СПОСОБ РАЗГОНА МЕТАЕМОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2006 года по МПК F41A1/00 

Изобретение относится к области аэрокосмической техники и может быть использовано, в частности, для повышения эффективности изделий реактивной техники.

Известен аналог предложенного - способ, реализуемый в «Реактивном двигателе» [1] (Патент RU 2142570, Int.Cl. F 02 К 9/08, приоритет 29.09.97 г.), при котором двигатель ускоряют с помощью энергии газов, формируемых энергоносителем, расположенным в корпусе двигателя, энергоноситель выполняют имеющим удлиненную форму и продольный канал, осуществляют инициацию энергоносителя воспламенителем,

что совпадает с существенными признаками предлагаемого способа.

При этом топливный заряд выполнен в виде топливной шашки, центральная камера сгорания имеет вид конусного углубления в топливной шашке.

Недостаток аналога [1] состоит в следующем:

- снижении эффективности вследствие оттока тепла на стенки корпуса двигателя, особенно для зарядов большого относительного удлинения;

- повышенном времени догорания заряда;

- нестабильности тяговых характеристик при догорании высокоимпульсных зарядов большого относительного удлинения;

- в снижении точности и кучности стрельбы;

- в повышенном сопротивлении воздуха при полете и соответствующем снижении кинетической энергии МЭ, дальности его полета.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является принятый в качестве прототипа способ, реализуемый в изобретении «Ракетный двигатель твердого топлива» [2] (Патент RU 2125175, Int.Cl. F 02 К 9/08, приоритет 20.01.99 г.), при котором двигатель ускоряют с помощью энергии газов, формируемых энергоносителем, расположенным в корпусе двигателя, энергоноситель выполняют состоящим из полузарядов двух типов, имеющих удлиненную форму и продольные сквозные каналы, осуществляют инициацию энергоносителя воспламенителем, что совпадает с существенными признаками предлагаемого способа.

При этом полузаряды установлены последовательно вдоль одной оси, причем хвостовой полузаряд выполнен с каналом конического типа, а носовой полузаряд - со звездообразным каналом.

Работа устройства, реализующего способ-прототип, основана на следующих принципах.

При подаче импульса электрического тока на воспламенительное устройство последнее срабатывает и зажигает оба полузаряда, горение которых происходит по обоим осевым каналам, причем носовой полузаряд звездообразного сечения выгорает раньше хвостового, что стабилизирует время догорания энергоносителя в целом, улучшая точность стрельбы. Тем не менее, прототип имеет ряд недостатков. Как известно, скорость полета двигателя определяется разницей ускоряющей силы (за счет реактивных газов) и замедляющей силы (за счет сопротивления набегающего потока воздуха). Последнюю необходимо снижать, что требует уменьшения поперечного сечения двигателя. Однако при этом снижается эффективность горения топлива, поскольку возрастают тепловые потери на стенках корпуса двигателя и температура в зоне горения падает. Повышение энергетики двигателя путем повышения массы топлива, например, за счет удлинения заряда сопровождается нежелательным ростом поверхности теплоотдачи (пропорциональным коэффициенту увеличения массы заряда). Повышение массы топлива за счет увеличения поперечного сечения двигателя сопровождается меньшим ростом поверхности теплоотдачи (пропорциональным корню из коэффициента увеличения массы заряда), однако, как уже отмечалось, сопровождается ростом сил аэродинамического сопротивления. Кроме того, давление сжатых газов в камере сгорания двигателя требует повышенной прочности корпуса, что сопровождается потерями ускорения из-за возрастания ускоряемой массы - корпуса и двигателя в целом. Все это приводит к снижению скорости разгона двигателя и, соответственно, снижению удельного импульса метаемого элемента, ускоряемого данным двигателем. Кроме того, с ограничением достигаемой скорости время свободного баллистического полета до цели оказывается слишком большим, что увеличивает разброс реализуемых параметров полета, снижает точность, прицельную дальность. Кроме того, потери тепла на стенках корпуса двигателя снижают эффективность двигателя, дополнительно уменьшают скорость МЭ, точность и кучность стрельбы. Также следует отметить затрудненность варьирования характеристик используемых энергоносителей, что снижает функциональную гибкость способа-прототипа.

