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

Газогенератор относится к области ракетной техники и может быть использован в пиропатронах при проектировании, экспериментальной отработке, изготовлении и эксплуатации катапультных устройств для отстрела грузов, не превышающих 800 кг своей массы от их носителей.

Из уровня техники известно катапультное устройство по патенту на изобретение РФ №2391255 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 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 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 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 от 14.10.2002 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 800 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 800 кг) от его носителя при многократном последующем применении используемого газогенератора без чистки и/или замены привода катапульты.

Требуемый технический результат достигается тем, что известный газогенератор, включает канальные шашки твердотопливного заряда, инициируемые от воспламенителя, размещенного соосно цилиндрическому корпусу.

Особенностью газогенератора является то, что твердотопливный заряд образован, по меньшей мере, из трех видов канальных пиротехнических шашек в различных последовательностях: - А и В, - или А и С, - или А и В и С, установленных в примыкании друг к другу в удлиненном цилиндрическом корпусе с гарантированным кольцевым зазором, сформированным посредством их постановки и фиксации в зажатом состоянии между закрепленными к боковой поверхности твердотопливного заряда по его длине клеевой композицией, по меньшей мере, трех равноудаленных продольных проставок или спирального компенсатора, опоясывающего твердотопливный заряд внатяг, выполненных из эластичного материала, причем каждая из использованных канальных пиротехнических шашек - В выполнена из пиротехнического состава, обладающего скоростью процесса горения, кратно превышающую скорость процесса горения пиротехнических шашек А и/или С, в виде гладкого цилиндра с осевым каналом, а основание шашек А имеет образованную прессованием форму аксиальных зигов, обращенных при установке в цилиндрическом корпусе к электровоспламенителю.

Использование пиротехнического состава канальных пиротехнических шашек - В, кратно превышающего скорость процесса горения пиротехнических шашек А и/или С необходимо для создания достаточного уровня избыточного давления в целях прогрева состава шашек, но полностью сгорающего до начала горения шашек А и/или С, не влияющего на энергетику работы газогенератора.

Пиротехнический состав канальных пиротехнических шашек - А и/или С использованный в газогенераторе состоит из пиротехнического состава, который содержит триаминогуанидин нитрат и полимерное связующее, преимущественно уретановый каучук, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

триаминогуанидин нитрат 90-96 полимерное связующее 4-10

Установка канальных пиротехнических шашек в цилиндрическом корпусе с гарантированным кольцевым зазором обеспечивает их активное горение и по наружной поверхности, то есть всестороннее, что, по определению, увеличивает площадь горения и удельный объем генерирования рабочего газа.

Регулирование кольцевого зазора обеспечивается как равноудаленными продольными проставками из эластичного материала (например, из картона или паронита), так и спиральным компенсатором, служащим одновременно ограничителем усилия при установке втулки с электровоспламенителем. Применение спирального компенсатора предпочтительно ввиду обеспечения им постоянства соотношения открытой площади горения заряда и площади выходных сечений.

Гарантированный кольцевой зазор сформирован путем размещения и фиксацией в зажатом состоянии в цилиндрическом корпусе последовательно соединенных друг с другом канальных пиротехнических шашек: - А и В, -или А и С, или А и В и С, закреплением на их боковой поверхности по всей длине твердотопливного заряда клеевой композицией (например, клеем 88), по меньшей мере, трех равноудаленных продольных проставок, выполненных из эластичного материала (например, из картона или паронита) или спирального компенсатора.

В случае использования спирального компенсатора продольные проставки не используются.

Спиральный компенсатор представляет собой удлиненную прямоугольную полоску, выполненную из эластичного материала (например, из картона или паронита) закрученную в спираль. Спиральный компенсатор размещен во внутреннем объеме цилиндрического корпуса. Канальные пиротехнические шашки: - А и В, - или А и С, или А и В и С последовательно размещаются и фиксируются в цилиндрическом корпусе газогенератора через спиральный компенсатор в зажатом состоянии.

Цилиндрический корпус выполнен, по меньшей мере, с одним резьбовым заходом на его конце, а на боковой его поверхности выполнены распределенные радиальные отверстия, перекрытые прорываемой мембраной.

Распределенные радиальные отверстия выполнены сквозными и предназначены для обеспечения выхода газовой фазы, образованной продуктами сгорания твердотопливного заряда в рабочую полость функционального устройства и поддержания необходимого предела давления.

