ИМПУЛЬСНЫЙ ГАЗОГЕНЕРАТОР Российский патент 2023 года по МПК F02K9/08 B01J7/00 

Импульсный газогенератор относится к области ракетной техники и может быть использован в пиропатронах при проектировании, экспериментальной отработке, изготовлении и эксплуатации катапультных устройств для отстрела грузов малой и средней массы от их носителей.

Из уровня техники известно катапультное устройство по патенту на изобретение РФ №2391255, приоритет от 11.01.2009. Катапультное устройство включает цилиндропоршневую систему, пиропатрон, газогенератор твердого ракетного топлива и центральную трубку, скрепленную с пиропатроном. Трубка выполнена полой, а заряд газогенератора выполнен многошашечным в виде канальных шашек, размещенных между центральной трубкой и корпусом газогенератора, профиль переднего днища выполнен коническим, а центральная трубка установлена с зазором по отношению к переднему днищу. Корпус газогенератора соединен газоводом с подпоршневым объемом цилиндропоршневой системы. Масса пиропатрона составляет 0,07 - 0,11 массы заряда твердого ракетного топлива газогенератора. Технический результат данного решения направлен на уменьшение веса и габаритов катапультного устройства, а также в повышении эффективности катапультирования.

Известно стреляющее устройство для катапультного кресла пилотируемого летающего аппарата по патенту на изобретение РФ №2390471, приоритет от 22.12.2008, содержащее телескопический механизм, в виде неподвижного и подвижного цилиндров, колосник, пиросредство и инициатор. Пиросредство включает петарду, твердотопливные канальные шашки и размещено в оболочке-пакете из полиэтиленовой пленки ламинированной полиэтиленом. Пиросредство установлено в нижней полости неподвижного цилиндра телескопического механизма и зафиксировано посредством колосника, скрепленного с мембраной и пыжом, причем колосник установлен в неподвижном цилиндре телескопического механизма над пиросредством с возможностью продольного перемещения вдоль полости цилиндра.

Данному стреляющему устройству присущи те же недостатки, что и вышеописанного пиропатрона по патенту на изобретение РФ №2230211.

Известен твердотопливный заряд газогенератора ракетного двигателя твердого топлива по патенту на изобретение №2213245, приоритет от 01.04.2002, состоящий 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.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является пиропатрон для катапультного кресла пилотируемого летательного аппарата по патенту на изобретение РФ №2230211, приоритет от 14.10.2002, включающий гильзу, капсуль-воспламенитель, петарду, твердотопливные шашки, пыж, колосник и прокладочные элементы. Данное техническое решение относится к системам аварийного спасения экипажей летательных аппаратов, а именно к энергоисточникам стреляющих механизмов катапультных кресел (пиропатронам катапультирования).

Описанная в патенте конструкция пиропатрона обладает рядом недостатков, которые выражены в долговременности процесса работы пиропатрона, неравномерностью обеспечения высокого газообразования по всему внутреннему объему пиропатрона, высокого шлакообразования и низкой надежности его функционирования.

Изобретение РФ №2230211 выбрано заявителем за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании вышеописанных решений (патентов №2390471, №2213245, №2391255, №2230211), относится то, что, по существу, данные технические решения обладают рядом недостатков, не позволяющих применять их в полной мере, или ограниченно, в катапультных приводах носителей при следующих условиях: - сбросе груза массой - до 600 кг; - с вертикальной скоростью отделения от носителя - ≥6 м/с; - при высокой температурной нагрузке - до +85°С, - ограниченном уровне давления в приводе отделения - до 45⋅10⁶ Па с низким содержанием шлакового остатка, что позволяло бы проводить переснаряжение катапульты без промежуточной чистки и обслуживания.

Условия применения высокоскоростных носителей грузов предъявляют к катапультным устройствам и пиропатронам их задействующим повышенные технические и эксплуатационные требования. Так для надежного и безопасного отделения груза средней и малой массы требуется скорость вертикального перемещения груза относительно катапульты - ≥6 м/с.при сравнительно малой величине угловой скорости - ≤15 рад/с.Реализация этого требования возможна путем достижения импульса давления, развиваемого пиропатроном величины - 33 -41⋅10⁶ Па⋅с за время - 0,12-0,18 с. в диапазоне температур применения от - 65°С до+75°С.Кроме того, пиропатрон должен выдерживать кратковременное повышение температуры до +90°С и обеспечивать до 50 циклов перезаряжания без чистки и/или замены привода катапульты.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение функциональных возможностей, а именно, создание импульсного газогенератора, обеспечивающего при его инициировании новые, улучшенные параметры по быстродействию, надежности и оптимальным уровням внутрибаллистических характеристик продуктов сгорания твердотопливного заряда газогенератора с низким содержанием шлакового остатка, позволяющего в условиях сверхвысоких скоростей производить гарантированный отстрел полезного груза средней и малой массы (до 600 кг) от его носителя при многократном последующем применении используемого газогенератора без чистки и/или замены привода катапульты.

