СПОСОБ ЗАПУСКА ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F02K9/95 

Изобретение относится к испытательной технике, а точнее к области бесконтактной передачи команд запуска (БСЗ) пиротехнических устройств при разгоне ракетных поездов по направляющим ракетно-катапультирующей установки (РКУ) с катапультированием объекта испытания в свободный полет.

Известен способ запуска ракетного двигателя при помощи узла воспламенителя (патент США №3750581, МПК F42B 15/00; F02K 9/08, опубл. 07.08.1973). В узле воспламенителя ракетного двигателя имеется капсюль-воспламенитель (устройство для воспламенения), который установлен в основании гильзы. От капсюля-воспламенителя пламя передают на воспламенительный заряд (пиротехническое устройство объекта), расположенный внутри ракетного двигателя, с помощью воспламенительного шнура, один конец которого находится в гильзе, а второй проходит к воспламенительному заряду.

Недостатком данного способа является низкая точность обеспечения отделения объекта испытания по дальности, обусловленная отклонением фактических параметров движения объекта испытания на траектории от расчетных.

Известны способ и устройство запуска линейных ступеней движущегося ракетного поезда, описанные в статье D.J.Rigali and L.V.Feltz "High speed Monorail Rocket Sleds for Aerodynamic Testing at High Reinolds Numbers", Journal of Spacecraft and Rockets, v.5, №11, p.1341-1346, 1968 (Д.Дж.Риджели и Л.В.Фелтц. Скоростные монорельсовые ракетные тележки для аэродинамических испытаний при больших числах Рейнольдса. Перевод №82087/0 ВИНИТИ, М., 1970 г., стр.11. Способ заключается в использовании бортовой системы зажигания, при помощи которой инициируют средство воспламенения электрическим импульсом. От средства воспламенения зажигается пороховой заряд (пиротехническое устройство), воспламеняющий твердое топливо ракетного двигателя. Бортовая система зажигания состоит из двух отдельных пусковых устройств. В каждое пусковое устройство входит акселерометр, интегрирующий акселерометр и источник питания. Пусковое устройство отрегулировано так, чтобы двигатели включались при заданном уровне перегрузки.

Недостатком данных способа и устройства является сложность и высокая стоимость системы зажигания, а также недостаточная безопасность при возникновении нештатных ситуаций.

Известны способ и устройство для бесконтактной передачи команд на запуск твердотопливного ракетного двигателя (патент РФ №2099570, МПК⁵ F02K 9/95, опубл. 20.12.1997), выбранные в качестве прототипов для заявляемого способа и устройства. В указанном способе полесоздающая катушка после поступления на нее управляющей электрической команды создает локальное магнитное поле, направленное перпендикулярно к оси твердотопливного двигателя (вектор напряженности магнитного поля направлен от полюса к оси двигателя или, наоборот, от оси двигателя к полюсу). Полученное напряжение передается на электрически связанный с полевоспринимающей катушкой исполнительный орган (электровоспламенитель) и вызывает его срабатывание.

Устройство бесконтактной передачи команд на запуск твердотопливного ракетного двигателя состоит из полесоздающей катушки, установленной вне корпуса двигателя, и полевоспринимающей катушки, электрически связанной с исполнительным органом и расположенной внутри корпуса двигателя. Полесоздающая катушка выполнена в виде цилиндрической обмотки, охваченной с торцов и по наружному диаметру магнитопроводом с цилиндрическими полюсами. Полевоспринимающая катушка выполнена в виде обмоток, равномерно расположенных в окружном направлении плоскости одного из цилиндрических полюсов полесоздающей катушки, а сами обмотки соединены последовательно и согласно.

Недостатком данных способа и устройства является незащищенность от воздействия низкочастотных электромагнитных полей, а также недостаточная безопасность при возникновении нештатных ситуаций. Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение бесконтактной передачи команд на запуск пиротехнических устройств в заданных координатах при разгоне до заданных скоростей и катапультирование с направляющих катапультирующих установок.

Технический результат - повышение безопасности и надежности срабатывания пиротехнических устройств в разных условиях, а также повышение точности запуска ступеней ракетного поезда и катапультирования объекта испытания (ОИ).