Использование прорываемой мембраны вызвано тем, что газогенератор в исходном (незадействованном) состоянии должен оставаться герметичным в любых условиях хранения.

Каждая из использованных канальных пиротехнических шашек - С выполнена в виде гладкого цилиндра с осевым каналом, а каждая из использованных канальных пиротехнических шашек - В выполнена в виде шайбы, внутренний диаметр которой совпадает с осевым каналом пиротехнической шашки А или С.

Электровоспламенитель закреплен в цилиндрическом корпусе через коническую резьбовую втулку, в формообразующей поверхности которой выполнены коммуникационные отверстия, направленные к канальным пиротехническим шашкам: - А и В, - или А и С, или А и В и С.

Коммуникационные отверстия выполненные в формообразующей поверхности конической резьбовой втулке предназначены для направленного воздействия образованных газовых струй на поверхность канальных пиротехнических шашек, имеющих направление и площадь, достаточные для создания условий их надежного поджога.

Твердотопливный заряд, образованный и состоящий из канальных пиротехнических шашек: - А и В, - или А и С, или А и В и С, с одной стороны гибко опирается на основание аксиальных зигов крайней канальной пиротехнической шашки А на резьбовую втулку электровоспламенителя посредством пружинного компенсатора, установленного на тарелях в цилиндрическом корпусе, а с противной стороны примыкает к газодинамическому цилиндру, зафиксированному полой резьбовой втулкой, причем в газодинамическом цилиндре на образующей поверхности выполнены коммуникационные отверстия, предназначенные для разворота газового потока. Разворот газового потока осуществляется за счет разгона потока в каналах отверстий и резкого торможения при попадании в полость цилиндрического корпуса газогенератора.

Оснащение канальных пиротехнических шашек А твердотопливного заряда аксиальными зигами на торце, обращенными к электровоспламенителю, 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 С, а также обеспечивает одномоментное сгорание заряда без образования остаточно горящих дегрессивных элементов.

Горение заряда по заданной программе обеспечивается количественным соотношением пиротехнических шашек А с аксиальными зигами и гладких цилиндрических шашек В и/или С.

Продольное примыкание канальных пиротехнических шашек друг к другу формирует единый твердотопливный заряд, в котором распределено могут устанавливаться пиротехнические канальные шашки С, которые ввиду достаточного удлинения заряда, передают от воспламенителя огневой импульс на дистанцированные области заряда, а также снижают эффект агрессивности газогенерации (падение давления на конечном участке) за счет увеличенного времени горения.

Заряд с одной из сторон гибко опирается на резьбовую втулку электровоспламенителя путем установки пружинного компенсатора, нивелирующего осевые перегрузки, возникающие при эксплуатации газогенератора и газодинамические нагрузки при воздействии начального огневого импульса от электровоспламенителя.

Втулка электровоспламенителя выполнена в виде конуса с перфорированной образующей поверхностью, выравнивающей давление пороховых газов при срабатывании электровоспламенителя и задающей направление тока газовых струй.

Выполненное распределенное радиальное перфорирование корпуса обусловлено обеспечением сохранения газодинамической нагрузки вдоль заряда на уровне ниже образования условий эрозионного горения, в связи с чем конкретное положение отверстий и их размер определяются газодинамическим расчетом в каждом конкретном случае.

Установленная на дистальном конце газогенератора глухая полая пробка с опертым на нее газодинамическим цилиндром жестко замыкают конструкцию, а также создают условия торможения газового потока, а выполненные в цилиндре прямоугольные отверстия распределения, разворачивают поток в противоположном направлении, тем самым препятствуя образованию застойной зоны.

Выбор пиротехнического состава для твердотопливного заряда продиктован тем, что смесь нитрата триаминогуанидина с уретановым связующим представляет собой промышленно освоенный технологичный пиротехнический состав, который характеризуется полной газификацией и смесью стабильных химически полностью прореагировавщих соединений.

Предложенный заявителем газогенератор позволяет повысить термостойкость и надежность исполнительных систем носителей, а также снизить количество шлакового остатка в приводах систем управления носителя по сравнению с вышеуказанных решений (патентов №2390471, №2213245, №2391255, №2230211).

Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечивают генерацию смеси не вступающих в реакцию газов по заданной программе, при полном отсутствии конденсированных соединений, что позволяет применять газогенератор для сброса грузов (не более 800 кг) в унифицированных приводах систем управления носителей без проведения промежуточного обслуживания.

Каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны 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 имеют чисто иллюстративную цель и не ограничивают объема притязаний совокупности признаков формулы.

На чертежах изображены:

на фиг.1 - предложенный газогенератор, продольный разрез;

на фиг.2 - изометрический вид с разрезом, поясняющий установку спирального компенсатора;

на фиг.3 - разрез по А-А на фиг.1;

на фиг.4 - канальная пиротехническая шашка А с аксиальными зигами и ее разрез по Б-Б;

на фиг.5 - канальная пиротехническая цилиндрическая шашка В или С и ее разрез В-В.

Газогенератор (фиг.1) содержит твердотопливный заряд, выполненный из канальных пиротехнических шашек: - А (1) и В (3), - или А (1) и С (2), или А (1) и В (3) и С (2), установленных последовательно в примыкании друг к другу в цилиндрическом корпусе газогенератора (4).

Канальные пиротехнические шашки: А (1) и В (3), - или А (1) и С (2), или А (1) и В (3) и С (2) смонтированы в цилиндрическом корпусе (4) с гарантированным кольцевым зазором (5), сформированным посредством заклинивания продольных проставок (6) (фиг.1) или спирального компенсатора (7) (фиг.2).

Канальные пиротехнические шашки А (1) выполнены с осевым каналом (8) и по торцу оснащены аксиальными зигами (9) (фиг.4), развивающими поверхность их воспламенения и обеспечив всестороннее горение, за счет направленной передачи волны горения на наружную поверхность шашек А (1) и/или С (2).

Канальные пиротехнические шашки С (2) и шашки В (3) выполнены с каналом (10) в виде гладкого полого цилиндра (фиг.5).

Со стороны зигов (9) в корпусе (4) через коническую резьбовую втулку (11) закреплен штатный электровоспламенитель (12), в частности марки МПДО-2, инициируемый от внешнего блока управления (условно не показан). Образующая поверхность резьбовой втулки (13) снабжена коммуникационными отверстиями (14), направленными вдоль канальных пиротехнических шашек А (1) и/или С (2) твердотопливного заряда газогенератора.

Твердотопливного заряд газогенератора, гибко опирается со стороны зигов (9) на резьбовую втулку (11) посредством пружинного компенсатора (15), установленного на тарелях (16).

С противоположной стороны твердотопливный заряд примыкает к газодинамическому цилиндру (17), зафиксированному полой резьбовой втулкой (18). Газодинамический цилиндр (17) имеет на образующей поверхности газодинамические отверстия (19) коммуникации, предназначенные для разворота газового потока.

Цилиндрический корпус (4) выполнен в виде удлиненного цилиндра с резьбовыми заходами, имеющего на своей боковой поверхности распределенные радиальные отверстия (20) для выхода газа, перекрытые прорываемой мембраной (21).

Функционирует газогенератор по изобретению следующим образом: при подаче импульса на электровоспламенитель МПДО-2 (12) происходит срабатывание пороховой петарды пиропатрона и заполнение продуктами сгорания объема втулки (11). Перетекая через отверстия (13) в боковой поверхности втулки, газ турбулизируется и попадает в крестообразные пазы аксиальных зигов канальных пиротехнических шашек А (1) поджигая основной состав пиротехнических шашек В (3) и/или С (2). Благодаря развитой поверхности горения происходит быстрый выход на режим. При достижении давления 30 Атм вскрывается герметизирующая прорываемая мембрана (21) и продукты сгорания истекают в окружающий объем через коммуникационные отверстия (20). Течение газа вдоль заряда регулируется расположением выходных коммуникационных отверстий (20), снижающих эффект возникновения эрозионного горения твердотопливного заряда с большим удлинением, а также с помощью газодинамического цилиндра (17), разворачивающего поток и препятствующего образованию застойной зоны в полости дна полой резьбовой втулки (18). Описанное снижение газодинамической нагрузки определяет качество внутрикамерного процесса, позволяющее обеспечивать поддержание рабочего давления и, как следствие, газоприхода, по заложенной программе.

Экспериментальные исследования разработанного газогенератора показали наилучшие технические характеристики по надежности отстрела грузов, массой до 800 кг от их носителей в сравнении с другими созданными на производственных мощностях предприятия опытными образцами.