Требуемый технический результат достигается тем, что известный импульсный газогенератор, включает канальные шашки твердотопливного заряда, инициируемые от воспламенителя, размещенного соосно цилиндрическому корпусу, на дистальном конце которого смонтирован колосник.

Особенностью импульсного генератора является то, что канальные пиротехнические шашки твердотопливного заряда, имеющие на торцах рифли, устанавливают и фиксируют в цилиндрическом корпусе последовательно в продольном примыкании друг к другу с гарантированным кольцевым зазором относительно цилиндрического корпуса между несущей электровоспламенитель резьбовой втулкой, снабженной донными огнепередаточными отверстиями коммуникации и перекрытой мембраной, установленной в выходном насадке колосника на опорном элементе, размещенном внутри коаксиального диффузора с возможностью продольных относительных перемещений, причем соосный с цилиндрическим корпусом колосник имеет радиально рассредоточенные выпускные отверстия, частично перекрытые коаксиальным диффузором, жестко связанным с цилиндрическим корпусом. Каждая из использованных канальных пиротехнических шашек твердотопливного заряда выполнена с осевым каналом и смонтирована в цилиндрическом корпусе с гарантированном кольцевым зазором, сформированным посредством фиксации шашек между закрепленными на внутренней поверхности цилиндрического корпуса по его длине, по меньшей мере, трех равноудаленных проставок, выполненных из эластичного материала.

Оснащение канальных пиротехнических шашек твердотопливного заряда рифлями на торце, обращенными к воспламенителю, интенсифицирует всестороннее их горение за счет принудительного разворота огневого форса на открытую периферию и позволяет производить регулирование скорости газификации путем изменения соотношения их глубины и удлинения канальной шашки.

Установка канальных пиротехнических шашек в цилиндрическом корпусе с гарантированным кольцевым зазором и с осевым каналом обеспечивает их активное горение как по внутренней, так и по наружной поверхности, то есть всестороннее, что_? значительно увеличивает площадь горения и удельный объем генерирования рабочих газов.

Продольное размещение канальных пиротехнических шашек друг к другу формирует единый твердотопливный заряд, который без промежуточных средств воспламенения примыкает непосредственно к втулке, несущей штатный электровоспламенитель и опорному элементу, перекрытому сгорающей мембраной, толщина которой рассчитана экспериментальным путем в соответствии с условиями процесса горения, термодинамики и газоприхода при максимальной эффективности действия конструкции по назначению.

Канальные пиротехнические шашки твердотопливного заряда устанавливают и фиксируют между несущей электровоспламенитель резьбовой втулкой, снабженной донными огнепередаточными отверстиями коммуникации и перекрытой мембраной, установленной в выходном насадке колосника на опорном элементе, размещенном внутри коаксиального диффузора с возможностью продольных относительных перемещений, что позволяет компенсировать контактные напряжения между шашками, возникающие при существенных температурных перепадах при хранении и эксплуатации.

Выполнение на дне резьбовой втулки распределенных отверстий коммуникации позволяет диспергировать мощный огневой форс от штатного электровоспламенителя на инициирующие языки пламени по всей торцевой поверхности примыкающей шашки твердотопливного заряда, чем создается быстродействие импульсного газогенератора в целом.

Колосник выполнен в виде центробежного фильтра, представляющего собой соосный цилиндр, по образующей которого распределены выпускные отверстия, часть из которых, перекрыта коаксиальным диффузором, внутри которого размещена резьбовая втулка, несущая сам колосник и примыкающая к опорному элементу, фиксирующему твердотопливный заряд.

Подвижная резьбовая связь насадка с корпусом необходима для поджатая через опорный элемент пиротехнических шашек в монолитный твердотопливный заряд стабильного горения и газоприхода.

На глухом дне и в выпускных радиальных отверстиях колосника, где газовый поток турбулизируется, оседают твердые несгоревшие частицы.

Коаксиальный диффузор, частично перекрывающий выпускные отверстия центробежного фильтра, образует канал в виде лабиринта для потока газа, который переориентируется вдоль его образующей, что формирует газодинамический затвор для открытой части выпускных отверстий. В результате этого внутри фильтра растет давление, что способствует полному догоранию твердых частиц генерированного газа, который интенсивно выбрасывается в рабочую систему.

Выбор пиротехнического состава для твердотопливного заряда продиктован тем, что смеси на основе нитрогуанидина и органических связующих представляют собой промышленно освоенный технологичный пиротехнический состав, который характеризуется высокой скоростью горения и большим содержанием чистого газообразного азота в продуктах горения, имеющих низкую температуру, что обеспечивает повышенную эффективность действия импульсного генератора по назначению.