Все это является недостатком способа-прототипа [2].

Соответственно, требуемый при реализации устройства технический результат состоит в устранении вышеуказанных недостатков.

Список фигур чертежей.

Фиг.1. Схема (продольное сечение) устройства, реализующего предлагаемый способ по п.1 формулы;

Фиг.2. Схема (продольное сечение) устройства, реализующего предлагаемый способ по п.2 формулы;

Фиг.3. Схема (продольное сечение) устройства, реализующего предлагаемый способ по п.3 формулы;

Фиг.4. Схема устройства (поперечное сечение в хвостовой части), реализующего предлагаемый способ по п.5 формулы.

1 - метаемый элемент (МЭ);

2 - обтюратор (ведущий элемент) МЭ;

3 - двигатель МЭ;

4 - канал ствола метательного устройства (МУ);

5 - первый полузаряд;

6 - второй полузаряд;

7 - сквозной канал первого полузаряда;

8 - сквозной канал второго полузаряда;

9 - воспламенитель;

10 - высокотемпературный поток газа высокого давления;

11 - торец первого полузаряда;

12 - торец второго полузаряда;

13 - заобтюраторное пространство;

14 - отдельный канал первого полузаряда;

15 - отдельный фрагмент второго полузаряда;

16 - отдельный продольный сквозной канал второго полузаряда.

На фиг.1 представлена схема (продольное сечение) устройства, реализующего предлагаемый способ по п.1 формулы, где показано расположение конструктивных элементов снаряда в сборе в канале ствола МУ.

На фиг.2 представлена схема (продольное сечение) устройства, реализующего предлагаемый способ по п.2 формулы, где показано истечение высокотемпературного потока (струи) газа высокого давления из сквозного канала второго полузаряда.

На фиг.3 представлена схема (продольное сечение) устройства, реализующего предлагаемый способ по п.3 формулы, где показано истечение высокотемпературного потока (струи) газа высокого давления из воспламенителя.

На фиг.4 представлена схема (поперечное сечение) устройства, реализующего предлагаемый способ по п.5 формулы, где показано расположение отдельных каналов первого полузаряда с размещением в них фрагментов второго полузаряда.

Для устранения недостатков способа-прототипа предложен способ разгона метаемого элемента, при котором метаемый элемент 1 с последовательно расположенным за ним двигателем 3 ускоряют в канале 4 ствола метательного устройства с помощью энергии газов, формируемых энергоносителем, расположенным в корпусе двигателя 3, энергоноситель выполняют состоящим из полузарядов двух типов 5 и 6, имеющих удлиненную форму и продольные сквозные каналы 7 и 8, осуществляют инициацию энергоносителя воспламенителем, что совпадает с существенными признаками прототипа.

При этом полузаряд 5 первого типа (первый полузаряд) выполнен из медленногорящего пастообразного топлива, полузаряд второго типа (второй полузаряд) выполнен из быстрогорящего топлива и размещен а продольном сквозном канале полузаряда первого типа 5, инициацию энергоносителя осуществляют струей 10 высокотемпературного газа высокого давления, которую направляют от воспламенителя 9 в сквозной канал 8 второго полузаряда 6, метаемый элемент снабжен обтюратором 2 и выполнен с наружным диаметром от 4.3 мм до 30 мм.

Кроме того, поток 10 высокотемпературного газа, образованного при горении энергоносителя полузаряда второго типа, направляют в заобтюраторное пространство 13, имеющее вид кольцевого зазора между каналом 4 ствола метательного устройства и корпусом двигателя 3, который выполняют из реакционно-способного материала.

Кроме того, выход воспламенителя соединен с хвостовой торцевой частью полузарядов первого и второго типов.

Кроме того, полузаряды первого 5 и второго 6 типа инициируют одновременно.

Кроме того, поток 10 высокотемпературного газа направляют на дно обтюратора в виде реактивных струй, причем отверстие для выхода высокотемпературного потока газа в сквозном канале полузаряда второго типа профилируют в виде сопла Лаваля.

Кроме того, полузаряд 5 первого типа выполнен пористым.

