Результат интеллектуальной деятельности: ЛИНЕЙНОЕ УСТРОЙСТВО РАЗДЕЛЕНИЯ НА УДЛИНЕННОМ КУМУЛЯТИВНОМ ЗАРЯДЕ

Изобретение относится к области взрывного дела, а также разработки средств и систем бортовой пироавтоматики и может быть использовано на объектах ракетно-космической, авиационной, специальной техники социально-экономического, научного и военного назначения.

Важную роль в обеспечении высокого качества многих изделий, в первую очередь, авиационной и ракетно-космической техники, играют различного рода устройства и системы пироавтоматики (УПА и СПА соответственно), иногда называемые пиромеханическими устройствами и системами (ПМУ и ПМС). Круг задач, решаемых ими на борту современных летательных аппаратов (ЛА), чрезвычайно широк (катапультирование кресел с членами экипажа (или кабины пилота в целом), ввод и задействование парашютных систем, отделение подвесных баков, обеспечение схода ракет класса «воздух-земля», «воздух-воздух», разделение ступеней ракет на активном участке полета, сброс головных обтекателей, отделение космических аппаратов (КА), десантных и исследовательских зондов при доставке их на другие планеты, приведение КА в рабочее состояние после его отделения от ракеты-носителя или разгонного блока и многие другие задачи, а количество пиросредств на борту современного ЛА достигает двух-трех сотен и более [1].

Несмотря на многообразие найденных и используемых на практике конструктивно-компоновочных решений, все ПМУ могут быть подразделены в соответствии с одним из принципов классификации на сосредоточенные (компактные) и рассредоточенные (линейные, коллекторные и т.п.).

Общеизвестно, что для решения задач разделения элементов конструкции по сплошному материалу (металлическому сплаву, композиту или их сочетанию), будь то силовой шпангоут или оболочка вращения, наиболее эффективными зарекомендовали себя линейные устройства разделения кумулятивного типа с детонирующим снаряжением [2÷6]. При многообразии названий (УКЗ-удлиненный кумулятивный заряд; ДУЗ-детонирующий удлиненный заряд; ШКЗ-шнуровой кумулятивный заряд; КЗУ - кумулятивный заряд удлиненный; УКЗ-У - УКЗ уголковый; УКЗ-П - УКЗ прокатный; УККЗ-УКЗ «Квазар-технологии», ЗКЛБ - заряд кумулятивный на баллиститной основе и т.д.) и форм общим для всех УКЗ (будем называть их для определенности одной аббревиатурой) является наличие профилированной кумулятивной выемки вдоль всей длины заряда взрывчатого материала.

Разработкой и изготовлением УКЗ в России сегодня занимается не один десяток организаций, а номенклатура зарядов весьма широка. Однако если речь идет о бортовых ПМС авиационной и ракетно-космической техники, то востребованными продолжают оставаться только ДУЗы и УКЗ нормального (правильнее - нормированного) ряда [6] в медных оболочках и снаряженные мощным бризантным ВВ - гексогеном или октогеном.

УКЗ в открытом виде устанавливают на разрезаемой преграде только в случае разделки техники в лом или раскроя металла (в том числе при вырезке различных технологических отверстий в металлоконструкциях) на земной поверхности. В бортовых же системах разделения УКЗ размещают в так называемых зарядных камерах (ЗК) различной формы, имеющих три основных предназначения. Так как УКЗ, применяемые в системах разделения, имеют металлическую (чаще всего медную) оболочку, то при детонации снаряжения УКЗ помимо кумулятивной струи линейной формы (так называемого кумулятивного ножа) формируется и поле осколков оболочки боковой и тыльной поверхностей заряда. Под тыльной стороной УКЗ принято понимать сторону, противоположную кумулятивной выемке в диаметральном сечении заряда. Ту часть ВВ, которая участвует в формировании и метании осколков оболочки УКЗ с тыльной и боковой поверхностей его, принято называть «пассивной массой». Значения ее могут достигать существенных величин - от 30 до 70 процентов от общей массы ВВ в заряде [7]. Поэтому одно из предназначений ЗК - перехват и локализация действия осколков оболочки боковой и тыльной поверхностей УКЗ. Другое предназначение - увеличение импульса метания разделяемых конструкций за счет сдерживания в начальный момент срабатывания УКЗ высокоэнергетических продуктов детонации ВВ, дальнейшего воздействия их и осколков оболочки заряда на боковые стенки ЗК. Наконец, третье основное предназначение ЗК состоит в снижении уровня ударных (ударно-волновых) нагрузок на близлежащие чувствительные узлы, агрегаты, аппаратуру за счет установки на внутренней поверхности ЗК различных волногасящих и локализующих действие осколков оболочки покрытий из пористых материалов: пенополиуретанов, пенопластов, но чаще всего - из войлока. Поэтому зачастую в технической литературе и в конструкторской документации ЗК называют защитным кожухом, внутри которого в специальных устройствах (стойках, бобышках) закрепляют УКЗ.

