СПОСОБ ЗАЩИТЫ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ОТ ВОЗГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Группа изобретений относится к области защиты от возгорания движущихся и неподвижных наземных транспортных средств в случаях возгорания или взрыва энергоносителя в топливном баке.

Известен способ предотвращения взрыва энергоносителя в топливной емкости за счет профилактического заполнения последней высокопористым материалом, формирующим объемное тело из алюминиевой фольги (0,033…0,037 кг/л). Объемное тело формируют так, чтобы в случае локального возгорания тепло от нагреваемого участка равномерно распределялось по всему объему энергоносителя, благодаря чему взрывная фаза отодвигается на 1,5 с и переходит в спокойный режим горения, что приводит к более высокой надежности предотвращения взрыва [1].

Недостатком данного способа является продолжающееся горение энергоносителя, которое может повредить огнем резинотехнические изделия, электропроводку и узлы транспортного средства.

Известен способ тушения пожара вытеснением воздуха из замкнутого объема за счет подачи в очаг пожара огнегасящей жидкости. Жидкость подается исполнительным механизмом, соединенным через блок управления и сигнализации с блоком термодатчиков [2].

Недостатком способа является невысокая эффективность тушения пожара, поскольку за время срабатывания термодатчиков огнем может быть повреждена большая часть агрегатов машины.

Известен способ тушения пожара с помощью переносных огнетушителей, возимых на транспортных средствах [3]. Основным достоинством способа является простота приведения в действие и надежность.

Недостатком способа является то, что при возгорании энергоносителя в емкости в ряде случаев (например, если транспортное средство воспламенено в результате террористического акта, дорожно-транспортного происшествия и т.п.) воспользоваться огнетушителями транспортного средства на начальной стадии распространения огня часто не представляется возможным. Практика показывает, что через несколько минут после возгорания автомобиль горит достаточно интенсивно и к огнетушителям подобраться нет возможности, либо количества возимых огнетушителей (на транспортном средстве обязательно возятся 1-2 огнетушителя) для тушения такого очага огня недостаточно. Поэтому в большинстве случаев возгорания транспортных средств такой способ малоэффективен.

Целью предлагаемой группы изобретений является повышение эффективности защиты наземного транспортного средства от возгорания путем быстрого удаления источника возгорания (топливного бака) на безопасное расстояние от транспортного средства. При этом топливопроводы, соединяющие его с другими элементами системы питания топливом, должны иметь возможность рассоединения и перекрытия подачи топлива.

Способы удаления объекта, требующего защиты от возгорания (взрыва), на безопасное расстояние от базового объекта известны. В авиации и космонавтике применяется отбрасывание летчика (экипажа) от летательного аппарата с помощью катапультируемого кресла (спасательной капсулы) [4]. Однако известные устройства-катапульты являются аварийно-спасательными средствами жизни людей и не имеют целью защиту самого базового объекта.

Известно устройство, предназначенное для обеспечения безопасности экипажа и самой автомашины при лобовом столкновении. Оно выполнено в виде двух катапульт. Каждая из них представляет собой инициирующее устройство в виде закрепленного на бампере автомобиля подпружиненного штока с острием для капсюля пиропатрона, срабатывающего при столкновении, и исполнительного устройства в виде цилиндра, в штоке которого размещена головка инициирующего устройства [5].

Недостатком аварийно-спасательного средства является то, что источник возгорания конструктивно (неразъемно) сопряжен с базовым объектом, поэтому его горение (взрыв) вызовет горение транспортного средства.

Известны устройства, в которых инициированный с помощью датчиков сигнал о возгорании топливных баков преобразуется в исполнительный сигнал и передается на пиропатроны отсечки и перекрытия топливопровода из топливного [6] бака, а также устройства, где используется отсечка топливного бака с помощью пиропатрона [7].

Наиболее близкой по технической сущности является система защиты, в которой используется способ защиты самолета. Он заключается в инициации сигнала о возгорании, подаче исполнительного сигнала на пиропатроны отсечки, раскреплении топливного бака через промежуток времени относительно времени отсечки топливопровода; отстреле (отбрасывании) топливного бака на безопасное расстояние через промежуток времени относительно времени раскрепления топливного бака [8].