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано в пиропатронах при проектировании, экспериментальной отработке, изготовлении и эксплуатации катапультных устройств для отстрела грузов, не превышающих 800 кг своей массы от их носителей. Газогенератор включает канальные пиротехнические шашки твердотопливного заряда, инициируемые от электровоспламенителя, соосного цилиндрическому корпусу. Особенностью является то, что твердотопливный заряд образован, по меньшей мере, из трех видов канальных пиротехнических шашек в различных последовательностях: А и В, или А и С, или А и В и С, установленных в примыкании друг к другу в удлиненном цилиндрическом корпусе с гарантированным кольцевым зазором, сформированным посредством их постановки и фиксации в зажатом состоянии между закрепленными к боковой поверхности твердотопливного заряда по его длине клеевой композицией, по меньшей мере, трех равноудаленных продольных проставок или спирального компенсатора, опоясывающего твердотопливный заряд внатяг, выполненных из эластичного материала, причем каждая из использованных канальных пиротехнических шашек - В выполнена из пиротехнического состава, обладающего скоростью процесса горения, кратно превышающую скорость процесса горения пиротехнических шашек А и/или С, в виде гладкого цилиндра с осевым каналом, а основание шашек А имеет образованную прессованием форму аксиальных зигов, обращенных при установке в цилиндрическом корпусе к электровоспламенителю. Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей, повышение быстродействия, надежности. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Газогенератор, включающий канальные пиротехнические шашки твердотопливного заряда, инициируемые от электровоспламенителя, соосного цилиндрическому корпусу, отличающийся тем, что твердотопливный заряд образован, по меньшей мере, из трех видов канальных пиротехнических шашек в различных последовательностях: - А и В, - или А и С, - или А и В и С, установленных в примыкании друг к другу в удлиненном цилиндрическом корпусе с гарантированным кольцевым зазором, сформированным посредством их постановки и фиксации в зажатом состоянии между закрепленными к боковой поверхности твердотопливного заряда по его длине клеевой композицией, по меньшей мере, трех равноудаленных продольных проставок или спирального компенсатора, опоясывающего твердотопливный заряд внатяг, выполненных из эластичного материала, причем каждая из использованных канальных пиротехнических шашек - В выполнена из пиротехнического состава, обладающего скоростью процесса горения, кратно превышающую скорость процесса горения пиротехнических шашек А и/или С, в виде гладкого цилиндра с осевым каналом, а основание шашек А имеет образованную прессованием форму аксиальных зигов, обращенных при установке в цилиндрическом корпусе к электровоспламенителю.

2. Газогенератор по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрический корпус выполнен, по меньшей мере, с одним резьбовым заходом на его конце, а на боковой его поверхности выполнены распределенные радиальные отверстия, перекрытые прорываемой мембраной.

3. Газогенератор по п. 1, отличающийся тем, что каждая из использованных канальных пиротехнических шашек - С выполнена в виде гладкого цилиндра с осевым каналом.

4. Газогенератор по п. 1, отличающийся тем, что каждая из использованных канальных пиротехнических шашек - В выполнена в виде шайбы, внутренний диаметр которой совпадает с осевым каналом пиротехнической шашки А или С.

5. Газогенератор по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что электровоспламенитель закреплен в цилиндрическом корпусе через коническую резьбовую втулку, в формообразующей поверхности которой выполнены коммуникационные отверстия, направленные к канальным пиротехническим шашкам: - А и В, - или А и С, - или А и В и С.

6. Газогенератор по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что твердотопливный заряд, образованный и состоящий из канальных пиротехнических шашек: - А и В, - или А и С, - или А и В и С, с одной стороны гибко опирается на основание аксиальных зигов крайней канальной пиротехнической шашки А на резьбовую втулку электровоспламенителя посредством пружинного компенсатора, установленного на тарелях в цилиндрическом корпусе, а с противной стороны примыкает к газодинамическому цилиндру, зафиксированному полой резьбовой втулкой, причем в газодинамическом цилиндре на образующей поверхности выполнены коммуникационные отверстия, предназначенные для разворота газового потока.

7. Газогенератор по любому из пп. 1, 3 или 4, отличающийся тем, что пиротехнический состав канальных пиротехнических шашек А и/или С содержит триаминогуанидин нитрат и полимерное связующее, преимущественно уретановый каучук, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

триаминогуанидин нитрат 90-96 полимерное связующее 4-10