СПОСОБ ЗАМЕДЛЕНИЯ ДЕТОНАЦИОННЫХ КОМАНД В БОРТОВЫХ СИСТЕМАХ АВТОМАТИКИ Российский патент 2015 года по МПК F42C15/00 

Изобретение относится к бортовй пироавтоматике ЛА - летательных аппаратов (ракетной, космической и авиационной техники) и может быть использовано для создания необходимых временных интервалов (замедлений, задержек, уставок), обеспечивающих заданную последовательность работы элементов детонационных цепей. Может применяться также в конструкциях взрывателей и взрывательных устройств боеприпасов различного назначения, а также в промышленных системах инициирования.

Замедлители (или замедлительные устройства) традиционно используются в конструкциях взрывателей и взрывательных устройств различных типов боеприпасов, а также во взрывном деле в средствах инициирования замедленного действия, зажигательных и электрозажигательных трубках, пиротехнических реле и т.п.

Известен способ замедления детонационных команд включением во взрывную цепь элементов с детонирующим снаряжением в виде прессованных или литых шашек или столбиков из бризантных взрывчатых веществ (ВВ), взрывчатых составов или композиций. Способ успешно реализуется в конструкциях взрывателей, взрывательных устройств, систем инициирования практически мгновенного действия (с замедлениями от нескольких микросекунд до миллисекунды) (Средства поражения и боеприпасы, 2008). Недостатком данного способа является достаточно узкий диапазон очень малых времен задержек из-за высоких скоростей детонации применяемых взрывчатых веществ - (7÷8) км/с и более, в результате чего практически исключается возможность в реальных габаритно-массовых характеристиках устройств получить на борту ЛА (в бортовой системе разводки детонационных команд) задержки миллисекундного диапазона.

Реализующие такой же способ замедления детонационных команд и широко используемые во взрывном деле неэлектрические системы инициирования зарядов ВВ с детонирующим шнуром (включая традиционные шнуры в нитяных оплетках и с пластиатными покрытиями или без них, детонирующие удлиненные заряды круглого сечения в металлических оболочках, безоболочные заряды из эластитов и пластитов в виде шнуров и лент, системы инициирования с низкоэнергетическими проводниками импульсов типа НОНЕЛЬ и др.) (Граевский М.М., 2000; Инженерные боеприпасы, 1976), позволяющие получать практически любые времена задержек, также не могут быть применены на борту ЛА из-за большой протяженности детонирующих шнуров, удлиненных зарядов и существенных ударно-волновых нагрузок при их срабатывании.

Известен способ газодинамического замедления детонационных команд, реализуемый во взрывателях, например, к малокалиберным снарядам, при котором замедление осуществляется за счет истечения газов (продуктов сгорания порохового или пиротехнического заряда) через систему калиброванных отверстий, каналов и расширительных камер. Как и в предыдущем случае, способ позволяет получать стабильные задержки только в микросекундном интервале (Средства поражения и боеприпасы, 2008).

Известны способы механического и электромеханического замедления детонационных команд. Эти способы реализованы в конструкциях часовых и тахометрических контактных взрывателей, в механизмах дальнего возведения авиабомб (Средства поражения и боеприпасы, 2008). Недостатками данных способов замедления и устройств, их реализующих, являются недостаточно высокие надежность и точность временных задержек, громоздкость конструкции, потребление дополнительной электроэнергии, большие времена задержек (десятки секунд, минуты, часы).

Частично перечисленные выше недостатки устраняются при электрическом способе замедления, при котором время замедления определяется временем зарядки электролитического конденсатора, выдающего сигнал на подрыв заряда ВВ (Средства поражения и боеприпасы, 2008).

Повышается точность установки временных задержек, улучшаются массово-габаритные характеристики устройств замедления по сравнению с предыдущими аналогами, однако надежность остается на недостаточном уровне (возможны электрические пробои конденсаторов), необходим либо автономный источник питания, либо отвод от бортовой кабельной сети ЛА.

Известен и чрезвычайно широко применяется на практике пиротехнический способ замедления, сущность которого заключается в использовании в замедлителях зарядов быстро- или медленногорящих взрывчатых материалов: дымного пороха, малогазовых пиротехнических составов в виде прессованных столбиков разной высоты, колец, «спиралей», прессуемых в поворотные массивные диски (пиротехнические замедлительные элементы с дуговыми каналами с односторонним и двусторонним размещением каналов), или в виде изделий - огнепроводных шнуров в нитяной или металлической оболочке. Пиротехнические замедлители входят в конструкции подавляющего большинства контактных механических взрывателей, детонационных взрывателей и дистанционных трубок, зажигательных и электрозажигательных трубок, средств инициирования (капсюлей-детонаторов и электродетонаторов) короткозамедленного и замедленного действия (Средства поражения и боеприпасы, 2008; Граевский М.М., 2000; Инженерные боеприпасы, 1976; Карпов П.П., 1935).