Кроме того, между корпусом обтюратора 2 и каналом ствола 4 метательного устройства выполнен калиброванный зазор.

Кроме того, отношение скоростей горения быстрогорящего и медленногорящего топлива составляет не менее 20.

Кроме того, по крайней мере, один сквозной канал 7 полузаряда первого типа и размещенный в нем полузаряд 6 второго типа выполняют в виде спирали.

Рассмотрим работу устройства (схема фиг.1), реализующего предлагаемый способ.

Метаемый элемент 1 размещают в канале 4 ствола метательного устройства. Ведущим элементом, принимающим на себя основное давление газов в стволе МУ, является обтюратор 2, установленный между метаемым элементом 1 и двигателем 3 на общей оси. Кроме того, тяговое усилие приложено к торцевым частям 11 и 12 соответственно первого 5 и второго 6 полузарядов. Инициацию осуществляют струей 10 высокотемпературного газа, формируемого воспламенителем 9 и направляемого в сквозной канал 8 второго полузаряда 6. При этом начинается горение энергоносителя по внутренней поверхности сквозного канала 8 второго полузаряда 6, а затем (после почти мгновенного выгорания второго полузаряда 6) происходит инициация первого полузаряда 5 в высокотемпературной зоне у поверхности сквозного канала 7 первого полузаряда 5 за счет энергии, выделившейся при сгорании второго полузаряда 6. Последний имеет высокую скорость горения. Поэтому тепло, выделяемое при экзотермической реакции горения второго полузаряда 6, не успевает рассеяться («уйти на стенки») и с высоким КПД используется для инициации первого полузаряда 5. Кроме того, давлением газа, выделившегося при сгорании второго полузаряда, уплотняют слой пастообразного энергоносителя в зоне горения, что дополнительно повышает эффективность процесса горения, увеличивая удельный импульс и экономя энергоноситель. Это позволяет выдерживать достаточно малые геометрические размеры в поперечном сечении первого полузаряда 5, а значит, и в поперечном сечении второго полузаряда 6 и в целом всего снаряда с МЭ 1.

При этом сквозной канал первого полузаряда 5 формируют в виде нескольких отдельных каналов 14, а второй полузаряд 6 формируют в виде нескольких отдельных фрагментов 15 удлиненной формы с отдельными продольными сквозными каналами 16, причем фрагменты 15 второго полузаряда размещают в соответствующих отдельных продольных сквозных каналах 16 первого полузаряда. Таким образом, создают одновременное горение энергоносителя сразу в нескольких каналах.

При этом метаемый элемент и, соответственно, корпус двигателя 3 выполняют с наружным диаметром от 4.3 мм до 30 мм. Минимальный диаметр метаемого элемента 4.3 мм определен реальным балансом тепловыделения энергоносителя и теплопотерями на корпусе двигателя 3. Как показали проведенные эксперименты, при меньшем диаметре корпуса двигателя 3 процесс горения не поддерживается. Максимальный диаметр 30 мм соответствует максимальному стандартному калибру боеприпаса, применяемого в массовом автоматическом стрелковом оружии. При этом, как показали испытания, оптимальное значение длины снаряда должно более чем в 20 раз превосходить его диаметр, что поясняется требованием достижения предельной, т.е. равной звуковой скорости потока высокотемпературных газов, выделившихся при сгорании первого полузаряда.

Инициацию энергоносителя, как уже отмечалось, осуществляют струей 10 высокотемпературного газа, формируемой воспламенителем 9 и пропущенной от выхода воспламенителя 9 через сквозной канал 8 второго полузаряда 6 (с последующей инициацией первого полузаряда 5) в заобтюраторное пространство 13, которое имеет вид кольцевого зазора между каналом 4 метательного устройства и корпусом двигателя 3, который выполняют из реакционно-способного материала. Этим обеспечивают компенсацию внутреннего и внешнего давлений на корпус двигателя 1, а также снижают радиальный градиент температур в энергоносителе, чтобы уменьшить отток тепла из зоны горения. Причем выделение тепла и газопродуцирование при сгорании корпуса дополнительно повышает энерговыделение экзотермической реакции.

