Результат интеллектуальной деятельности: Предохранительно-пусковое устройство детонационных цепей бортовой наземной автоматики

Изобретение относится к устройствам и системам бортовой и наземной пироавтоматики объектов ракетной, ракетно-космической, авиационной техники (в целом летательных аппаратов) для решения, с одной стороны, задач надежной защиты (блокирования) их детонационных цепей от различного рода случайных и паразитных сигналов, а также несанкционированных воздействий на них извне и гарантированного прохождения по программе (циклограмме) команд на срабатывание исполнительных устройств и механизмов, использующих энергию высокоэнергетических конденсированных систем, с другой стороны. Может быть использовано в боеприпасах различного назначения в качестве предохранительно-исполнительного механизма взрывателей и взрывательных устройств предохранительного или полупредохранительного типов, а также в нефтегазодобывающей и горной промышленности в прострелочно-взрывной аппаратуре и при производстве геофизических исследований.

Известно многочисленное количество аналогов устройства, широко используемых в изделиях ракетной, ракетно-космической и авиационной техники так называемых предохранительных и пусковых устройств (Вспомогательные системы ракетно-космической техники / Под ред. И.В. Тишунина. - М.: Изд-во «Мир», 1970. - С. 185-215), а также предохранительных и предохранительно-исполнительных механизмов взрывателей и взрывательных устройств (ВУ) контактного, дистанционного, неконтактного, командного, инерционного действия для различных видов артиллерийских снарядов и мин, боевых частей управляемых и неуправляемых ракет, авиационных, морских, инженерных боеприпасов, гранат и т.д. (Средства поражения и боеприпасы: Учебник / А.В. Бабкин, В.А. Велданов, Е.Ф. Грязнов и др. Под общ. ред. В.В. Селиванова. - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2008. - С. 843-953).

По назначению, принципу действия и основным элементам конструкции упомянутые выше предохранительные и пусковые устройства (ППУ) и предохранительно-исполнительные механизмы (ПИМ) во многом схожи. Конструктивно они выполнены по однотипным схемам: в подвижной движок (диск, втулку или заслонку) «роторного» или «поршневого» типа (совершает поворотные или поступательные движения соответственно) вмонтировано либо инициирующее устройство (капсюль-детонатор, электродетонатор, светодетонатор или взрывной патрон), либо передаточный заряд (детонатор) взрывчатого вещества (ВВ). В неподвижном корпусе устройства установлен соответственно либо передаточный заряд, либо инициирующее устройство. При этом в исходном невзведенном состоянии оси этих взрывных элементов не совмещены; огневая (правильнее - детонационная) цепь разомкнута. При взведении устройства различного рода стопоры, выполняющие роль предохранителей, срываются и движок (диск, втулка или заслонка) проворачивается либо перемещается при помощи различного рода пружин, электромагнитов, электродвигателей, сильфонов, барометрических реле с приводами и т.п. таким образом, чтобы оси всех элементов огневой цепи совпали; огневая цепь замыкается. Во взведенном положении движок удерживается различного рода фиксаторами (защелками). По таким механическим, электромеханическим конструктивным схемам и схемам с использованием параметров окружающей среды и инерционных нагрузок построено подавляющее большинство ППУ и ПИМов. Общими для них недостатками являются сложность конструкции, наличие большого количества деталей и узлов, обязательное применение вращающихся, прокручивающихся на установленный угол вокруг оси или линейно перемещающихся деталей, пружин различных типов, длительное время могущих находиться в скрученном, сжатом или растянутом состоянии, различных приводов, включая электродвигатели, электромагниты, сильфоны и т.д., что ведет, в конечном счете, к ухудшению массогабаритных характеристик таких устройств, значительному энергопотреблению, снижению надежности функционирования.

К аналогичным устройствам, выполненным по чисто механической и электромеханической схемам, относится и ряд других аналогов.

В известном «запальном устройстве для морских мин» (описание к патенту РФ №2256147 С1, МПК F42C 14/04, опубл. 07.10.2005 г.) «исполнительно-детонационная цепь» включает такие основные узлы и детали, как электровоспламенитель и детонатор, движок с капсюлем-детонатором, смещенным в исходном положении относительно передаточного заряда над детонатором, сигнальный и блокирующие стопоры, пусковой электровоспламенитель, защитный электрический контур в виде L-, C-фильтров. Перемещение движка в боевое (взведенное) положение осуществляется под действием пружины. В этом положении он удерживается фиксатором.