Данный способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком способа является невозможность его использования для наземных транспортных средств по ряду причин:

- отбрасывание топливного бака на безопасное расстояние после отстрела от самолета осуществляется под действием силы сопротивления воздушной среды и силы тяжести, приложенной к баку. Для эксплуатационных скоростей наземных транспортных средств силы сопротивления воздушной среды не достаточно для отбрасывания штатных топливных баков. Сила тяжести для этих целей не может быть использована, поскольку горящий бак под действием силы тяжести упадет под днище транспортного средства;

- защита от возгорания необходима не только для движущегося, но и для неподвижного наземного транспортного средства. Способ, описанный в прототипе, для этих целей не применим, в т.ч. для самолетов;

- для безопасности полета летчику перед размыканием (отстрелом) элемента (бака) обязательно требуется либо поднять, либо опустить нос самолета. Способ не применим для наземных транспортных средств, поскольку они не обладают достаточным числом степеней свободы, чтобы выполнять такие действия.

Предлагаемый способ защиты наземного транспортного средства от возгорания включает следующие процессы.

1. Инициацию сигнала возгорания или взрыва топливных баков с помощью следящих датчиков.

2. Преобразование инициированного сигнала в исполнительный сигнал и его подача на пиропатроны отсечки топливопровода, раскрепления топливного бака, выстреливания топливным баком.

3. Отсечку топливопровода подачи топлива из топливного бака и его перекрытие.

4. Раскрепление топливного бака через промежуток времени относительно времени отсечки топливопровода.

5. Выстреливание топливным баком и отбрасывание его на безопасное расстояние от транспортного средства через промежуток времени относительно времени раскрепления топливного бака.

Заявленный способ реализуется устройством для его осуществления, обеспечивающим выстреливание топливным баком и отбрасывание его в горизонтальной плоскости по баллистической траектории на безопасное расстояние от транспортного средства.

Предлагаемое устройство для защиты транспортного средства от возгорания включает исполнительное устройство, имеющее в своем составе механизмы выстреливания, раскрепления топливного бака, отсечки и перекрытия топливопроводов и инициирующее устройство - блок датчиков слежения с блоком управления.

Механизм выстреливания (фиг. 1, 2, 3) представляет собой каркас, включающий вертикальные стойки 1, верхние продольные горизонтальные балки 2 и поперечины 3, выполненные из жесткого конструкционного материала (например, металлического проката), жестко сопряженные между собой (например, с помощью сварки) так, чтобы образовалась пространственная конструкция коробчатого сечения, вмещающая топливный бак 4 транспортного средства с боковым зазором. Нижние горизонтальные продольные балки 5 каркаса служат нижними направляющими топливного бака 4, выполнены в виде уголков, полки которых жестко прикрепляются к раме транспортного средства (на фигурах не показано) и к стенкам которых жестко (например, с помощью сварки) крепятся вертикальные стойки 1 каркаса. Две верхние продольные горизонтальные балки 2 в виде швеллеров образуют верхние направляющие бака 4. К нижним горизонтальным балкам 5 жестко прикрепляется роликовый узел, представляющий собой два швеллера 6, в стенках которого нормально к продольной оси с определенным шагом выполнены сквозные отверстия, в которые введены оси 7 с размещенными на них роликами 8. Оси 7 фиксируются в обеих стенках швеллера так, чтобы каждый ролик 8 имел возможность вращения вокруг своей оси 7.

Вдоль верхней наружной поверхности к топливному баку 4 прикрепляются (например, привариваются) два верхних полоза 9 коробчатого сечения так, чтобы в рабочем положении полозы 9 вводились (между стенками швеллеров) в верхние горизонтальные балки 2 каркаса (направляющие) с некоторым зазором. Вдоль нижней внешней поверхности к баку 4 прикрепляются два нижних полоза 10 в виде швеллеров так, чтобы продольные оси рядов роликов 8 совпадали с продольными осями полозов 10, а бак 4 в рабочем положении опирался на их гребни.