Указанный технический результат в заявляемом способе запуска пиротехнических устройств объекта, включающем передачу управляющего сигнала от полесоздающего устройства, размещенного вне объекта, через полевоспринимающее устройство, установленное на объекте, на электровоспламенители по крайней мере части пиротехнических устройств объекта, обеспечивается тем, что в отличие от прототипа пиротехнические устройства размещают на объекте в виде ракетного поезда, а полесоздающее устройство устанавливают на заданном участке рельсовой направляющей ракетной катапультирующей установки. Первую группу пиротехнических устройств, предназначенных для запуска последней ступени ракетного поезда, выполняют с возможностью срабатывания через первый заданный промежуток времени после достижения ракетным поездом установленной скорости движения. Вторую группу пиротехнических устройств, используемых для отделения установленного на ракетном поезде объекта испытания, выполняют с возможностью срабатывания при поступлении сигнала от полевоспринимающего устройства через второй заданный промежуток времени, меньший первого заданного промежутка времени, после достижения ракетным поездом установленной скорости движения.

Указанный технический результат в заявляемом устройстве для запуска пиротехнических устройств объекта, содержащем полесоздающее устройство, установленное вне объекта, и полевоспринимающее устройство, электрически связанное по крайней мере с одним из электровоспламенителей одного из пиротехнических устройств и расположенное внутри указанного объекта, обеспечивается тем, что в отличие от прототипа оно дополнительно содержит размещенные в объекте датчик перегрузок, интегратор, компаратор, первую, вторую и третью схемы совпадения «И», первый и второй формирователи длительности, первый и второй выходные ключи, времязадающее устройство, схему совпадения «ИЛИ», формирователь импульса запуска. Датчик перегрузок, интегратор, компаратор соединены последовательно. Выход компаратора соединен с первыми входами трех схем совпадения «И». Выход первой схемы совпадения «И» соединен с входом первого формирователя длительности, выход которого соединен с входом первого выходного ключа, выход которого соединен с электровоспламенителями первой группы пиротехнических устройств. Первый выход времязадающего устройства, выполненного с возможностью начала работы в момент начала движения объекта, соединен со вторым входом первой схемы совпадения «И», а его второй выход соединен со вторым входом третьей схемы совпадения «И», выход которой соединен с первым входом схемы совпадения «ИЛИ». Полевоспринимающее устройство электрически связано с электровоспламенителями второй группы пиротехнических устройств через формирователь импульса запуска, вторую схему совпадения «И», схему совпадения «ИЛИ», второй формирователь длительности и второй выходной ключ. Выход полевоспринимающего устройства соединен с входом формирователя импульса запуска, его выход соединен со вторым входом второй схемы совпадения «И», выход которой соединен со вторым входом схемы совпадения «ИЛИ», выход которой соединен с входом второго формирователя длительности, выход которого соединен с входом второго выходного ключа, выход которого соединен с электровоспламенителями второй группы пиротехнических устройств.

Полесоздающее устройство в заявляемом устройстве в отличие от прототипа может быть выполнено в виде магнита и размещено на заданном участке рельсовой направляющей ракетно-катапультирующей установки.

В результате использования всей совокупности признаков способа за счет применения в устройстве полесоздающего устройства, реализующего передачу управляющего сигнала в заданной координате РКУ, полевоспринимающего устройства, формирователя импульса запуска, обеспечивающих формирование этого сигнала заданной формы, датчика перегрузок, интегратора, компаратора, трех схем совпадения «И», первого и второго формирователей длительности, двух выходных ключей, времязадающего устройства, схемы совпадения «ИЛИ» и электрических связей между ними отслеживаются величины перегрузки и скорости в процессе разгона ракетного поезда, осуществляется управление запуском пиротехнических устройств. При скорости ракетного поезда ниже установленного значения схемы совпадения «И» будут блокировать прохождение управляющих сигналов от времязадающего устройства на первый и второй выходные ключи через схему совпадения «ИЛИ», первый и второй формирователи длительности, поэтому запуск пиротехнических устройств произойдет только в том случае, если фактическая скорость движения ракетного поезда превышает заданный уровень, обеспечивается резервирование по времени путем подбора временного промежутка (уставки) второго канала времязадающего устройства таким образом, чтобы в первую очередь отрабатывался запуск системы отделения ОИ по пути, а затем по времени, т.е. второй заданный промежуток времени задают меньше первого заданного промежутка времени. За счет такого резервирования достигается надежность и высокая функциональная эффективность бесконтактного запуска пиротехнических устройств в ракетных поездах.

