ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ ЗАРЯД ГАЗОГЕНЕРАТОРА Российский патент 2003 года по МПК F02K9/95 

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при проектировании, отработке и изготовлении твердотопливных зарядов для газогенераторов, в частности для катапульт ракет и других устройств.

Особенностью катапультных устройств применительно к твердотопливному заряду является:
- малый диаметр камеры для размещения заряда;
- малое время заполнения газом от сгорания заряда свободного подпоршневого объема;
- увеличение подпоршневого объема при движении поршня под воздействием пороховых газов.

Существующее решение - использование в качестве заряда конструкции, представляющей собой связку цилиндрических канальных шашек твердого топлива, забронированных по наружной поверхности с целью обеспечения прогрессивного газоприхода - требует для размещения заряда камеры относительно большого диаметра. (Заряды 9Х198, 9Х198-01, см. "Пороховые заряды к газогенераторам и пороховым аккумуляторам давления", Каталог ЦНИИНТИ, 1987).

Использование в качестве заряда катапульты воспламенителей с пленочной оболочкой, которые обеспечивают быстрый газоприход за счет малого времени сгорания зерен дымного пороха и представляют собой по форме диски разной толщины, невозможно по двум причинам:
1) данные воспламенители дают прогрессивно-дегрессивный характер кривой газоприхода;
2) конструкция обеспечивает соотношение толщины воспламенителя к его диаметру 0,2. ..0,7. Предусмотренное соотношение продиктовано, с одной стороны, технологическими ограничениями по формованию оболочек воспламенителя из полиэтилентерефталатной пленки, ламинированной полиэтиленом, а с другой стороны, практика отработки воспламенителей для ракетной техники указанной конструкции показала, что эффективность воспламенителей, имеющих соотношение толщины к диаметру около и более единицы, падает. К тому же воспламенитель, имеющий толщину, близкую по размеру к его диаметру, а тем более больше, заключенный в трубу (камеру сгорания), при воздействии пиропатрона приведет к нерасчетному подъему давления или разрушению газогенератора из-за того, что со стороны пиропатрона навеска воспламенительного состава воспламенилась, а отверстия опорной решетки для выхода пороховых газов с противоположной стороны еще перекрыты невоспламенившейся частью воспламенителя.

В качестве прототипа патентуемой конструкции заряда рассматривается конструкция заряда воспламенителя, описанная в патенте Российской Федерации 2170842 С1.

Конструкция и работа выбранного в качестве прототипа заряда воспламенителя поясняются фиг. 1, 2 и 3.

На фиг. 1 изображена конструкция прототипа:
1 - сварная оболочка из полимерной пленки;
2 - навеска воспламенительного состава;
3 - полиэтиленовая оболочка;
4 - оболочка из полиэтилентерефталатной пленки;
5 - воспламенитель в виде "гармошки";
6 - клей;
7 - бандаж.

На фиг. 2 представлен воспламенитель-"гармошка" в камере твердотопливного газогенератора:
2 - навеска воспламенительного состава;
8 - стенки камеры сгорания;
9 - опорная решетка.

На фиг. 3 показаны кривые газоприхода прототипа:
а - при последовательном загорании секций;
б - при начальном зажжении 2-3 секций.

Конструкция воспламенителя, принятая за прототип, состоит из размещенной в сварной оболочке из полиэтиленовой пленки 1 и навески воспламенительного состава 2. Внутренний слой оболочки 3 выполнен из полиэтилена, а наружный из полиэтилентерефталата или же оболочка 4 выполнена из полиэтилентерефталатной пленки, ламинированной полиэтиленом. Оболочка выполнена в виде прямоугольного пакета, разделенного поперечными перемычками на секции. Секции могут быть расположены в виде "гармошки" 5 и соединены между собой с помощью клея 6 или же скреплены бандажом 7.

Конструкция технологична, обеспечивает быстрый газоприход, однако применительно к твердотопливному газогенератору катапульта имеет ряд недостатков, исключающих ее использование:
1) Прямоугольная форма воспламенителя не обеспечивает его оптимальное размещение в цилиндрической удлиненной камере сгорания.