В качестве состава канальных пиротехнических шашек твердотопливного заряда используется смесь нитрогуанидина с окислителями в виде калиевой селитры, в связке с нитроцеллюлозным раствором, а также компонентами, повышающими энергетический потенциал топлива при следующем содержании компонентов, мас. % (нитрогуанидин - 53-57, калиевая селитра - 28-32, коллоксилин - 5-9, сплав АМД - 4-6, пятиокись ванадия - 2-4), известно из уровня техники, Патент РФ на изобретение №2634023 от 11.10.2016.

Каждая из использованных канальных пиротехнических шашек твердотопливного заряда выполнена с осевым каналом и смонтирована в цилиндрическом корпусе с гарантированном кольцевым зазором, сформированным посредством фиксации шашек между закрепленными на внутренней поверхности цилиндрического корпуса по его длине, по меньшей мере, трех равноудаленных проставок, выполненных из эластичного материала (например, из картона).

Шашки последовательно размещаются и фиксируются в цилиндрическом корпусе газогенератора враспор между, по меньшей мере, трех проставок, закрепленных клеевой композицией (например, клеем 88) к внутренней поверхности цилиндрического корпуса по его длине (показано на фиг.2).

Каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны импульсного газогенератора, не присущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом, объединяющих в едином замысле слагаемых признаков изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, которые приведены в целях пояснительной части к описанию, не ограничивают объема притязаний совокупности признаков формулы. На чертежах представлены.

Фиг. 1 - импульсный газогенератор в продольном разрезе.

Фиг. 2 - импульсный газогенератор в поперечном разрезе (А-А);

Фиг. 3 - канальная пиротехническая шашка твердотопливного заряда в поперечном разрезе;

Фиг. 4 - канальная пиротехническая шашка твердотопливного заряда в продольном разрезе (Б-Б).

На фигурах обозначены следующие составные элементы газогенератора:

1 - канальная пиротехническая шашка твердотопливного заряда;

2 - цилиндрический корпус;

3 - кольцевой зазор твердотопливного заряда;

4 - проставка твердотопливного заряда;

5 - осевой канал твердотопливного заряда;

6 - рифли канальной пиротехнической шашки;

7 - резьбовая втулка;

8 - электровоспламенитель газогенератора;

9 коммуникационные отверстия;

10 - выходной насадок;

11 - мембрана;

12 - опорный элемент;

13 - колосник;

14 - выпускные отверстия;

15 - коаксиальный диффузор.

Импульсный газогенератор содержит твердотопливный заряд, выполненный из канальных пиротехнических шашек (1), установленных последовательно в примыкании друг к другу в цилиндрическом корпусе (2) газогенератора.

Канальные пиротехнические шашки (1) твердотопливного заряда смонтированы с гарантированным кольцевым зазором (3), сформированным посредством размещения каждой шашки по месту своего размещения и фиксации посредством зажатия между равноудаленными местами крепления проставок (4) (Фиг. 2).

Канальные пиротехнические шашки (1) твердотопливного заряда выполнены с осевым каналом (5) и по торцу оснащены рифлями (6) (фиг.3 и 4), развивающими поверхность их воспламенения и обеспечив всестороннее горение, за счет направленной передачи волны горения на наружную поверхность канальных пиротехнических шашек (1).

Рифли получены путем формования и прессования экспериментальным путем на производственных мощностях предприятия, их количество может быть любым, для пояснения сущности изобретения в описании их представлено четыре.

Со стороны рифлей (6) в цилиндрическом корпусе (2) через резьбовую втулку (7) закреплен штатный электровоспламенитель (8), в частности марки МПДО-2, инициируемый от внешнего блока управления (на фиг. условно не показан). Дно резьбовой втулки (7) снабжено коммуникационными отверстиями (9), направленными на канальные пиротехнические шашки (1) твердотопливного заряда импульсного газогенератора.

На дистальном конце цилиндрического корпуса (2) на резьбе установлен выходной насадок (10), который через перекрытую мембраной (11) опорный элемент (12) поджимает продольный столб канальных пиротехнических шашек (1) к дну резьбовой втулки (7) в монолит твердотопливного заряда.

Полый выходной насадок (10) имеет центральный цилиндрический колосник (13) с выпускными отверстиями (14), распределенными по его поверхности, причем часть отверстий (14) выполнены внутри коаксиального диффузора (15), жестко скрепленного с соосным цилиндрическим корпусом (2).