Исполнительный узел механизма выстреливания бака 4 (фиг. 1, 2, 3, 4) представляет собой опорную толстостенную плиту 11, выполненную, например, из металла, в верхней части которой выполнены два паза, в которых на осях с возможностью вращения размещены ролики 12 опорной плиты 11. В нижней части плиты 11 также выполнены два паза, в которые жестко вмонтированы ее направляющие 13 из швеллеров, идентичных по размерам швеллерам нижних полозов 10 бака 4. Жесткость монтажа направляющих 13 плиты 11 обеспечена с помощью косынок 14, фиксирующих (например, с помощью сварки) положение направляющих 13 в плите 11. Положение плиты 11 определяется высотой ненапряженных возвратных винтовых пружин 15, жестко прикрепляемых с одной стороны к плите 11, с другой - к стенке 16 рамы базовой машины. Наружная вертикальная поверхность плиты 11 упирается в заднюю торцовую поверхность бака 4, а между внутренней вертикальной поверхностью плиты 11 и стенкой 16 рамы транспортного средства образована полость, в которой размещается пиропатрон 17 выстреливания бака 4 (ЭД-К3-П с предохранительным электровоспламенителем короткозамедленного действия с интервалом замедления 125 мс, ток 0,18 А [7]).

Механизм раскрепления (фиг. 1, 3, 4, 5) представляет собой два охватывающих бак 4 ленточных хомута 18 (предпочтительно металлических), имеющих нижние окончания 19 в виде участков с цилиндрической резьбой, посредством которых с помощью фиксаторов 20 (гайка с конусной поверхностью) хомуты 18 в нижней части прикрепляются к концам горизонтальных балок 5. На их концах выполнены продольные прорези 21, в которые вводятся окончания 19 хомутов 18 с возможностью перемещения в горизонтальном направлении. Фиксация хомутов 18 в нижнем положении осуществляется путем завертывания фиксаторов 20. Верхние окончания хомутов 18 выполнены в виде шаровых головок 22, вводимых через отверстия 23 в стенке 16 рамы транспортного средства в замковые устройства 29. Каждое замковое устройство 24 (фиг. 5) представляет собой корпус 25 в виде полого цилиндра из жестких конструкционных материалов с крышкой 26. Внутренняя поверхность корпуса 25 со стороны, противоположной крышке 26, имеет участок с внутренней резьбой, посредством которой прикрепляется к резьбованному буртику 27, выполненному вокруг отверстия 23 в стенке 16 рамы транспортного средства. Корпус 25 разделен перегородкой 28, в которой выполнено центральное отверстие 29 с внутренней резьбой, на две полости. В отверстие 29 вворачивается резьбованный воротник цанги 30, охватывающей в рабочем положении верхнюю шаровую головку 22 хомута 18. Полость, в которой располагается цанга 30, снабжена кольцевым резиновым буфером 31, изнутри охватывающим наружную поверхность цанги 30, а снаружи упирающимся во внутреннюю поверхность корпуса 25. В другой цилиндрической полости корпуса 25 размещается поршень 32, шток-толкатель которого через отверстие в воротнике цанги 30 вводится в полость цанги 30 до упора в шаровую головку 22 хомута 18. Между бесштоковой поверхностью поршня 32 и внутренней поверхностью крышки 26 замкового устройства 24 размещается пиропатрон 33 (ЭД-К3-П с предохранительным электровоспламенителем короткозамедленного действия, интервал замедления 75 мс, ток 0,18 А [7]) раскрепления бака 4, который посредством стержней-контактов электровоспламенителя закрепляется на крышке 26 с помощью гаек.

Под хомутами 18 на топливном баке 4 (фиг. 1) в сжатом состоянии установлены упругие элементы 34 (выполненные, например, из резины), облегчающие сбрасывание хомутов с бака.