2) Воспламенитель, выполненный в форме "гармошки", требует для обеспечения эксплуатационной надежности закрепления в цилиндрической камере сгорания с помощью специальных узлов крепления.

3) Из-за наличия нескольких двойных стенок смежных секций на пути действия пиропатрона будет иметь место задержка воспламенения.

4) Воспламенитель перекрывает большую часть отверстий опорной решетки на пути действия пиропатрона и, таким образом, не будет обеспечиваться надежная работа газогенератора (фиг. 2).

5) Воспламенитель в данном конструктивном исполнении не дает прогрессивный газоприход, необходимый для твердотопливных зарядов для газогенераторов. Последовательное загорание секций приведет к получению кривой газоприхода, изображенной на фиг.3. В случае зажжения пиропатроном первой секции, от которой последовательно воспламеняются оставшиеся секции, имеем вариант кривой "а", в случае зажжения одновременно 2-3 секций имеем вариант кривой "б". Такие кривые не обеспечивают надежную работу катапульты из-за возможного заклинивания поршня при спадах давления.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание высокотехнологичной, поддающейся полной автоматизации процесса изготовления конструкции твердотопливного заряда, состоящего из навески воспламенительного состава и полимерной оболочки, например, полиэтилентерефталатной пленки, ламинированной полиэтиленом применительно к цилиндрическим камерам сгорания с соотношением длины к диаметру, близким или большим единицы.

Технический результат достигается за счет того, что в твердотопливном заряде газогенератора, состоящем из навески воспламенительного состава, заключенного в оболочку из полиэтилентерефталатной пленки, ламинированной полиэтиленом, выполненном в виде патронташа, свернутого в цилиндр с центральным каналом, каждый карман патронташа заполнен элементом порохового состава плотной упаковки в загерметизированном виде, а патронташ своим наружным диаметром прилегает к внутренней поверхности камеры сгорания без зазора.

Оболочка из синтетической полимерной пленки скроена и сварена с помощью термосварки в виде патронташа, карманы которого заполнены воспламенительным составом и заварены с помощью термосварки. Патронташ свернут в цилиндр по диаметру камеры сгорания с образованием центрального канала. Длина такого заряда может быть больше его диаметра и рассчитывается исходя из внутрибаллистических требований. Каждый заполненный карман получает продольную жесткость и устойчивость за счет прочной полиэтилентерефталатной, ламинированной полиэтиленом, пленки и плотного заполнения заваренного кармана воспламенительным составом.

Предлагаемая конструкция сочетает в себе как достоинства прототипа (простота изготовления, технологичность, малые трудозатраты, низкая стоимость, возможность полной автоматизации процесса изготовления), так и характеризуется новыми существенными признаками и качествами.

Первым существенным отличием предлагаемой конструкции является выполнение его в виде патронташа из прочной полиэтилентерефталатной пленки, ламинированной полиэтиленом, карманы которого заполнены воспламенительным составом с твердым топливом и загерметизированы с помощью термосварки.

Вторым существенным признаком является образование за счет свертывания патронташа в цилиндр центрального канала, такого в просвете, чтобы обеспечивалось зажжение от расширяющегося форса пламени пиропатрона в первую очередь прилегающей к опорной решетке части заряда. За счет этого исключается нерасчетный подъем давления в камере твердотопливного газогенератора и обеспечивается прогрессивный газоприход в запоршневом объеме катапульты.

Минимальная площадь проходного сечения канала может быть выполнена исходя из обеспечения расстояния места встречи форса пламени пиропатрона с зарядом не более 9 минимальных диаметров канала со стороны выхода газов из канала.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг. 4 изображена патентуемая конструкция в виде заваренного (герметичного) патронташа:
2 - навеска воспламенительного состава;
10 - полиэтилентерефталатная, ламинированная полиэтиленом оболочка;
11 - сварные швы.

На фиг. 5 представлено поперечное сечение вариантов исполнения патентуемой конструкции заряда.

На фиг. 6 изображена картина загорания патентуемого заряда:
2 - навеска воспламенительного состава;
8 - стенки камеры сгорания;
9 - опорная решетка;
12 - форс пламени пиропатрона;
13 - канал заряда.