Функционирует импульсный газогенератор по предлагаемому изобретению следующим образом. При подаче импульса на электровоспламенитель (8) (например, МПДО-2) происходит срабатывание пороховой петарды из канальных пиротехнических шашек (1) твердотопливного заряда и заполнение продуктами сгорания объема резьбовой втулки (7). Перетекая через отверстия (9) в дне резьбовой втулки, газы турбулизируются и попадают в крестообразные пазы канальных пиротехнических шашек (1) (таблеток). Благодаря развитой поверхности горения происходит быстрый выход на рабочий режим импульсного газогенератора. При достижении давления 50-10⁶ Па вскрывается герметизирующая мембрана (11) и продукты сгорания попадают во внутреннюю полость насадка (10), в котором происходит торможение потока и осаждаение конденсированных частиц. Газы, выходя через радиальные отверстия (14) в насадке (13), отражаются от стенок коаксиального диффузора (15), теряют скорость, в результате чего в кольцевом зазоре между коаксиальным диффузором (15) и насадком (13) создается область постоянного повышенного давления, что позволяет обеспечить докритический режим истечения и стабильность рабочего давления при горении таблеток.

Представленное техническое решение в качестве предложенного изобретения характеризуется простой маломерной конструкцией, технологически подтвержденным производством предприятием-изготовителем и надежной работоспособностью при эксплуатации в заданных условиях по назначению.

Импульсный газогенератор при его инициировании в сравнении с аналогами позволил улучшить параметры по быстродействию, надежности и оптимальным уровням внутрибаллистических характеристик продуктов сгорания твердотопливного заряда газогенератора с низким содержанием шлакового остатка, позволяющего в условиях сверхвысоких скоростей производить гарантированный отстрел полезного груза средней и малой массы (до 600 кг) от его носителя при многократном последующем применении используемого газогенератора без чистки и/или замены привода катапульты.

Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили кратное повышение производительности генерирования «холодных» чистых газов с низким содержанием конденсированных частиц, что расширило ресурсные возможности запуска устройств катапультирования при многократном применении по назначению импульсного газогенератора.

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано в пиропатронах при проектировании, экспериментальной отработке, изготовлении и эксплуатации катапультных устройств для отстрела грузов малой и средней массы от их носителей. Импульсный газогенератор включает канальные пиротехнические шашки твердотопливного заряда, инициируемые от воспламенителя, соосного цилиндрическому корпусу, на дистальном конце которого смонтирован колосник, при этом канальные пиротехнические шашки твердотопливного заряда, имеющие на торцах рифли, установлены и зафиксированы в цилиндрическом корпусе последовательно в продольном примыкании друг к другу с гарантированным кольцевым зазором относительно цилиндрического корпуса между несущей электровоспламенитель резьбовой втулкой, снабженной донными огнепередаточными отверстиями коммуникации, и перекрытой мембраной, установленной в выходном насадке колосника на опорном элементе, размещенном внутри коаксиального диффузора с возможностью продольных относительных перемещений, причем соосный с цилиндрическим корпусом колосник имеет радиально рассредоточенные выпускные отверстия, частично перекрытые коаксиальным диффузором, жестко связанным с цилиндрическим корпусом. Каждая из использованных канальных пиротехнических шашек твердотопливного заряда выполнена с осевым каналом и смонтирована в цилиндрическом корпусе с гарантированным кольцевым зазором, сформированным посредством фиксации шашек между закрепленных на внутренней поверхности цилиндрического корпуса по его длине по меньшей мере трех равноудаленных продольных проставок, выполненных из эластичного материала. Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей, повышение быстродействия и надежности. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Импульсный газогенератор, включающий канальные пиротехнические шашки твердотопливного заряда, инициируемые от воспламенителя, соосного цилиндрическому корпусу, на дистальном конце которого смонтирован колосник, отличающийся тем, что канальные пиротехнические шашки твердотопливного заряда, имеющие на торцах рифли, установлены и зафиксированы в цилиндрическом корпусе последовательно в продольном примыкании друг к другу с гарантированным кольцевым зазором относительно цилиндрического корпуса между несущей электровоспламенитель резьбовой втулкой, снабженной донными огнепередаточными отверстиями коммуникации, и перекрытой мембраной, установленной в выходном насадке колосника на опорном элементе, размещенном внутри коаксиального диффузора с возможностью продольных относительных перемещений, причем соосный с цилиндрическим корпусом колосник имеет радиально рассредоточенные выпускные отверстия, частично перекрытые коаксиальным диффузором, жестко связанным с цилиндрическим корпусом.

2. Газогенератор по п. 1, отличающийся тем, что каждая из использованных канальных пиротехнических шашек твердотопливного заряда выполнена с осевым каналом и смонтирована в цилиндрическом корпусе с гарантированным кольцевым зазором, сформированным посредством фиксации шашек между закрепленных на внутренней поверхности цилиндрического корпуса по его длине по меньшей мере трех равноудаленных продольных проставок, выполненных из эластичного материала.