Для обеспечения требуемого уровня надежности системы разделения (как правило, 0,93 и выше) при проектировании системы разделения на УКЗ по результатам расчетов [6; 8] выбирают такой заряд, который с запасом перерезает преграду. При этом остатки кумулятивного ножа (главным образом, хвостовые его элементы и пест), обладающие достаточно большим запасом энергии, проникают в запреградное пространство. В том случае, когда разрезание преграды осуществляется изнутри ЛА наружу, а вблизи пояса разделения с наружной стороны нет каких-либо конструкций, узлов, в конструктивно-компоновочной схеме системы разделения не предусматривают установки с тыльной стороны преграды дополнительного устройства для улавливания остатков кумулятивного ножа. Принципиальная схема такой ПМС приведена в [5, с.20, рис.6]. Однако в практике проектирования систем разделения такие схемы применяются крайне редко.

Чаще на борту ЛА за разрезаемой преградой размещены элементы конструкции, приборы, научная или служебная аппаратура. В этой связи возникает необходимость надежного перехвата остатков кумулятивного ножа. В конструкцию устройства разделения включают запреградную ловушку. Принципиальная схема такого устройства разделения приведена в [8; с.306, рис.7.23], которое включает в себя зарядную камеру (защитный кожух), удлиненный кумулятивный заряд, закрепленный в стойках (бобышках), разрезаемую преграду, запреградную ловушку, волногасящие и улавливающие остатки кумулятивного ножа элементы. Оно является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и принято за прототип.

Недостатком устройства-прототипа является то, что значительная часть энергии, запасенной ВВ, расходуется «впустую», поглощаясь стенками ЗК и запреградной ловушки с волногасящими и улавливающими осколки элементами. Металлические осколки оболочки УКЗ, обладающие достаточно высокой скоростью, и вышедшие на тыльную поверхность разрезаемой преграды фрагменты кумулятивного ножа (хвостовые его элементы и пест) не совершают полезной работы.

Задачей предложенного технического решения является создание устройства разделения на основе УКЗ с высоким коэффициентом использования энергии взрыва снаряжения заряда и снижение общего количества пироустройств и пиромеханизмов на борту ЛА.

Технический результат, который может быть получен при его использовании, заключается в том, что существенно уменьшается энергопотребление на борту ЛА, упрощается кабельная сеть и электрическая схема, уменьшается количество средств инициирования взрывчатых превращений (электровоспламенителей, пиропатронов, электродетонаторов), содержащих высокочувствительные инициирующие ВВ и незащищенные от электростатического электричества, грозовых разрядов, токов наводок, паразитных сигналов мостики накаливания, улучшаются компоновочные и массовые характеристики в целом ЛА, снижается уровень ударно-волновых и вибрационных нагрузок на узлы, агрегаты и аппаратуру изделия.

Указанный технический результат достигается тем, что в стенках зарядной камеры (защитного кожуха) и в примыкающей стойке (бобышке) выполнено сквозное отверстие (канал) таким образом, чтобы оси симметрии УКЗ, установленного в стойке, и канала взаимно пересекались. В канале заложен электрический кабель питания электродетонирующего устройства, используемого для подрыва УКЗ, или кабель телеметрии, или другие электрические провода, которые в момент срабатывания устройства разделения необходимо разъединить (разомкнуть). В полости запреградной ловушки между разрезаемой преградой и корпусом ловушки размещен или жгут электрических проводов, либо кабель, либо элемент узла крепления, например лента из тонкого металлического материала или лента (жгут) из прочного тканого сверхвысокомодульного материала типа «Кевлар», или резиновый жгут, удерживающий до момента срабатывания УКЗ какое-либо устройство (например, парашютную систему или надувное тормозное, либо амортизационное устройство) в транспортном положении.

Заявленное решение отличается от прототипа наличием новых существенных признаков. В конструкцию устройства разделения на УКЗ дополнительно включены электрический кабель (кабели), электрические провода и/или элементы узла крепления отдельных устройств в транспортном положении в виде тонкостенных металлических лент, а также текстильных, «кевларовых», резиновых лент и жгутов, размещаемые в стойке для крепления УКЗ и примыкающие к тыльной поверхности заряда и/или в полости запреградной ловушки для перехвата остатков кумулятивного ножа. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию «Новизна».

В научно-технической литературе не обнаружено решений с такой совокупностью существенных признаков, следовательно, заявленное решение соответствует критерию «Изобретательский уровень».

Заявленное устройство содержит стандартные элементы из областей взрывного дела, машино- и приборостроения, следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Промышленная значимость».