На фиг. 7 приведена кривая газоприхода заряда по ОСТ 84-2205-88:
14 - прогрессивный участок кривой;
15 - дегрессивный участок кривой.

На фиг. 8 приведена кривая газоприхода патентуемой конструкции;
14 - прогрессивный участок кривой;
15 - участок спада кривой.

На фиг. 9 показан начальный момент воспламенения и горения патентуемого заряд:
2 - навеска воспламенительного состава;
8 - стенки камеры сгорания;
9 - опорная решетка;
12 - форс пламени пиропатрона;
16 - истекающие потоки пороховых газов.

Свернутый в цилиндр патронташ, несмотря на несоединенные термосваркой крайние элементы, представляет собой в камере твердотопливного газогенератора жесткую конструкцию за счет жесткости самих карманов и ограничивающих развертывание патронташа стенок камеры сгорания. Патронташ в таком виде образует центральный канал, что очень важно как для обеспечения нормальной работы (сгорания) заряда, так и для обеспечения прогрессивного газоприхода. Жесткая конструкция заряда гарантирует его нормальную эксплуатацию без узлов крепления, кроме опорной решетки (фиг.6).

Поясним механизм газоприхода заряда и обеспечения прогрессивного газоприхода предлагаемой конструкции заряда.

Как известно, газоприход (G) определяется поверхностью (S) горения заряда и скоростью горения топлива (U):
G=S•U.

Исходя из выражения для G ясно, что прогрессивный характер кривой газоприхода во времени (t) G=(t) обеспечивается в случае увеличения поверхности горения заряда в процессе его выгорания.

Если заряд представляет собой навеску из отдельных гранул твердого топлива, а длина заряда меньше его диаметра, то известные конструкции обеспечивают прогрессивно-дегрессивную кривую газоприхода (фиг.7). Участок 14 характеризует загорание гранул по всему объему заряда, а участок 15 дегрессивное догорание гранул.

Механизм такой кривой обеспечивается "прошиванием" заряда форсом пламени пиропатрона насквозь с воспламенением гранул твердого топлива практически одновременно по всему объему.

Отличие патентуемого заряда по механизму образования газоприхода от прототипа и от известных зарядов прогрессивного горения, представляющих собой одну или несколько монолитных цилиндрических шашек с центральным каналом, забронированных по наружной поверхности, заключается в том, что прогрессивный газоприход патентуемого заряда обеспечивается за счет направленного воспламенения гранул твердого топлива от канальной к наружной поверхности.

Если в дискообразных по форме воспламенителях с пленочной оболочкой и гранулированной навеской твердого топлива воспламенение всех гранул происходит, как сказано выше, практически одновременно по всему объему при их разлете, а затем идет дегрессивное догорание гранул (см. фиг.7), то в патентуемом заряде форс пламени пиропатрона, действуя через канал заряда, воздействует на оболочку заряда только по касательной, прожигает ее и воспламеняет гранулы твердого топлива со стороны канала. Газоприход обеспечивается одновременно за счет распространения фронта воспламенения по своду и длине заряда и за счет горения гранул. Пока фронт воспламенения распространяется по своду и длине заряда, первые воспламенившиеся гранулы успевают сгореть.

Опыт отработки воспламенителей и исследование горения зарядов твердого топлива (Саммерфилд М. Исследования ракетных двигателей на твердом топливе. - Изд. иностр. литер., 1963) показывает, что воспламенение гранулированного топлива в своде заряда идет примерно в 5 раз быстрее сгорания, например, быстрогорящих гранул крупнозерненного дымного пороха. Из приведенной "картины" горения патентуемого заряда вытекает, что газоприход носит на большем участке кривой G=f(t) прогрессивный характер и что за счет большей величины горящего свода заряда в сравнении с горящим сводом гранул дегрессивный участок кривой G=f(t) начинается в момент, когда фронт воспламенения достигнет внешней поверхности и воспламенит гранулы на всей длине заряда. Ясно, чем больше величина горящего свода заряда и его длина, тем участок прогрессивного горения будет длительнее в сравнении с дегрессивным.