Процесс инициации может быть применен для обоих полузарядов 5 и 6, так что первый полузаряд 5 инициируется с торцевой своей части, а второй 6 - по внутренней поверхности сквозного канала 8. При этом топливные газы 10, продуцируемые первым полузарядом 5, направляются в заобтюраторное пространство 13, чем снижаются радиальные градиенты давления и температуры в поперечном сечении двигателя 3, а также повышается продольное (ускоряющее) давление на кольцеобразное дно обтюратора 2 и соответственно увеличивается сила тяги, ускоряющая МЭ.

Процесс инициации, примененный для обоих полузарядов 5 и 6, может быть начат, например, одновременно. При этом струя газа 10 распространяется внутри второго полузаряда 6 синхронно со струей газа 10 вне корпуса двигателя 3, чем обеспечивается синхронность нарастания, а значит, и компенсация внешнего и внутреннего давления на стенки корпуса.

Кроме того, поток высокотемпературного газа 10, образованного при горении энергоносителя второго полузаряда 6, направляют на кольцеобразное дно обтюратора в виде реактивных струй газа, причем отверстие для выхода высокотемпературной струи в сквозном канале второго полузаряда профилируют в виде сопла Лаваля. Этим повышается сила реактивного воздействия, ускоряющая МЭ. Этот результат можно трактовать и как повышение удельного импульса.

Также предложена возможность формирования медленногорящего пастообразного топлива полузаряда первого типа в виде пористого энергоносителя, что обеспечивает возможность управления его характеристиками путем изменения пористости и газонаполнения пор.

Формирование калиброванного зазора между корпусом обтюратора и каналом метательного устройства обеспечивает возможность динамической центровки оси двигателя в канале МУ (с учетом закона Бернулли), а также снижает потери на трение за счет образования слоя газовой смазки между трущимися поверхностями канала ствола и снаряда.

В соответствии с результатами проведенных испытаний обеспечивают отношение скоростей горения быстрогорящего и медленногорящего топлива не менее 20.

С целью повышения мощности двигателя, по крайней мере, один сквозной канал первого полузаряда и соответствующий ему (размещенный в нем) фрагмент второго полузаряда выполняют в виде спирали. При этом горящая газовыделяющая поверхность сквозного канала первого полузаряда увеличивается, повышается и скорость газогенерации, возрастают мощностные характеристики двигателя.

Далее покажем, что именно благодаря существенным отличиям предлагаемого способа обеспечивается требуемый технический результат.

То, что метаемый элемент, снабженный двигателем, ускоряют в канале метательного устройства с помощью энергии газов, формируемых энергоносителем, расположенным в корпусе двигателя и состоящим из полузарядов двух типов, имеющих удлиненную форму и продольные сквозные каналы, осуществляют инициацию энергоносителя воспламенителем, причем полузаряд первого типа выполнен из пастообразного медленногорящего топлива, полузаряд второго типа выполнен из быстрогорящего топлива и размещен в сквозном продольном канале полузаряда первого типа, инициацию энергоносителя осуществляют струей высокотемпературного газа высокого давления, которую направляют от воспламенителя в сквозной канал второго полузаряда, метаемый элемент снабжен обтюратором и выполнен с наружным диаметром от 4.3 мм до 30 мм, обеспечивает следующее.

- Снижение разброса реализуемых параметров полета, повышение точности, прицельной дальности. Это поясняется тем, что при снижении диаметра поперечного сечения двигателя соответствующее уменьшение толщины слоя энергоносителя, сгорающего в радиальном направлении (от сквозного канала полузаряда к его внешней границе), приводит к повышению стабильности характеристик горения по всей поверхности протекания экзотермической реакции. Кроме того, реакция горения мгновенно инициируется по всей поверхности сквозного канала второго полузаряда струей высокотемпературного газа, обеспечивая равномерность и однородность процесса горения. Также равномерно происходит инициация первого полузаряда, причем его пастообразность способствует выравниванию плотности энергоносителя первого полузаряда в условиях равномерного распределения давления газа по поверхности сквозного канала 7 первого полузаряда 5, а также повышается теплопроводность поверхностного слоя вблизи зоны горения. Этим повышается стабильность характеристик его горения и эффективность процесса горения, что и обеспечивает достижение вышеуказанного технического результата. При этом выбранный калибр от 4.3 мм до 30 мм с учетом минимизации импульса отдачи обеспечивает повышенную скорострельность стрелкового оружия, повышает его эффективность.

