Электрический пиропатрон на основе лазерного диода Российский патент 2024 года по МПК F42B3/113 

Изобретение относится к области воспламенения пороховых и пиротехнических зарядов, приводимых в действие с помощью оптических средств.

Известен электрический пиропатрон, включающий в себя корпус, воспламенительный заряд, расположенный внутри корпуса и закрытый крышкой, изолятор, электрические контакты, мостик накаливания внутри заряда (Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива. М. Машиностроение, 1987 - 328 с. ил., стр. 209).

Принцип работы пиропатрона заключается в следующем. Электрический ток подается на два контакта электрического разъема, между которыми расположен мостик накаливания, например, из нихромовой проволоки 0,02…0,04 мм. Под действием тепла от разогретого мостика накаливания воспламеняется заряд воспламенителя, который может состоять из одного, двух и трех компонент. В рассматриваемом устройстве воспламенительный заряд состоит из инициирующей смеси, расположенной вокруг мостика накаливания, передаточного состава и основного состава смеси.

Образующиеся при воспламенении заряда высокотемпературные продукты сгорания используются для поджига различных пиротехнических и воспламенительных устройств, а также в качестве источника давления при срабатывании различных механизмов автоматики.

К недостаткам данного электрического пиропатрона можно отнести следующее:

1. Сложность изготовления и дороговизна.

2. Возможность непредсказуемого срабатывания пиропатрона под действием разряда статического электричества, возникающем на техническом устройстве, а также под воздействием электромагнитной индукции, приводящих к возникновению электрического тока в мостике накаливания и воспламенению пиротехнического заряда.

3. Для предотвращения воспламенения пороховых и пиротехнических зарядов в результате непредсказуемого срабатывания пиропатрона возникает необходимость применения сложных механических предохранительных устройств (Вспомогательные системы ракетно-космической техники. Перевод с англ. М. «Мир», 1970 г., стр. 185…215).

Известны электровоспламенительные устройства: патент RU 2180724, опубликован 20.03.2002; патент RU 2196954 от 20.01.2003; патент RU 2401412, опубликован 10.10.2010; патент RU 2527985, опубликован 10.09.2014, в которых предприняты попытки защитить электровоспламенительные устройства от разряда статического электричества, которое на некоторых изделиях может достигать 1000-1500 В. Отмеченные выше устройства чрезвычайно сложны и обеспечивают лишь частичную защиту от срабатывания электровоспламенительного устройства (пиропатрона) при возникновении и накоплении на изделии статического электричества.

Известен патент RU 2196292, опубликованный 01.10.2003, в котором предложена конструкция, позволяющая избежать нежелательного срабатывания электрозапала (пиропатрона) от электрического тока в мостике накаливания в результате электромагнитной индукции, например, под действием высокочастотного излучения. Однако, данное устройство чрезвычайно сложно и не спасает от разряда статического электричества.

Известен патент RU 2642764 С2, опубликованный 08.08.2018, «Твердотопливный ракетный двигатель (варианты)», в котором воспламенительное устройство или непосредственно само твердое топливо поджигается с использованием интенсивного лазерного луча. Основной задачей изобретения является повышение надежности воспламенения твердого топлива и снижение вероятности самопроизвольного запуска двигателя. Недостатком данного изобретения является длительное время выхода двигателя на устоявшийся режим работы ввиду малого начального давления в камере сгорания РДТТ, что делает невозможным применение его в РДТТ с большим свободным объемом. Также в качестве недостатка предложенных в патенте технических решений следует отметить то, что они требуют разработки каждый раз оригинальной отдельной системы воспламенения.

Основная цель предлагаемого изобретения - создание надежного унифицированного (стандартизированного) воспламенительного устройства широкого применения. В качестве прототипа выберем электрический пиропатрон, описанный в самом начале заявки на изобретение из книги Фахрутдинова И.Х., Котельникова А.В. на стр. 209.

Схема предлагаемого устройства представлена на Фиг. 1. В состав электрического пиропатрона входят: корпус 1, воспламенительный заряд 2, защитная крышка 3, изолятор 6, задняя крышка 7, электрические контакты 8. Основным отличием от прототипа является то, что вместо мостика накаливания для поджига или воспламенения заряда используется луч лазерного диода 5, к которому подведены электрические контакты 8. Для направления лазерного луча на воспламенительный заряд в корпусе пиропатрона предусмотрено окно 4 (отверстие). Окно может быть выполнено сквозным или застекленным, например, кварцевым стеклом. При подаче электрического тока на контакты лазерного диода он генерирует световой луч, который фокусируется на поверхности заряда и воспламеняет его. Образующиеся продукты сгорания заряда вышибают защитную крышку и приводят в действие воспламенительное устройство (воспламенитель), либо какой-нибудь запорный или другой механизмы.

Авторами заявки были проведены испытания лазерных диодов различной световой мощности. Так, лазерный диод мощностью 4 Вт с диаметром фокусного пятна 1 мм воспламенил заряд конденсированного высокоэнергетического вещества через 0,02 с. Интенсивность лучистого теплового потока к веществу составила 5,1×10³ кВт/м².

Процесс поджига заряда включал предварительный нагрев поверхности заряда, воспламенение и выход на стационарный режим горения. При использовании в качестве заряда навески дымного пороха процесс воспламенения происходил практически мгновенно. Эксперименты показали, что при использовании лазерного диода в качестве инициатора зажигания нет необходимости использования инициирующего и передаточного зарядов, металлизированное высокоэнергетическое вещество возможно воспламенять напрямую.

Авторами заявки были проведены аналогические испытания с лазерным диодом, имеющим волоконный вывод. В этом лазере световой луч выходит через кварцевое стекловолокно 9 через окно 4, как показано на Фиг. 2. Применение данного световода совершенствует конструкцию электрического пиропатрона, так как такой лазер имеет более высокий КПД по сравнению с обычным. В эксперименте был применен лазер со световодом из кварца диаметром 0,105 мм. Световая мощность лазера изменялась в пределах 1…10 Вт. Эксперименты показали, что малый диаметр световода позволяет получить необходимый тепловой поток к веществу при относительно небольшой мощности лазерного диода.

В зависимости от навески порохового заряда, а также от марки топлива навески возможно использовать либо лазерный луч, либо световод, что позволяет обеспечивать наиболее полное сгорание топлива в навеске и максимально сократить время выхода двигателя на режим.

Изобретение относится к области воспламенения пороховых и пиротехнических зарядов, приводимых в действие с помощью оптических средств, а именно к лазерному пиропатрону. Электрический пиропатрон на основе лазерного диода содержит корпус, воспламенительный заряд, расположенный внутри корпуса и ограниченный защитной крышкой, изолятор и электрические контакты. В изоляторе расположен лазерный диод. Инициатором воспламенения заряда является лазерный луч. Для направления лазерного луча в корпусе пиропатрона выполнено сквозное окно. Лазерный луч направлен посредством световода из кварцевого стекловолокна, проходящего от лазерного диода через сквозное окно. Технический результат заключается в создании надежного унифицированного устройства воспламенения зарядов. 2 ил.

Электрический пиропатрон на основе лазерного диода, содержащий корпус, воспламенительный заряд, расположенный внутри корпуса и ограниченный защитной крышкой, изолятор, электрические контакты, отличающийся тем, что в изоляторе расположен лазерный диод, инициатором воспламенения заряда является лазерный луч, а для направления лазерного луча в корпусе пиропатрона выполнено сквозное окно, при этом лазерный луч направлен посредством световода из кварцевого стекловолокна, проходящего от лазерного диода через сквозное окно.