Механизм отсечки и перекрытия 35 топливопровода 36 системы питания топливом транспортного средства (фиг. 1, 2) включает подвижный корпус 37 (фиг. 6) в виде толстостенного полого цилиндра, снабженного крышкой 38. Через отверстие 39 в полость корпуса 37 с самоподжимным топливостойким сальником-буфером 40 вводится головка 41 топливопровода 42 бака 4 с предварительно жестко зафиксированной на топливопроводе 42 на заданном от головки 41 расстоянии крышкой 38. Участок топливопровода 42 с головкой 41 с целью фиксации на нем крышки 38 технологически выполняется разъемным с остальной частью топливопровода 42 (на фигуре не показано). В паз 43 утолщения головки 41 устанавливается стопорное пружинное кольцо 44 из жесткого конструкционного материала так, чтобы головка 41 топливопровода 42 надежно фиксировалась в полости корпуса 37, плотно обжимаясь сальником-буфером 40, при этом крышка 38 закрывала отверстие 39 полости корпуса 37. С обратной стороны через отверстие в днище корпуса 37 в его полость вводится топливопровод 36 с обратным клапаном так, чтобы толкатель 45, которым снабжена головка 41 топливопровода 42, открыл запорный золотник 46, сжав его пружину 47. В таком положении топливо из топливопровода 42 свободно проходит в систему питания через отверстия 48 в золотнике 47, а после отбрасывания бака 4 запорный золотник 46 своей головкой под действием пружины 47 перекрывает топливопровод 36. Топливопровод 36 в рабочем положении фиксируется пружинным стопорным кольцом 49, размещенным в канавке, выполненной на его конце, в сальнике-буфере 40. Пружинное ограничительное кольцо 50, установленное в канавке топливопровода на расчетном расстоянии от стопорного кольца 49, ограничивает осевое перемещение корпуса 37 при отстреле топливопровода 42 от топливопровода 36, что дает возможность повторного использования механизма отсечки и перекрытия 35. В крышке 38 изнутри выполнен кольцевой паз, в который устанавливается пиропатрон 51 (ЭД-К3-П с предохранительным электровоспламенителем короткозамедленного действия, с интервалом замедления 25 мс, ток 0,18 А [9]). Контакты цепи электровоспламенителя пиропатрона 51 выводятся на крышку 38 механизма отсечки и перекрытия топливопровода 35.

Инициирующее устройство (фиг. 1, 2, 7) представляет собой блок 52 датчиков 53 (2 - 8 шт.), следящих за возгоранием и взрывом топлива, прикрепляемых к наружной поверхности бака 4 и блока управления 54. В качестве датчиков 53 для слежения используются детонационные и инфракрасные датчики (в любом сочетании). Блок управления 54 включает усилитель сигнала 55, пусковое реле 56 и сигнальную лампу 57. Питание 58 инициирующего устройства осуществляется от бортовой сети транспортного средства через предохранитель 59, диод 60, защищающий устройство от неправильного включения, и переключатель 61.

Весовой заряд пиропатронов определяется из условия закона сохранения энергии при равноускоренном движении: импульс от взрыва пиропатрона или кинетическая энергия сгоревших пороховых газов при адиабатном процессе расширения должна равняться работе, совершаемой исполнительными механизмами [10,11]. Например, для выстреливания штатным топливным баком из заявляемого устройства, смонтированного на автомобиле Урал-4320

Е_к+A₁+А₂+А₃,

где A₁ - работа, совершаемая по перемещению топливного бака по роликовому механизму;

А₂- работа, совершаемая по перемещению бака по баллистической траектории;

А₃- работа, совершаемая по преодолению силы сопротивления воздуха.

где m_b, m₃ - масса бака и заряда пиропатрона соответственно, m_b - 200 кг;

V₃, V_b - скорость продуктов взрыва заряда и топливного бака соответственно, м/с,

Q₀ - теплота взрыва пороха, Q₀=4000 Дж/кг;

µ - коэффициент формы заряда, µ=0,333 для плоского пиропатрона [9];

S₁ - путь, пройденный баком по роликам кронштейна, S₁=0,6 м;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

h₁ - высота расположения топливного бака, h₁=1 м;

К₀ - коэффициент обтекаемости бака, К₀=0,6÷0,8;

B_b - ширина бака, B_b=1 м;

H_b - высота бака, H_b=0,6 м;

S₂ - путь, пройденный баком по баллистической траектории, определяется по теореме Пифагора, м.

где АС=2,4 м, а ВС=1,0 м.