- Повышение скорости разгона МЭ. Это поясняется тем, что наличие внешнего полузамкнутого объема - канала ствола, где протекает горение энергоносителя, уменьшает радиальные градиенты давления и температуры, воздействующие на двигатель. Это снижает прочностные требования к корпусу двигателя (а значит, и его массу) и снижает теплопотери протекающей реакции горения. Снижение массы корпуса позволяет повысить массу энергоносителя. Соответственно повышается удельный импульс МЭ. Все это обеспечивает достижение вышеуказанного технического результата.

- Повышение удельного импульса (кинетической энергии), скорости и дальности действия, точности, вследствие повышенных значений температуры и давления во всем объеме внутренней полости ствола, обеспечивают тем, что сквозной канал первого полузаряда формируют в виде нескольких отдельных каналов, второй полузаряд формируют в виде нескольких отдельных фрагментов удлиненной формы с продольными сквозными каналами, причем фрагменты второго полузаряда размещают в соответствующих отдельных сквозных каналах первого полузаряда.

- Повышение эффективности способа разгона. Это обеспечивается (при фиксированной массе снаряда) увеличением массы энергоносителя (с учетом снижения веса корпуса), снижением тепловых потерь (с учетом снижения градиента температуры) и соответственно повышением энергетики разгона.

То, что струю высокотемпературного газа, пропущенную от выхода воспламенителя через сквозной канал второго полузаряда, направляют в заобтюраторное пространство, имеющее вид кольцевого зазора между каналом метательного устройства и корпусом двигателя, который выполняют из реакционно-способного материала, обеспечивает дополнительное повышение вышеуказанных характеристик, поскольку тепловые потери с поверхности корпуса двигателя дополнительно уменьшены из-за выравнивания температур внутри двигателя (в камере сгорания) и снаружи его корпуса - в кольцевом слое между стенкой канала ствола МУ и корпусом двигателя, куда направляют высокотемпературные газы высокого давления; Кроме того, дополнительное энерговыделение за счет сгорания корпуса двигателя способствует повышению эффективности разгона МЭ.

То, что выход воспламенителя соединен с хвостовой торцевой частью первого и второго полузарядов, обеспечивает дополнительное повышение вышеуказанных характеристик, поскольку обеспечивается дополнительная генерация высокотемпературных газов с торцевых поверхностей первого и второго полузарядов. Эти газы направляют в кольцевой слой между стенкой канала ствола МУ и корпусом двигателя, обеспечивая дополнительное выравнивание давления и температуры внутри и вне двигателя с достижением вышеуказанного технического результата.

То, что первый и второй полузаряды инициируют одновременно, дополнительно повышает вышеуказанные характеристики, поскольку при этом снижается время начального разбаланса давления и температуры внутри и вне двигателя. Это также способствует

- надежности работы разгонного устройства с учетом параллельности работы различных фрагментов второго полузаряда;

- эффективности (кпд) с учетом выравнивания температуры в объеме первого полузаряда и снижения массы корпуса двигателя, а также

- снижению весогабаритных характеристик и стоимости с учетом экономии массы энергоносителя при условии оптимального протекания реакции его горения.

То, что поток высокотемпературного газа, образованного при горении энергоносителя второго полузаряда, направляют на кольцеобразное дно обтюратора в виде реактивных струй газа, причем отверстие для выхода высокотемпературной струи в сквозном канале второго полузаряда профилируют в виде сопла Лаваля, как уже отмечалось, повышает удельный импульс, поскольку соответствует принципу оптимизации конструкции реактивно ускоряемых аппаратов.

То, что медленногорящее пастообразное топливо полузаряда первого типа формируют в виде пористого энергоносителя, повышает функциональную гибкость способа, т.к. обеспечивает возможность оптимизации его характеристик.