Заявляемые способ и устройство поясняются фигурами. На фиг.1 изображена структурная схема устройства, на фиг.2 представлены осциллограммы работы полевоспринимающего устройства и формирователя импульса запуска.

Устройство запуска пиротехнических устройств содержит размещенные в объекте в виде ракетного поезда датчик перегрузок 1, интегратор 2, компаратор 3, первую 11, вторую 7 и третью 9 схемы совпадения «И», первый 12 и второй 14 формирователи длительности, первый 13 и второй 15 выходные ключи, времязадающее устройство 10, схему совпадения «ИЛИ» 8, формирователь импульса запуска 6, полевоспринимающее устройство 5, электрически связанное с электровоспламенителями второй группы пиротехнических устройств 17 объекта. Полесоздающее устройство 4, установленное вне объекта, в данном случае размещено на заданном участке рельсовой направляющей ракетно-катапультирующей установки.

Датчик перегрузок 1, интегратор 2, компаратор 3 соединены последовательно. Выход компаратора 3 соединен с первыми входами трех схем совпадения «И» (7, 9, 11). Выход первой схемы совпадения «И» 11 соединен с входом первого формирователя длительности 12, выход которого соединен с входом первого выходного ключа 13, выход которого соединен с электровоспламенителями первой группы пиротехнических устройств 16, предназначенных для запуска последней ступени ракетного поезда.

Первый выход времязадающего устройства 10 соединен со вторым входом первой схемы совпадения «И» 11, а его второй выход соединен со вторым входом третьей схемы совпадения «И» 9, выход которой соединен со вторым входом схемы совпадения «ИЛИ» 8, при этом времязадающее устройство 10 выполнено с возможностью начала работы в момент начала движения объекта.

Полевоспринимающее устройство 5 электрически связано с электровоспламенителями второй группы пиротехнических устройств 17, предназначенных для отделения установленного на ракетном поезде объекта испытания (на фиг. не показано) через формирователь импульса запуска 6, вторую схему совпадения «И» 7, схему совпадения «ИЛИ» 8, второй формирователь длительности 14 и второй выходной ключ 15, при этом вход формирователя импульса запуска 6 соединен с выходом полевоспринимающего устройства 5. Выход формирователя импульса запуска 6 соединен со вторым входом второй схемы совпадения «И» 7, выход которой соединен со вторым входом схемы совпадения «ИЛИ» 8, выход которой соединен с входом второго формирователя длительности 14, выход которого соединен с входом второго выходного ключа 15, выход которого соединен с электровоспламенителями второй группы пиротехнических устройств 17.

Заявляемый способ запуска пиротехнических устройств осуществляется при работе заявляемого устройства следующим образом.

При предстартовой подготовке ракетного поезда (на фиг. не показано) в исходном состоянии все бортовые цепи обесточены, а цепи управления пиротехническими устройствами 16, 17 закорочены с помощью ступени предохранения (блокировки) и закоротки.

Запуск установленного на ракетном поезде (РП) времязадающего устройства 10 осуществляют, например, дистанционно от пульта управления опытом на старте в момент начала движения ракетного поезда. Задействование установленного на РП источника тока происходит дистанционно от пульта управления опытом.

В процессе разгона РП датчик перегрузок 1 вырабатывает сигнал, который поступает на интегратор 2, выполняющий функцию вычислительного устройства. Интегратор 2 вычисляет скорость движения РП на участке движения.

Погрешности, которые возникают при измерении скорости датчиком перегрузок 1, обусловлены разбросом технологических параметров акселерометра. Датчик перегрузок 1 на своем выходе формирует сигнал, соответствующий осевой перегрузке ракетного поезда. Далее интегратор 2 реализует следующий вычислительный алгоритм:

где U_вых - напряжение на выходе интегратора 2;

-1/RC - интегрирующая цепочка, определяет время интегрирования;

U - напряжение на входе интегратора 2.

Схема масштабного преобразования, входящая в состав интегратора 2, вычисляет скорость РП.