Недостатками пиротехнического способа замедления и пиротехнических устройств, применяемых в капсюлях-детонаторах и электродетонаторах (ЭД), взрывателях (взрывательных устройствах), а также в ряде других пироустройств, например в пирорезаках, механизмах раскрытия кассет и др. (Вспомогательные системы ракетно-космической техники, 1970) являются зависимость скорости горения пиротехнических составов от внешнего давления и начальной температуры заряда (хотя и не такая сильная, как у порохов), от плотности запрессовки, высоты столбика (или длины кольца), от материала оболочки, в которую запрессован состав, и ее геометрических размеров, от мощности источника воспламенения, конструкции камеры сгорания. Подавляющее большинство пиротехнических составов горят с открытой поверхности лишь при остаточном давлении до 10 мм рт.ст.; при дальнейшем повышении степени вакуума происходит затухание горения, что неизбежно приводит к отказу в работе устройства. Указанные недостатки снижают надежность устройства, являются причинами недопустимо больших разбросов по временам срабатывания (так, при временах задержки от 15 до 100 мс у короткозамедленных отечественных ЭД типа ЭДКЗ-П (-ПМ; -ПМК), ЭД-3-Н; ЭД-1-3-Т; ЭД-24 разброс времени замедления от номинального значения может достигать ±(12…50)%). Кроме того, максимальная скорость горения пиротехнических замедлительных составов (или быстрогорящих малогазовых составов), достигнутая к настоящему времени, составляет порядка 500 мм/с (Демьяненко Д.Б., Дудырев А.С., Ефанов В.В., 2007). Для обеспечения времен замедления миллисекундного диапазона высоты запрессовок пиросостава должны быть в пределах 0,5…5,0 мм, что в технологическом плане представляет определенную сложность. Помимо всего сказанного, при использовании пиротехнических замедлителей в детонационных цепях систем разводки необходимы дополнительные устройства, преобразующие сначала детонационный импульс в огневой, затем - обратно, огневой в детонационный.

В развитие пиротехнического способа замедления детонационных команд в последние годы разработаны герметизированные замедлительные модули, представляющие собой стальные втулки (колпачки) с наружным диаметром 6,2 мм и высотой от 10 до 50 мм, в которые запрессованы малогазовые замедлительные составы (быстро- или медленногорящие), воспламенительно-герметизирующий состав и, при необходимости, концевой заряд, обеспечивающий либо требуемый выходной огневой импульс замедлительного модуля, либо образование необходимого количества газообразных продуктов сгорания - рабочего тела для пиромехнических устройств поршневого типа, либо переход от горения к детонации, либо замыкание электроконтактов электропроводными продуктами сгорания и т.д. {Демьяненко Д.Б., Дудырев А.С., Ефанов В.В., 2012). Воспламенительно-герметизирующий состав после своего горения образует стеклообразную газонепроницаемую шлаковую пробку, способную выдерживать давления газов до нескольких десятков мегапаскалей. Малогазовый замедлительный состав горит при этом в герметизированном объеме, и поэтому скорость его горения практически не зависит (или слабо зависит) от давления окружающей среды. Для обеспечения заданных временных интервалов предложено пиротехническое программно-временное устройство, которое снаряжено набором замедлительных модулей, смонтированных в трубчатых содержателях. Замедлительные модули обеспечивают передачу огневых импульсов между собой и в разветвителях, к которым монтируются огневоды или огнепроводные шнуры в металлической оболочке; последние транслируют огневые сигналы к исполнительным или другим устройствам бортовой автоматики. Достоинствами замедлительных модулей и программно-временных устройств на их основе по сравнению с предыдущими устройствами являются простота и быстрота установки требуемых временных интервалов, более высокая точность выдачи команд за счет герметизирования модулей при сгорании специальных воспламенительных составов. Однако все остальные перечисленные ранее недостатки, присущие пиротехническим замедлителям, остаются. Так, верхние значения температурного коэффициента К_т скорости горения для быстрогорящих малогазовых составов могут достигать двадцати процентов, что вряд ли можно считать удовлетворительным для большинства бортовых систем автоматики космических аппаратов, ракетных блоков.