Конструкция заявленного устройства показана на фиг.1. Оно состоит из зарядной камеры (защитного кожуха) (1), удлиненного кумулятивного заряда (2), стойки (бобышки) (3) для крепления УКЗ, разрезаемой преграды (4), запреградной ловушки (5), ленты или жгута (6), электрического кабеля (7), волногасящих и улавливающих осколки элементов (8).

Принцип действия предлагаемого устройства состоит в следующем. При подаче электрического сигнала на электродетонирующее устройство происходит его задействование, отчего в УКЗ возбуждается взрывчатое превращение в виде детонации; формируется кумулятивный нож, который, внедряясь в преграду, разрезает ее. Одновременно с образованием кумулятивного ножа при срабатывании УКЗ происходит разрушение его металлической оболочки вне кумулятивной выемки с образованием высокоскоростных осколков. Металлические осколки оболочки тыльной стороны заряда воздействуют совместно с продуктами детонации и ударной волной на заложенные в канале стойки в непосредственной близости от УКЗ электрический кабель либо питания электродетонирующего устройства, либо кабель телеметрии, либо какой-то другой электрический провод, жгут проводов, разрушая (перебивая) их. Остатки кумулятивного ножа УКЗ, главным образом его хвостовые элементы и пест, обладающие достаточно большой скоростью и запасенной энергией, воздействуют на размещенную в полости запреградной ловушки ленту либо жгут, какого-либо узла крепления; перерезают ее (его), чем способствуют переводу устройства из транспортного положения в рабочее.

Положительный эффект от применения предложенного устройства состоит в том, что отпадает необходимость установки на борту ЛА дополнительных пироавтоматических либо иных устройств (например, пирорезаков, кабеле-, стропорезов и т.п.), для разделения (разрыва) электрического кабеля, ленты или жгута, что, с одной стороны, улучшает общую компоновку ЛА и существенно снижает массово-габаритные характеристики его. С другой стороны, поскольку практически все бортовые пироустройства и пиромеханизмы срабатывают от электрического сигнала, внедрение данного изобретения позволяет снизить энергопотребление на борту ЛА, уменьшить емкость бортовых источников питания, а следовательно, уменьшить их массу и габариты. В современных системах пироавтоматики применяются исключительно двухмостиковые средства инициирования (СИ). Для задействования каждого мостика накаливания низковольтных СИ, срабатывающих от электрического сигнала бортового напряжения (U=27±3В), требуется энергопотребление I=1,0÷1,5 А. При использовании так называемых «безопасных» высоковольтных СИ (например, с взрывающимся мостиком накаливания), не содержащих высокочувствительных к начальному импульсу инициирующих ВВ, требуются существенно более мощные электрические сигналы (U≈2,3 кВ; I≈600А).

Предложенное устройство позволяет помимо этого существенно упростить электрическую схему ЛА (а также уменьшить массу кабельной сети), снизить уровень ударных и волновых нагрузок на ЛА, научную и служебную аппаратуру, приборы за счет задействования меньшего числа пироустройств и пиромеханизмов.

Техническая реализуемость и эффективность заявленного устройства подтверждена экспериментально серией лабораторных опытов.

Источники информации

1. Вспомогательные системы ракетно-космической техники: Ст.переводов / Под ред. И.В.Тишунина. - М.: Мир, 1970.

2. Аттетков А.А., Гнускин A.M., Пырьев В.А., Сагиддулин Г.Г. Резка металлов взрывом. - М.: СИП РИА, 2000.

3. Ефанов В.В., Кузин Е.Н., Тимофеев В.Н., Челышев В.П. Устройства и системы пироавтоматики летательных аппаратов на основе линейных кумулятивных зарядов. // Общерос. научно-техн. журнал «Полет», 2003, №10.

4. Юмашев Л.П. Устройство ракет-носителей (вспомогательные системы): Учеб. пособие. Самарский гос. аэрокосмический ун-т, Самара, 1999.

5. Акопов М.Г., Бомштейн К.Г., Ефанов В.В., Кузин Е.Н. и др. Дезинтеграция фюзеляжа летательного аппарата удлиненным кумулятивным зарядом // Общерос. научно-техн. журнал «Полет». 2005, №8, С.14-22.

6. Балакин А.А., Ефанов В.В., Кузин Е.Н., Челышев В.В. Инженерные аспекты проектирования систем разделения на основе удлиненных кумулятивных зарядов // Космонавтика и ракетостроение. 2008. №1 (50). С.97-105.

7. Физика взрыва / Под ред. Л.П.Орленко. - М.: Физматлит, 2002, т.1, 2.

8. Колотилов А.В., Бугримов А.Л. Прочность и механическая надежность зарядов твердого топлива и средств пироавтоматики: Учебник / Под ред. проф. А.В.Колотилова - М.: Мин-во обороны РФ, 1997.