V_РП=U_вых*К,

где V_РП - скорость ракетного поезда на протяжении движения по ракетно-катапультирующей установке, определяемая интегрированием сигналов с датчика перегрузок 1;

К - коэффициент масштабирования для обработки и математического анализа скоростной характеристики, а также для установки уровня, соответствующего скорости, при которой снимается блокировка.

Основной сложностью получения характеристики скорости в устройстве является процесс интегрирования сигнала с датчика перегрузок 1.

Относительная погрешность интегрирования при t=t_и

g=t_и/2t_c=t_и/[2(1+К_oy)RC,

где t_и - время интегрирования;

t_c - экспоненциальный закон убывания до нуля с постоянной времени;

К_ОУ - коэффициент усиления операционного усилителя (ОУ), входящего в состав интегратора.

В процессе разгона РП по достижении фактической скорости, более заданной, появляется информационный сигнал на входе компаратора 3, который после сравнения с пороговым значением с выхода компаратора 3 поступает на первые входы схем совпадения «И» 7, 9 и 11, которые являются ступенью предохранения от несанкционированного запуска пиротехнических устройств 16, 17, при скорости ракетного поезда ниже установленного значения схемы совпадения «И» 7, 9, 11 будут блокировать прохождение управляющих сигналов с времязадающего устройства 10 на первый и второй выходные ключи 13, 15 через схему совпадения «ИЛИ», первый и второй формирователи длительности 12, 14.

По истечении первого заданного промежутка времени срабатывает первый канал времязадающего устройства (10) и положительный импульс поступает на второй вход первой схемы совпадения «И» (11), которая переключается в единичное состояние, после чего импульс поступает на вход первого формирователя длительности (12), формируется, поступает на первый выходной ключ (13) и на электровоспламенители первой группы пиротехнических устройств (16), предназначенных для запуска последней ступени (запуск по времени) РП.

Заданные промежутки времени (временные интервалы, уставки) каждого из каналов времязадающего устройства 10 задаются отдельно в зависимости от исходных данных, полученных по результатам предварительных расчетов с учетом прогноза.

В момент прохождения центра полевоспринимающего устройства 5 (катушка индукционного датчика) мимо полесоздающего устройства 4 (постоянный магнит ЮНДК) в полевоспринимающем устройстве 5 вырабатывается электрический сигнал, который поступает на вход формирователя импульса запуска 6 (запуск по пути). Сигнал формируется в положительный импульс с заданными параметрами (длительности, амплитуды) и поступает на выход формирователя импульса запуска 6, затем на второй вход схемы совпадения «И» 7, которая переключается в единичное состояние. При этом происходит подключение выхода второй схемы совпадения «И» 7 ко второму входу схемы совпадения «ИЛИ» 8. По истечении второго временного интервала (уставки) срабатывает второй канал времязадающего устройства (10) и положительный импульс поступает на второй вход третьей схемы совпадения «И» 9, которая переключается в единичное состояние, после чего импульс поступает на первый вход схемы совпадения «ИЛИ» 8. С выхода схемы совпадения «ИЛИ» 8 сигнал поступает на вход второго формирователя длительности 14, формируется, поступает на вход второго выходного ключа 15, а с его выхода на электровоспламенители второй группы пиротехнических устройств 17, предназначенных для отделения объекта испытаний (ОИ) от РП.

Временной интервал (уставка) второго канала времязадающего устройства 10 подбирается таким образом, чтобы в первую очередь отрабатывался запуск системы отделения ОИ по пути, а затем по времени, т.е. второй заданный промежуток времени задают меньше первого заданного промежутка времени. За счет такого резервирования достигается надежность и высокая функциональная эффективность бесконтактного запуска пиротехнических устройств в гиперзвуковых ракетных поездах.

Таким образом, заявляемые способ и устройство обеспечивают повышенную безопасность в служебном обращении за счет применения в устройстве схем совпадения преобразования и выделения управляющих сигналов, которые реализуют заданный алгоритм взаимодействия, направленный на повышение точности и стабильности срабатывания электровоспламенителей пиротехнических устройств в разных условиях.