Известен способ электронного замедления детонационных команд в современных электродетонаторах, дистанционных и дистанционно-контактных взрывательных устройствах с использованием специализированных больших интегральных микросхем (другое прочно закрепившееся их название - микрочипы) (Граевский М.М., 2000; Средства поражения и боеприпасы, 2008). Основным элементом данных замедлителей является электронное временное устройство, обеспечивающее высокую точность отсчета установленного времени (с погрешностью на уровне долей процента) без использования прецезионных элементов в задающем генераторе специального электронного взрывного прибора или аппаратуры дистанционного управления пуском снаряда (ракеты). Помимо высокой точности программирования временных интервалов достоинствами электронных ЭД и взрывных устройств (ВУ) являются повышенная безопасность в отношении блуждающих токов любого происхождения, невозможность несанкционированного срабатывания от любого источника тока, кроме специального взрывного прибора (или аппаратуры дистанционного управления), причем именно такого, у которого установленный код безопасности идентичен настройке электронной схемы в ЭД (или ВУ), а также возможность автоматической проверки состояния электровзрывной сети и блокирования процесса взрывания при невыполнении условий безотказности. Электронным ЭД и ВУ, несмотря на перечисленные выше неоспоримые преимущества перед устройствами с пиротехническими узлами замедления, присущи и существенные недостатки. К ним относятся недостаточно высокая стойкость микрочипов к мощным ионизирующим излучениям, необходимость включения в конструкции устройств источников питания (либо конденсаторных, заряжаемых от громоздких и массивных взрывных приборов или аппаратуры дистанционного управления, либо тепловых с расплавляемым от дополнительного пиротехнического устройства электролитом). Кроме того, для производства микрочипов в настоящее время отсутствует отечественная промышленная база, в результате чего стоимость электронных ЭД и ВУ чрезвычайно высока.

Известен способ взрывания по детонации на расстоянии, состоящий в том, что от одного активного заряда ВВ, взрываемого каким-либо из основных способов, одновременно взрываются один или несколько других пассивных зарядов, отделенных от активного заряда воздушной средой и снабженных капсюлями-детонаторами, вставленными в пассивные заряды; при этом все капсюли-детонаторы обращены открытыми концами гильзы в сторону активного заряда (Морин А.И. и др., 1957). В основу способа положены известные в физике взрыва (Физика взрыва, 2002) явления передачи детонации через различные среды и детонации в пассивных зарядах ВВ при воздействии на них продуктов детонации и твердых частиц (в том числе высокоскоростных компактных осколков оболочек зарядов), образующихся при детонации активных зарядов ВВ. Данный способ по назначению и технической сущности наиболее близок к заявляемому и принят за прототип.

Недостатками известного, наиболее близкого к заявляемому, способа являются:

1. Очень высокая начальная скорость распространения воздушной ударной волны при детонации активного заряда; так при детонации заряда тротила скорость распространения ударной волны составляет 7100 м/с, а при детонации заряда гексогена - 8200 м/с. Для формирования задержек детонации (временных уставок) в несколько миллисекунд или даже десятков миллисекунд потребуются чрезвычайно большие воздушные промежутки, что делает, в принципе, невозможным применение такого способа в бортовых системах автоматики ЛА.

2. Необходимость использования для инициирования детонации в пассивных зарядах капсюлей-детонаторов, снаряженных чувствительными инициирующими ВВ, что снижает безопасность способа при применении его на борту ракеты, космического аппарата, ракетного блока и т.д.

3. Резкий спад параметров воздушной ударной волны (давления p_вув и скорости D_вув) по мере удаления от активного заряда (даже при условии канализирования промежутка между активным и пассивным зарядами, что может привести при значительных расстояниях между зарядами к снижению указанных выше параметров ниже критических значений, необходимых для надежного инициирования детонации в капсюле-детонаторе или в пассивном заряде ВВ.

Из приведенных недостатков второй может быть устранен простой заменой штатного капсюля-детонатора на детонирующее устройство, срабатывающее от воздействия ударной волны, заявленное в (Пат. 2123657 RU, опубл. 20.12.98) и не содержащее инициирующих ВВ. Однако остальные недостатки при этом сохраняются, причем уровень параметров воздушной ударной волны для инициирования детонации в пассивном заряде ВВ должен быть при этом значительно выше, чем в случае применения штатного капсюля-детонатора.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка простого, надежного, достаточно безопасного, точного и энергосберегающего (без дополнительного потребления электрического тока) и стойкого ко всем факторам космического пространства способа замедления детонационных команд - создания необходимых временных интервалов, обеспечивающих заданную последовательность работы элементов детонационных цепей и взрывной логики бортовой пироавтоматики, расширение области применения способа, взятого за прототип.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении эффективности и надежности бортовых систем автоматики летательных аппаратов за счет формирования точных временных задержек и обеспечения требуемой очередности прохождения детонационных команд.

