихся под высоким давлением газов у стыка с внутренней стороной патрона, а также с наружным краем электрода.

Патрон 200 может быть изготовлен следующим образом: сначала трубкам 202, которые образуют пучок, придают форму на оправках в соответствии с их конфигурацией, показанной на фиг. 5. Затем трубки объединяют вместе в пучок, и задние концы соединенных в пучок трубок погружают в ванну расплавленного припоя, содержащегося внутри чашеобразного медного электрода 206. После того как припой охладится, изолирующий колпачок 214 наклеивают на электрод у заднего конца пучка, и узел вставляют в 5-дюймовый (имеющий диаметр 127 мм) корпус 204 гильзы для орудия, сжимая трубки и изолирующий колпачок у заднего конца патрона для образования вышеупомянутого герметичного уплотнения. 5-дюймовую гильзу орудия модифицируют путем фрезерования для получения съемной задней опорной пластины, которая может быть ввинчена обратно на место. Для дополнительной герметизации патрона могут быть использованы клеящие вещества, как известно в данной области. Затем заднюю стальную опорную пластину ввинчивают в задний конец корпуса над изолирующим колпачком и электродом. Метательное взрывчатое вещество добавляют в трубки до желательного уровня со стороны разгрузочного конца. Метательное взрывчатое вещество, как правило, представляет собой смесь 50% воды, 50% алюминиевого порошка, имеющего средний диаметр частиц порядка 3 микрон, и небольшого количества гелеобразующего агента. Размер и форму частиц алюминиевого порошка можно изменять для регулирования скорости горения; в частности, можно использовать алюминиевые чешуйки (пластинки) толщиной менее 1 микрона. Кроме того, в суспензию может быть добавлен нитрат аммония, чтобы существенно снизить пороговую температуру воспламенения. И в завершение, патрон герметизируют со стороны переднего конца путем штамповки и установки (крепления) тонкого алюминиевого колпачка 216 на месте с помощью уплотняющего состава.

Электрическую энергию и ток высокого напряжения подают к электроду через элементы, аналогичные отверстию под боек ударника, какое можно обнаружить в обычном орудии. Источник электрической энергии может представлять собой индуктор, конденсаторную батарею, униполярный генератор, магнитогидродинамический источник энергии, приводимый в действие взрывчатыми веществами, или устройство сжатия вращающегося потока.

Предпочтительно используют конденсаторную батарею, способную подавать импульс тока продолжительностью около 5 миллисекунд при достижении максимального тока в диапазоне от 120000 до 500000 A.

Несмотря на то, что раскрытое в данном материале изобретение описано на базе определенных вариантов осуществления и их применения, специалистами в данной области могут быть выполнены многочисленные модификации и варианты изобретения, не отходя от объема изобретения, определенного в формуле изобретения.

Изобретение относится к средствам и способам регулируемого воспламенения метательных взрывчатых веществ, в частности к электротермическим химическим патронам для использования в орудиях. Длинная узкая трубка, заполненная метательным взрывчатым веществом, имеет взрыватель на своей внутренней поверхности с поперечным сечением, площадь которого уменьшается в направлении разгрузочного конца. Взрыватель отделен от заземленного корпуса патрона слоем изоляции, который выполнен достаточно тонким для того, чтобы подвергаться разрушению при воспламенении метательного взрывчатого вещества взрывателем. Электрод высокого напряжения, присоединенный у заднего конца трубки, предусмотрен для подачи импульса тока достаточной плотности с целью нагрева электрическим током или поджигания (взрыва) взрывателя регулируемым образом от разгрузочного конца к заднему концу. Для широкоствольных орудий в большом корпусе может быть объединено вместе в пучок множество подобных трубок. При изготовлении патрона сначала изготавливают трубки из листового изолирующего материала, заполняют ее метательным взрывчатым веществом и устанавливают электрод высокого напряжения. Изолирующий лист ламинирован на своей внутренней поверхности множеством параллельных металлических полосок взрывателя переменной ширины. Электрод подсоединяют к проводящему материалу, нанесенному на наружной поверхности листовой заготовки. Изобретение позволяет упростить конструкцию патрона, снизить затраты на его изготовление и повысить надежность работы за счет эффективного использования электрического тока для регулирования воспламенения метательного взрывчатого вещества. 3 с. и 18 з. п.ф-лы, 6 ил.