В работе Шапиро Я.М. и др. Теория ракетного двигателя на твердом топливе. - М. : Воениздат, 1966 показано, что большой газоприход в канальный объем заряда может приводить к нерасчетному подъему давления пороховых газов. Во избежание этого авторами работы установлено, что отношение канальной поверхности горения S_кан=П•L, где П-периметр проходного сечения канала заряда, L-длина заряда, к площади проходного сечения канала S_пс должно быть не более 180, т.е.

Из приведенного выше следует, что указанное отношение применительно к патентуемому заряду должно быть, по крайней мере, в пять раз меньше. Тогда, используя приведенное неравенство применительно к патентуемому заряду, можно записать необходимую минимальную длину воспламеняемой части канала:

где Д_пр - диаметр цилиндрического канала, равного по площади проходного сечения каналу некруглой формы.

Из приведенного неравенства следует, что для зарядов, у которых требуется выполнять канал такого сечения, чтобы расширяющийся форс пламени пиропатрона воспламенял его на длине L₆ ≤ 9Д_пр со стороны выхода газов. Воспламеняя в первую очередь канал заряда в этой части, фронт пламени воспламенения будет продвигаться как по своду, так и к передней части заряда. При этом дополнительно к канальному отверстию для истечения газов открываются отверстия опорной решетки (фиг.9), что позволяет избежать нерасчетного подъема давления.

Такое горение могут обеспечить заряды, использующие твердое топливо как в виде гранул, так и в виде другой формы элементов.

Количество карманов заряда определяется исходя из геометрических весовых и баллистических требований, а также исходя из обеспечения расчетного закона изменения давления в камере сгорания и в запоршневом объеме катапульты.

Экспериментальное изготовление трехэлементного заряда (самого сложного с точки зрения обеспечения округлой формы) подтвердило его жесткость, образование центрального канала. За счет прочной связи элементов сварными перемычками (швами) и плотной упаковки элементов при большем их количестве (4...6) не произойдет западания крайних, не связанных друг с другом элементов в канал. Большее чем шесть количество элементов в заряде нецелесообразно из-за снижения коэффициента заполнения камеры сгорания зарядом. Таким образом, обеспечивается постоянство центрального канала и свободный проход форса пламени пиропатрона.

Конструкция в силу своей жесткости не требует узлов крепления его в камере сгорания.

Наличие в предлагаемой конструкции заряда центрального канала позволяет разрабатывать заряды, длина которых больше их диаметра.

В качестве воспламенительного состава (твердого топлива) может быть использован гранулированный дымный порох (крупнозерненный дымный порох, сферический порох, гранулы быстрогорящего баллиститного пороха, пиротехнические шарики, пиротехнические цилиндрические шашки и др.).

Твердотопливный заряд газогенератора ракетного двигателя твердого топлива состоит из навески воспламенительного состава, заключенного в оболочку из полиэтилентерефталатной пленки, ламинированной полиэтиленом, выполнен в виде патронташа, свернутого в цилиндр с центральным каналом. Каждый карман патронташа заполнен элементом порохового состава плотной упаковки в загерметизированном виде. Патронташ своим наружным диаметром прилегает к внутренней поверхности камеры сгорания без зазора. Изобретение позволит создать высокотехнологичную конструкцию твердотопливного заряда применительно к цилиндрическим камерам сгорания с отношением длины к диаметру, близким или большим единицы. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Твердотопливный заряд газогенератора, состоящий из навески воспламенительного состава, заключенного в оболочку из полиэтилентерефталатной пленки, ламинированной полиэтиленом, выполненный в виде патронташа, свернутого в цилиндр с центральным каналом, отличающийся тем, что каждый карман патронташа заполнен элементом порохового состава плотной упаковки в загерметизированном виде, а патронташ своим наружным диаметром прилегает к внутренней поверхности камеры сгорания без зазора. 2. Твердотопливный заряд газогенератора по п. 1, отличающийся тем, что минимальная площадь проходного сечения канала выполнена, исходя из обеспечения расстояния места встречи форса пламени пиропатрона с зарядом не более 9 минимальных диаметров канала со стороны выхода газов из канала.