По такой же практически конструктивной схеме построен и известный «предохранительно-исполнительный механизм взрывателя» (описание к патенту РФ №2400701 С2, МПК F42C 15/40, опубл. 27.09.2010 г.). Для повышения безопасности взрывателей и боеприпасов на всех этапах эксплуатации и боевого применения, а также в аварийных ситуациях, в частности при воздействии теплового поля пожара, в конструкцию ПИМа, близкую к предыдущему аналогу, дополнительно включены электромеханический стопор, включающий шаговый электродвигатель, на валу которого установлено устройство преобразования вращательного движения вала в поступательное перемещение элемента зацепления с движком (заслонкой), и термопредохранительный стопор.

Известно «устройство защиты детонационных цепей бортовой автоматики летательных аппаратов» (описание к патенту РФ №2541595 С1, МПК F42C 15/00, F42C 15/184, F42C 15/40, F42C 15/42, опубл. 20.02.2015 г.), в котором размещенный внутри корпуса в сквозном отверстии цилиндрической формы движок (в описании - поршень) удерживается в исходном состоянии фиксатором детонационной чеки, смонтированной в приливе на внешней поверхности корпуса устройства. Движок имеет осевую глухую расточку, в которой размещена предварительно сжатая цилиндрическая пружина, предназначенная для перемещения движка из исходного положения в боевое; в теле движка установлен детонатор (в описании - передаточный заряд-детонатор) П-образной формы, представляющий собой заряды ВВ, взрывчатого состава или композиции, запрессованные или залитые в два радиальных и соединяющий их осевой каналы. Во втором приливе на корпусе размещены инициирующее устройство (в описании - электродетонатор) и концевое устройство заряда-транслятора детонации, причем расстояние между их осями строго соответствует расстоянию между радиальными каналами в движке.

Известны также конструкции ППУ и ПИМов в основном механического типа, содержащие дополнительно и пиротехнические элементы. К числу таких устройств можно отнести ППУ самоликвидатора летающих мишеней одноразового применения (Вспомогательные системы ракетно-космической техники / Под ред. И.В. Тишунина. - М.: Изд-во «Мир», 1970. - С. 204-206, фиг. 6.8), в котором движок (заслонка) с детонаторами перемещается из исходного состояния в боевое сильфонным приводом. Рабочим телом для привода являются продукты сгорания порохового или пиротехнического заряда. Срабатывание заряда осуществляется от пускового электровоспламенителя. Растягиваясь, сильфон претерпевает упругопластические деформации и толкает, преодолевая сопротивление удерживающей пружины, движок; детонаторы устанавливаются между электродетонатором (в источнике - устаревшее «электрозапал») и зарядами ВВ соосно им.

Известен также взрыватель (описание к патенту ЕР №1225418 А1, МПК F42C 15/184, F42C 15/40, опубл. 24.07.2002 г.), содержащий перемещаемый вышибным зарядом движок с взрывным элементом (электродетонатором), контактную группу, передаточный заряд (детонатор), электронную схему с двумя таймерами и пусковой воспламенитель. По истечении времени, отсчитываемого первым таймером, пусковой электровоспламенитель приводит в действие вышибной заряд, продукты сгорания которого перемещают движок с электродетонатором в боевое положение, при котором электродетонатор совмещается с передаточным зарядом (располагаясь внутри него). По истечении заданного времени, отсчитываемого вторым таймером, происходит последовательное срабатывание электродетонатора и передаточного заряда, приводящее к подрыву всего боевого снаряжения (основного заряда ВВ).

По близкой схеме выполнено и другое известное устройство - «предохранительно-исполнительный механизм взрывателя» (описание к патенту РФ №2255302 С1, МПК F42c 15/184, опубл. 27.06.2005 г.). Движок с расположенным в нем взрывным элементом (в данном случае - детонатором) перемещается из исходного состояния во взведенное (боевое) вышибным зарядом, задействуемым от пускового электровоспламенителя. Для удерживания движка во взведенном состоянии на переднем его торце (с противоположной стороны от вышибного заряда) установлен фиксатор в виде конусной чашечки из деформируемого материала, а на внутренней поверхности корпуса, примыкающей к торцу, выполнена кольцевая расточка. В исходном состоянии движок удерживается стопорами (пиротехническими, инерционными или электромагнитными).

Перечисленным аналогам присущи все те же недостатки, что и описанным выше:

- высокая сложность конструкций, содержащих большое количество деталей и узлов (от десяти до шестнадцати и более), среди которых много вращающихся, линейно перемещающихся, трущихся элементов, что в конечном счете снижает надежность таких устройств;

- громоздкость изделий из-за наличия большого количества приводов электрических, электромеханических, электромагнитных, пиротехнических и т.д.;

- значительное энергопотребление;

- зависимость рабочих характеристик пиротехнических элементов (пороховых, пиротехнических, твердотопливных зарядов, применяемых в качестве источников рабочего тела для перемещения движка сильфонным приводом либо вышибным зарядом) от параметров окружающей среды, главным образом, от давления и температуры;

- чрезмерно высокая стоимость.