Указанный технический результата достигается тем, что продукты взрыва активного заряда ВВ, выполненного в виде детонирующего удлиненного заряда в оболочке или без нее, разгоняют боек-ударник из высокоплотного прочного материала по гладкому каналу (стволу), соединяющему активный заряд с пассивным, представляющим собой детонирующий удлиненный заряд в металлической оболочке. При ударе бойка-ударника по открытому торцу пассивного заряда в последнем инициируется детонация. Расстояние между бойком-ударником и торцом пассивного заряда устанавливают таким, чтобы суммарное время движения бойка-ударника по каналу и время протекания процессов зарождения детонационной волны в пассивном заряде, а также развития ее до стационарной скорости соответствовало требуемому времени замедления детонационной команды.

Применение изобретения позволяет обеспечить получение с высокой степенью надежности, повышенной безопасностью и с достаточной точностью гарантированных задержек детонационных команд, в первую очередь, миллисекундного диапазона вне зависимости от факторов окружающего пространства и без дополнительного энергопотребления, Расширяются область применения и функциональные возможности способа.

Источники информации

1. Средства поражения и боеприпасы: Учебник / А.В. Бабкин, В.А. Вельдаков, Е.Ф. Грязнов и др.; Под общ. ред. В.В. Селиванова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.

2. Граевский М.М. Справочник по электрическому взрыванию зарядов ВВ. Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Рандеву - AM, 2000.

3. Карпов П.П. Капсюля-воспламенители и капсюля-детонаторы / Под ред. П.Ф. Бубнова. - Л.: Изд-во Арт. академии РККА им. Дзержинского, 1935.

4. Инженерные боеприпасы. Руководство по материальной части и применению. Кн. 1. - М.: Воениздат, 1976.

5. Вспомогательные системы ракетно-космической техники / Под ред. И.В. Тишунина. - М.: Изд-во «Мир», 1970.

6. Демьяненко Д.Б., Дудырев А.С., Ефанов В.В. Комплекс новых пиротехнических средств для обеспечения функционирования малых космических аппаратов // Известия Санкт-Петербургского гос. Технолог. ин-та (техн. ун-та), 2007. - №1 (27).

7. Демьяненко Д.Б., Дудырев А.С., Ефанов В.В., Страхов И.Г, Цынбал М.Н. Пиротехнические временные устройства для объектов космической техники // Вестник ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина», 2012. - №3 (14).

8. Морин А.И. и др. Подрывное дело. - М.: Воениздат, 1957.

9. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. - Изд. 3-е, переработанное. - В 2-х т. Т1. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.

10. Патент 2123657 РФ, МПК F42B 3/10. Детонирующее устройство, срабатывающее от воздействия ударной волны / Ленский Р.Г., Ащепков Н.В.; заявитель и патентобладатель Российский федеральный ядерный центр - ВНИИЭФ. - №97101382/02, заявл. 30.01.97, опубл. 20.12.98, Бюл. №35.

Изобретение относится к бортовым устройствам и системам пироавтоматики летательных аппаратов, а также может использоваться во взрывном деле и в конструкциях взрывателей и взрывательных устройств боеприпасов различного назначения. Способ включает разгон бойка-ударника из высокоплотного прочного материала продуктами взрыва, истекающими с торца активного заряда, выполненного в виде детонирующего удлиненного заряда в оболочке или/и без нее, по гладкому каналу, соединяющему активный заряд с пассивным детонирующим удлиненным зарядом в металлической оболочке. В результате высокоскоростного удара бойка по торцу пассивного заряда в последнем инициируется детонация, причем интегральное время движения бойка и протекания переходных процессов в пассивном заряде от зарождения в нем детонационной волны и до развития ее до стационарной скорости должно соответствовать задаваемому времени замедления детонационной команды. Позволяет обеспечивать получение с высокой степенью надежности, повышенной безопасностью и с достаточной точностью гарантированных задержек детонационных команд вне зависимости от факторов окружающего пространства и без дополнительного энергопотребления. Расширяются область применения и функциональные возможности способа.

Способ замедления детонационных команд в бортовых системах автоматики, включающий передачу детонации на расстояние от активного заряда взрывчатого вещества к пассивному заряду, отличающийся тем, что продуктами взрыва, истекающими с торцевой поверхности активного детонирующего удлиненного заряда в оболочке и/или без нее, разгоняют боек-ударник из высокоплотного материала по гладкому каналу, соединяющему активный заряд с пассивным зарядом в металлической оболочке, причем интегральное время движения бойка-ударника и протекания переходных процессов в пассивном заряде от зарождения детонационной волны до развития ее до стационарной скорости должно соответствовать задаваемому времени замедления детонационной команды.