То, что формируют калиброванный зазор между корпусом обтюратора и каналом метательного устройства, повышает точность и кучность стрельбы за счет осевой стабилизации снаряда в канале ствола, увеличивает скорость и дальнобойность за счет образования слоя газовой смазки между трущимися поверхностями канала ствола и снаряда.

То, что обеспечивают отношение скоростей горения быстрогорящего и медленногорящего топлива не менее 20, позволяет повысить однородность процесса горения энергоносителя первого полузаряда, обеспечить стабильность характеристик горения, соответственно увеличить точность, кучность стрельбы;

То, что, по крайней мере, один сквозной канал первого полузаряда и размещенный в нем фрагмент второго полузаряда выполняют в виде спирали, повышает мощность двигателя, кинетическую энергию снаряда, дальность стрельбы.

При этом обеспечивается возможность использовать полученный эффект для одновременного улучшения габаритных, технико-экономических и мощностных характеристик различных образцов техники топливно-энергетического и оборонного комплексов. Например, часть выигрыша в энергетическом ресурсе можно направить на одновременное улучшение ряда параметров:

снижение габаритов, стоимости и повышение дальности и надежности устройства.

Таким образом, показано, что требуемый технический результат действительно достигается за счет существенных отличий предлагаемой установки.

Проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к области аэрокосмической техники и может быть использовано для повышения эффективности изделий реактивной техники. В способе метаемый элемент, снабженный двигателем, ускоряют в канале ствола метательного устройства с помощью энергии газов, формируемых энергоносителем, расположенным в корпусе двигателя и состоящим из полузарядов двух типов, имеющих удлиненную форму, каждый из которых имеет, по меньшей мере, один продольный сквозной канал, осуществляют инициацию энергоносителя воспламенителем, при этом полузаряд первого типа выполнен из медленногорящего пастообразного топлива, полузаряд второго типа выполнен из быстрогорящего топлива и размещен в продольном сквозном канале полузаряда первого типа, инициацию энергоносителя осуществляют струей высокотемпературного газа высокого давления, которую направляют от воспламенителя в сквозной канал полузаряда второго типа, метаемый элемент снабжен обтюратором и выполнен с наружным диаметром от 4.3 мм до 30 мм. Технический результат заключается в снижении разброса реализуемых параметров полета, повышении точности, прицельной дальности, повышении энергетических возможностей, уменьшении расхода топлива. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ разгона метаемого элемента, при котором метаемый элемент, снабженный двигателем, ускоряют в канале ствола метательного устройства с помощью энергии газов, формируемых энергоносителем, расположенным в корпусе двигателя и состоящим из полузарядов двух типов, имеющих удлиненную форму, каждый из которых имеет, по меньшей мере, один продольный сквозной канал, осуществляют инициацию энергоносителя воспламенителем, отличающийся тем, что полузаряд первого типа выполнен из медленногорящего пастообразного топлива, полузаряд второго типа выполнен из быстрогорящего топлива и размещен в продольном сквозном канале полузаряда первого типа, инициацию энергоносителя осуществляют струей высокотемпературного газа высокого давления, которую направляют от воспламенителя в сквозной канал полузаряда второго типа, метаемый элемент снабжен обтюратором и выполнен с наружным диаметром от 4,3 мм до 30 мм.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток высокотемпературного газа, образованного при горении энергоносителя полузаряда второго типа, направляют в заобтюраторное пространство, имеющее вид кольцевого зазора между каналом ствола метательного устройства и корпусом двигателя, который выполняют из реакционно способного материала.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что выход воспламенителя соединен с хвостовой торцевой частью полузарядов первого и второго типа.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что полузаряды первого и второго типа инициируют одновременно.5. Способ по п.2, отличающийся тем, что поток высокотемпературного газа направляют на дно обтюратора в виде реактивных струй, причем отверстие для выхода высокотемпературного потока газа в сквозном канале полузаряда второго типа профилируют в виде сопла Лаваля.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что полузаряд первого типа выполнен пористым.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что между корпусом обтюратора и каналом ствола метательного устройства выполнен калиброванный зазор.8. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение скоростей горения быстрогорящего и медленногорящего топлива составляет не менее 20.9. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, один сквозной канал полузаряда первого типа и размещенный в нем полузаряд второго типа выполняют в виде спирали.