При определении массы зарядов пиропатронов для отсечки топливопровода и раскрепления хомутов крепления топливного бака принимаются следующие исходные данные: усилие разъединения топливопровода равно 5 кгс, перемещение - 0,02 м; усилие разъединения хомутов крепления топливного бака равно 200 кгс, а перемещение - 0,6 м.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 представлен вид сбоку;

- на фиг. 2 - разрез по А-А;

- на фиг. 3 - вид сверху;

- на фиг. 4 - разрез по Б-Б;

- на фиг. 5 - верхнее замковое устройство хомутов;

- на фиг. 6 - механизм отсечки и перекрытия топливопровода;

- на фиг. 7 - электрическая схема привода.

Устройство для защиты транспортного средства от возгорания работает следующим образом.

Переключатель 61 (фиг. 7) переводится в рабочее положение. Ток от бортовой сети 58 через предохранитель 59 и диод 60 поступает на блок 52 датчиков 53. В кабине загорается сигнальная лампа 57 - устройство к работе подготовлено.

При возгорании или взрыве топлива в баке 4 срабатывает инфракрасный датчик или датчик детонации 53, соответственно, установленные на баке 4 блока 52. Ток от датчика (датчиков) 53 поступает на усилитель 55 блока управления 54, на обмотку реле 56. Реле 56 срабатывает, замыкая свои контакты, и ток поступает к контактам электрических цепей электровоспламенителей пиропатронов 17, 33 и 51.

Режим срабатывания пиропатронов 17, 33 и 51 задается электровоспламенителями короткозамедленного действия ЭД-К3-П (ГОСТ 21806-76) с интервалами замедления 25, 75 и 125 мс соответственно и питающим электрическим током 0,18 А.

Первым срабатывает пиропатрон 51 (фиг. 6, 7) механизма 35 отсечки и перекрытия топливопровода. С замедлением 25 мс под давлением пороховых газов корпус 37 перемещается вдоль топливопровода 36 в одном направлении, а крышка 38 с топливопроводом 42 - в противоположном направлении. Корпус 37, скользя по поверхности топливопровода 36, упирается днищем в ограничительное кольцо 50, увлекает за собой топливопровод 36. Стопорное кольцо 49 остается в своей канавке на концевике топливопровода 36, освободившись от обжатия сальником-буфером 40. При движении головки 41 топливопровода 42 стопорное кольцо 44 разжимается, преодолевая усилие обжима буфера-сальника 40, выходит из паза 43, а сам топливопровод 42 с головкой свободно проходит через отверстие 39 корпуса 37 механизма 35 отстрела и отсечки. При появлении зазора между топливопроводами 36 и 42 толкатель 45 освобождает запорный золотник 46 обратного клапана, пружина 47 разжимается, он садится в свое седло, закрывая топливопровод 36 и тем самым препятствуя выливанию топлива из системы питания. При замене топливного бака 4 на новый бак все детали механизма 35 отсечки и перекрытия топливопровода, кроме пиропатрона 51 и (при выходе из строя) крышки 38, используются повторно.

Вторыми срабатывают пиропатроны 33 (фиг. 7) раскрепления топливного бака 4 замковых устройств 24. Пороховые газы с замедлением 75 мс перемещают поршни 32 (фиг. 5), штоки-толкатели которых, проходя через центральные отверстия 29 в перегородке 28 корпуса 25, выталкивают шаровые головки 22 верхних концов хомутов 18 через отверстия 23 в стенке 16, сжимая буферы 31 и раздвигая лепестки цанг 30. При этом крышки 26 замковых устройств 24 остаются на своих местах. Усилия обжатия цанг 30 буфером 31 (надежность крепления верхних окончаний хомутов 18) регулируется величиной завертывания корпусов 25 замковых устройств 24. При большем завертывании корпуса буртик 27, упираясь в буфер 31, вызывает его деформацию и тем самым большее усилие обжатия цанги 30. При замене топливного бака 4 на новый в полость механизма 24 устанавливается новый пиропатрон 32.

Освобожденные верхние концы хомутов 18 снимают усилия затяжки ее нижних окончаний 19, упругие элементы 34, находившиеся в сжатом состоянии (фиг. 1), распрямляются и выталкивают окончания 19 с фиксаторами 20 хомутов 18 из прорезей 21 концов нижних горизонтальных продольных балок 5 каркаса топливного бака 4 в горизонтальном направлении. Бак 4 от хомутов 18 освобожден.