Все это ограничивает использование традиционных ППУ и ПИМов в первую очередь в космической технике на аппаратах классов «мини» (массой до 500 кг) и «микро» (массой до 50 кг), а для космических аппаратов класса «нано» (массой от 1 до 10 кг) практически делает их непригодными.

Известны электронные ППУ (Вспомогательные системы ракетно-космической техники / Под ред. И.В. Тишунина. - М.: Изд-во «Мир», 1970. - С. 193 и 196). Они являются весьма перспективными, обладают чрезвычайно малыми габаритами и массами, требуют незначительного энергопотребления. Однако на сегодняшний день не обеспечен требуемый уровень радиационно-термической стойкости применяемых микрочипов, не гарантируется безотказность действия их в условиях мощных электромагнитных и СВЧ-полей. Кроме того, отечественная база производства микрочипов еще достаточно слаба, а стоимость таких изделий высока.

В добавление к сказанному, следует заметить, что ни в указанном источнике, ни в любой другой доступной научно-технической литературе не приводятся какие-либо конкретные (даже гипотетические) конструктивно-компоновочные схемы упомянутых электронных ППУ, что не позволяет принять их за известные устройства, наиболее близкие предлагаемому.

Техническое решение по предлагаемому изобретению направлено на достижение технического результата, заключающегося в устранении большинства перечисленных недостатков, а именно:

- в повышении надежности работы устройства;

- в снижении энергопотребления от бортовых источников питания летательных аппаратов;

- в возможности миниатюризации конструкции;

- в достижении универсальности устройства применительно к летательным аппаратам любых классов (особенно микро- и нано- КА), в сохранении работоспособности на любых участках их полетов (траекторий) независимо от параметров окружающей среды и внешних возмущений;

- в снижении стоимости и повышении технологичности изготовления устройства;

- в расширении функциональных возможностей предлагаемого устройства.

Для достижения указанного технического результата устройство по предлагаемому изобретению содержит, как и все аналоги, корпус и взрывные элементы - инициирующее устройство (например, электродетонатор, капсюль-детонатор, светодетонатор, взрывной патрон) и детонатор (передаточный заряд).

В отличие от аналогов в конструкцию устройства по предлагаемому изобретению включены три однотипных, но разной длины отрезка линейных детонирующих зарядов (ЛДЗ): взведения, предохранения и служебного применения (или боевой). Функции ЛДЗ в заявленном устройстве выполняют отрезки либо штатных детонирующих удлиненных зарядов (ДУЗ) высокочувствительных и высокобризантных кристаллических ВВ (гексогена или октогена) в металлических (например, алюминиевых или медных) оболочках, либо аналогичные заряды, снаряженные эластичным взрывчатым веществом (ЭВВ), либо шнуровые или ленточные безоболочные заряды ЭВВ или пластичного ВВ, уложенные в специально изготовленные проточки в корпусе устройства. Обязательными условиями являются следующие:

1) ЛДЗ служебного применения и взведения должны иметь по одной точке пересечения с ЛДЗ предохранения, причем в точках пересечения должно быть обеспечено плотное касание взаимно пересекающихся ЛДЗ; углы взаимных пересечений должны быть примерно близкими к 90°;

2) длина L_сп ЛДЗ служебного применения много больше длины L_вз ЛДЗ взведения, которая в свою очередь больше длины L_пр ЛДЗ предохранения, т.е. должно выполняться условие L_сп>>L_вз>L_пр.

Устройство снабжено двумя однотипными инициирующими устройствами (ИУ): одним (ИУ взведения) для задействования ЛДЗ взведения и вторым (ИУ пусковым) для одновременного срабатывания ЛДЗ предохранения и служебного применения. Концы всех трех ЛДЗ, примыкающие к обоим ИУ, снабжены зарядами-усилителями (ЗУ) в виде тонкостенных металлических (например, алюминиевых) колпачков, снаряженных высокобризантным и высокочувствительным взрывчатым веществом, взрывчатым составом или композицией при разных давлениях запрессовки. ЛДЗ служебного применения обрамлено ЗУ с обоих торцов (со стороны ИУ и детонатора).

В предлагаемой конструкции отсутствуют какие-либо движущиеся узлы или элементы, отсутствуют приводы, стопоры, защелки, что сильно упрощает устройство и тем самым повышает его надежность.

Благодаря отсутствию в предлагаемом устройстве электродвигателей, электромагнитов существенно снижается энергопотребление, необходимое для его работы.

Благодаря тому, что предлагаемое устройство содержит только элементы (узлы) с детонирующим снаряжением (как-то ИУ, ЛДЗ, ЗУ, детонатор) обеспечивается высокое единообразие его действия в любых условиях вне зависимости от параметров окружающего пространства и возмущающих нагрузок.