1. Электротермический химический патрон, содержащий трубку, имеющую разгрузочный конец и задний конец, размещенные в трубке изолирующий слой трубчатой формы, имеющий внутреннюю и наружную поверхность, электрод высокого напряжения, метательное взрывчатое вещество, которым, по существу, заполнен объем трубки, отличающийся тем, что он снабжен проводящим слоем, расположенным на наружной поверхности изолирующего слоя, взрывателем в виде слоя из соответствующего проводящего материала, расположенного на внутренней поверхности изолирующего слоя и проходящего от разгрузочного конца до заднего конца трубки с возможностью нагрева его до пороговой температуры при подаче к нему тока достаточной плотности, при этом площадь поперечного сечения взрывателя уменьшается в направлении от заднего конца к разгрузочному концу трубки, а электрод высокого напряжения находится в электрическом контакте со слоем взрывателя у заднего конца трубки. 2. Патрон по п.1, отличающийся тем, что изолирующий слой выполнен достаточно тонким, чтобы при воспламенении метательного взрывчатого вещества на этом участке изолирующий слой был разрушен в непосредственной близости от зоны воспламенения и больше не изолировал проводящий слой от участка израсходованного взрывателя. 3. Патрон по п.2, отличающийся тем, что проводящий слой расположен от разгрузочного конца до места, достаточно удаленного от заднего конца с тем, чтобы предотвратить образование электрической дуги между электродом высокого напряжения и проводящим слоем. 4. Патрон по п.3, отличающийся тем, что он снабжен изолирующим кожухом, закрывающим край проводящего слоя в зоне, ближайшей к заднему концу трубки. 5. Патрон по п.4, отличающийся тем, что он снабжен изолирующей опорой, закрывающей электрод высокого напряжения и часть изолирующего слоя. 6. Патрон по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что слой взрывателя представляет собой множество полосок, проходящих от заднего конца к разгрузочному концу, при этом ширина каждой из полосок уменьшается в направлении разгрузочного конца. 7. Патрон по п.6, отличающийся тем, что слой взрывателя содержит медь. 8. Патрон по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что метательное взрывчатое вещество содержит частицы алюминия, суспендируемого в воде посредством гелеобразующего агента. 9. Патрон по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что метательное взрывчатое вещество содержит частицы алюминия и нитрат аммония, суспендированные в воде посредством гелеобразующего агента. 10. Составной патрон, содержащий наружный корпус, имеющий разгрузочный конец и задний конец и один электрод высокого напряжения, отличающийся тем, что он содержит множество электротермических химических патронов по любому из пп.1 - 9, соединенных вместе в пучок внутри наружного корпуса, причем каждый из них включает в себя изолирующий слой трубчатой формы, слой взрывателя и метательное взрывчатое вещество, которое, по существу, заполняет объем трубки, а электрод высокого напряжения находится в электрическом контакте со всеми слоями взрывателя у заднего конца. 11. Патрон по п.10, отличающийся тем, что проводящие слои находятся в электрическом контакте друг с другом. 12. Патрон по п.11, отличающийся тем, что метательное взрывчатое вещество содержит частицы алюминия, суспендированные в воде посредством гелеобразующего агента. 13. Патрон по п.11, отличающийся тем, что метательное взрывчатое вещество содержит частицы алюминия и нитрат аммония, суспендированные в воде посредством гелеобразующего агента. 14. Патрон по п.11, отличающийся тем, что снабжен изолирующей опорой, в основном закрывающей единственный электрод высокого напряжения для предотвращения электрического контакта между указанным электродом и наружным корпусом. 15. Способ изготовления электротермического химического патрона, включающий в себя этапы изготовления трубки из изолирующего материала, имеющего внутреннюю и внешнюю поверхности, заполнения трубки метательным взрывчатым веществом и установки электрода высокого напряжения, отличающийся тем, что указанную трубку изготавливают путем сворачивания листовой заготовки, которая является листом изоляции, ламинированным на своей внутренней поверхности множеством параллельных проводящих металлических полосок взрывателя, суживающихся по своей ширине, причем на существенную часть длины наружной поверхности листовой заготовки наносят покрытие проводящим материалом и присоединяют электрод высокого напряжения к широким концам полосок взрывателя. 16. Способ по п.15, отличающийся тем, что указанное множество полосок взрывателя обеспечивают травлением слоя меди, который ламинирован на внутренней поверхности указанного листа изоляции. 17. Способ по п.15 или 16, отличающийся тем, что наносят изолирующий материал на концевую часть указанного проводящего материала, наиболее близкую к указанному электроду высокого напряжения. 18. Способ по любому из пп.15 - 17, отличающийся тем, что заполняют трубки метательным взрывчатым веществом, содержащим частицы алюминия, суспендированные в воде посредством гелеобразователя. 19. Способ по любому из пп.15 - 17, отличающийся тем, что заполняют трубки метательным взрывчатым веществом, содержащим частицы алюминия и нитрата аммония, суспендированные в воде посредством гелеобразователя. 20. Способ по любому из пп.15 - 19, отличающийся тем, что множество указанных трубок соединяют вместе в пучок в наружном корпусе. 21. Способ по п.20, отличающийся тем, что указанным трубкам придают форму, способствующую существенному заполнению ими всего объема корпуса.