Третьим срабатывает пиропатрон 17 (фиг. 1) выстреливания бака 4. Пороховые газы от взрыва пиропатрона 17 выстреливания топливного бака 4 с замедлением 125 мс перемещают плиту 11 (фиг. 4), которая, упираясь в торец топливного бака 4, толкает его. Бак 4 перемещается горизонтально в поперечной плоскости относительно продольной оси транспортного средства, опираясь нижними полозами 10 (фиг. 2) на гребни вращающихся относительно своих осей 7 роликов 8 швеллеров 6 нижних горизонтальных балок 5 каркаса. При этом верхние полозы 9 бака 4 скользят по верхним горизонтальным балкам 2 каркаса. Плита 11, так же, опираясь посредством косынок 14, через нижние направляющие 13 на ролики 8 двигается за баком 4, а верхние ролики 12 плиты 11, вращаясь относительно своих осей, перемещаются по направляющим - верхним продольным горизонтальным балкам 2 каркаса топливного бака 4. Пружины 15 опорной плиты 11 растягиваются на заданное технологически (например, 0,75 длины бака 4) расстояние. Бак 4 выстреливается из каркаса и отбрасывается от машины на расстояние в соответствии с энергией взрыва, полученной от воздействия через опорную плиту 11 пороховых газов приведенного в действие пиропатрона выстреливания 17. Опорная плита 11 останавливается под действием возвратных сил растянутых пружин 15, после чего двигается назад и возвращается в первоначальное положение.

Переключатель 61 (фиг. 7) переводится водителем в выключенное положение, сигнальная лампа 57 гаснет.

Предлагаемое изобретение может найти широкое применение для защиты движущихся и неподвижных наземных транспортных средств и других объектов от возгорания в случаях возгорания или взрыва энергоносителя в топливном баке.

Использованные источники

1. Пат. RU 2187349 С2 Российская Федерация, МПК⁷ А62С 3/07. Способ предотвращения взрыва энергоносителя в емкости / Р.Г. Пападопулу. - №2000125660/12; Заяв. 12.10.2000; опубл. 20.08.2002.

2. Бородин Н. Г. Машины инженерного вооружения. Ч. 4. Базовые изделия: учеб. / Н.Г. Бородин и [и др.]. - М.: Воениздат, 1987. - 432 с.

3. п. 7.7. Приложения к Основным положениям по допуску транспортных средств к эксплуатации и обязанностям должностных лиц по обеспечению безопасности дорожного движения. Правила дорожного движения Российская Федерация. - М.: ООО «Атберг 98», 2011. - 64 с.

4. Руководство по технической эксплуатации №ЗАБ-9200-00 РЭ. -М.: Издание ОАО «НЛП «Звезда», 1982 г.

5. Пат. RU 2247668 С2, МПК⁷ B60R 19/20 Российская Федерация, Катапульта - аварийно-спасательное средство жизни людей, экипажа машины и самой машины при столкновении на дороге / Н.А. Захаров №2003104380/11, заявл. 13.02.2003, опубл. 20.08.2004.

6. Пат. RU 69572 U1, МПК F02C 7/25 Российская Федерация, Система подачи топлива для двигателя летательного аппарата / А.А. Талов, заявл. 01.10.2007, опубл. 27.12.2007.

7. Пат. RU 94034395 А1, МПК B64D 39/00 Российская Федерация, Способ дозаправки летательного аппарата, опубл. 10.09.1996.

8. Пат. RU 2336203 С2, МПК B64D 25/00 Российская Федерация, Система спасения самолета /варианты/ Н.Т. Староверов 2006136967/11, заявл. 10.10.2006, опубл. 20.04.2004.

9. Справочник взрывника / Б.Н. Кутузов, В.М. Скоробогатов, И.Е. Ерофеев и др.; Под общей ред. Б.Н. Кутузова. - М.: Недра, 1988. - 511 с.

10. Эпов Б. А. Основы взрывного дела. Пособие / Б.А. Эпов. - М.: Воениздат МО СССР, 1974. - 221 с.

11. Горст А.Г. Пороха и взрывчатые вещества: учеб. для вузов / А.Г. Горст. - М.: Гос. изд-во оборонной промышленности, 1957. - 187 с.