При запуске пиротехнических устройств объекта передают сигнал от полесоздающего устройства, размещенного вне объекта, через полевоспринимающее устройство на объекте на электровоспламенители пиротехнических устройств. Пиротехнические устройства размещают на объекте в виде ракетного поезда, а полесоздающее устройство устанавливают на заданном участке рельсовой направляющей. Первую группу пиротехнических устройств, предназначенных для запуска последней ступени ракетного поезда, выполняют с возможностью срабатывания через первый промежуток времени после достижения ракетным поездом установленной скорости движения. Вторую группу пиротехнических устройств, используемых для отделения объекта испытания, выполняют с возможностью срабатывания при поступлении сигнала от полевоспринимающего устройства через второй промежуток времени, меньший первого, после достижения ракетным поездом установленной скорости движения. Устройство запуска пиротехнических устройств объекта содержит полесоздающее устройство, установленное вне объекта, и полевоспринимающее устройство, электрически связанное по крайней мере с одним из электровоспламенителей одного из пиротехнических устройств и расположенное внутри указанного объекта, размещенные в объекте датчик перегрузок, интегратор, компаратор, первую, вторую и третью схемы совпадения «И», первый и второй формирователи длительности, первый и второй выходные ключи, времязадающее устройство, схему совпадения «ИЛИ», формирователь импульса запуска. Изобретения позволяют повысить надежность и безопасность срабатывания пиротехнических устройств, а также повысить точность запуска ступеней ракетного поезда и катапультирования объекта испытания. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ запуска пиротехнических устройств объекта, включающий передачу управляющего сигнала от полесоздающего устройства, размещенного вне объекта, через полевоспринимающее устройство, установленное на объекте, на электровоспламенители по крайней мере части пиротехнических устройств объекта, отличающийся тем, что пиротехнические устройства размещают на объекте в виде ракетного поезда, а полесоздающее устройство устанавливают на заданном участке рельсовой направляющей ракетной катапультирующей установки, первую группу пиротехнических устройств, предназначенных для запуска последней ступени ракетного поезда, выполняют с возможностью срабатывания через первый заданный промежуток времени после достижения ракетным поездом установленной скорости движения, вторую группу пиротехнических устройств, используемых для отделения установленного на ракетном поезде объекта испытания, выполняют с возможностью срабатывания при поступлении сигнала от полевоспринимающего устройства через второй заданный промежуток времени, меньший первого заданного промежутка времени, после достижения ракетным поездом установленной скорости движения.

2. Устройство запуска пиротехнических устройств объекта, содержащее полесоздающее устройство, установленное вне объекта, и полевоспринимающее устройство, электрически связанное по крайней мере с одним из электровоспламенителей одного из пиротехнических устройств и расположенное внутри указанного объекта, отличающееся тем, что дополнительно содержит размещенные в объекте датчик перегрузок, интегратор, компаратор, первую, вторую и третью схемы совпадения «И», первый и второй формирователи длительности, первый и второй выходные ключи, времязадающее устройство, схему совпадения «ИЛИ», формирователь импульса запуска; датчик перегрузок, интегратор, компаратор соединены последовательно, выход компаратора соединен с первыми входами трех схем совпадения «И», выход первой схемы совпадения «И» соединен с входом первого формирователя длительности, выход которого соединен с входом первого выходного ключа, выход которого соединен с электровоспламенителями первой группы пиротехнических устройств; первый выход времязадающего устройства, выполненного с возможностью начала работы в момент начала движения объекта, соединен со вторым входом первой схемы совпадения «И», а его второй выход соединен со вторым входом третьей схемы совпадения «И», выход которой соединен с первым входом схемы совпадения «ИЛИ»; полевоспринимающее устройство электрически связано с электровоспламенителями второй группы пиротехнических устройств через формирователь импульса запуска, вторую схему совпадения «И», схему совпадения «ИЛИ», второй формирователь длительности и второй выходной ключ, при этом выход полевоспринимающего устройства соединен с входом формирователя импульса запуска, его выход соединен со вторым входом второй схемы совпадения «И», выход которой соединен со вторым входом схемы совпадения «ИЛИ», выход которой соединен со входом второго формирователя длительности, выход которого соединен со входом второго выходного ключа, выход которого соединен с электровоспламенителями второй группы пиротехнических устройств.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что полесоздающее устройство выполнено в виде магнита и размещено на заданном участке рельсовой направляющей ракетно-катапультирующей установки.