За счет использования в качестве ЛДЗ детонирующих удлиненных зарядов в металлических оболочках, снаряженных такими высокочувствительными и высокобризантными кристаллическими ВВ, как гексоген или октоген, достигается существенное снижение массогабаритных характеристик устройства. Поскольку критические диаметры детонации указанных ВВ составляют 0,8÷1,2 мм, то для ЛДЗ заявленного устройства могут быть применены ДУЗ с наружным диаметром (калибром) всего в 1,4÷1,6 мм. При снаряжении ДУЗ мелкокристаллическим гексогеном или октогеном с размером кристаллов 1-10 мкм, для которых критический диаметр детонации составляет порядка 0,5 мм, калибр ДУЗ может быть уменьшен практически вдвое. Использование же для снаряжения ЛДЗ шнуровых зарядов высокочувствительных и высокобризантных ЭВВ с критическим диаметром детонации порядка 0,2 мм (например, ЭВВ на основе бензотрифуроксана) позволяет еще существеннее снизить калибр ДУЗ. Дополнительный технический результат, достигаемый при этом, заключается в заметном снижении вредных ударно-волновых нагрузок на ЛА при срабатывании заявленного устройства.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематично изображено предлагаемое устройство. Здесь: 1 - инициирующее устройство взведения; 2 - ИУ пусковое; 3 - заряды-усилители; 4 - корпус; 5 - линейный детонирующий заряд служебного применения; 6 - ЛДЗ предохранения; 7 - ЛДЗ взведения; 8 - детонатор.

Предлагаемое устройство используется и работает следующим образом. При подаче команды-сигнала по программе или циклограмме от бортовой системы управления (например, от пиротехнического блока), либо от датчика цели или возмущений, либо по кодированному радиоканалу с Земли срабатывают последовательно инициирующее устройство взведения 1, за ним с определенной временной уставкой - ИУ пусковое 2. ИУ взведения 1 через заряд-усилитель 3 вызывает детонацию в ЛДЗ взведения 7. В точке пересечения ЛДЗ взведения с ЛДЗ предохранения 6 (на фиг. - т. А) происходит перебитие последнего. От ИУ пускового 2 через заряды-усилители 3 срабатывают одновременно два ЛДЗ: предохранения 6 и служебного применения 5.

Детонация по ЛДЗ предохранения 6, дойдя до т. А, заглохнет. По ЛДЗ служебного применения 5 она свободно пройдет точку пересечения В (перебьет в ней оставшийся несдетонированным отрезок ЛДЗ предохранения (между точками А и В) и через концевой заряд-усилитель 3 сынициирует детонатор 8, от которого по заряду-транслятору (на фиг. не показан) передастся исполнительным устройствам (механизмам) ЛА или основному (разрывному) заряду боеприпасов.

При поступлении на предлагаемое устройство ложного сигнала (случайного, паразитного или сигнала от несанкционированного вмешательства) возможны три варианта развития события: случайный или несанкционированный сигнал поступил на одно из инициирующих устройств (взведения 1 или пусковое 2) либо он поступил одновременно на оба устройства. Рассмотрим каждый из этих вариантов.

При подаче ложного сигнала на ИУ взведения 1 сработает ЛДЗ взведения 7 и в точке А перебьет ЛДЗ предохранения 6. Предохранительно-пусковое устройство перейдет во взведенное состояние, но ИУ пусковое 2 будет заблокировано, срабатывания ЛДЗ служебного применения 5 не произойдет.

При подаче ложного сигнала на ИУ пусковое 2 сработают одновременно два ЛДЗ: служебного применения 5 и предохранения 6.

В силу того, что протяженность ЛДЗ предохранения 6 много меньше ЛДЗ служебного применения 5, детонационный импульс по линии предохранения достигнет точки пересечения В (см. фиг.) намного раньше, чем он дойдет до этой же точки В по линии служебного применения. ЛДЗ служебного применения 5 будет в т. В перебит; детонация его в дальнейшем направлении к детонатору 8 будет прервана. Ложного или несанкционированного срабатывания исполнительных детонационных устройств или основного заряда ВВ не произойдет.

В случае поступления ложных сигналов одновременно на оба ИУ (1 и 2) сработают все три ЛДЗ. Но поскольку ЛДЗ предохранения 6 является самым коротким из них, то детонационный импульс пройдет по нему быстрее и в точке В перебьет ЛДЗ служебного применения 5 до того момента, как по последнему детонация дойдет до этой точки. В точке А при этом будет перебит и дополнительно ЛДЗ взведения 7. Преждевременного перебития ЛДЗ предохранения 6 зарядом взведения 7 в точке А не произойдет по той причине, что длина последнего выбрана заведомо большей. В результате этого ложного срабатывания детонационных исполнительных устройств ЛА или инициирования основного заряда ВВ не произойдет.