Имитатор тепловой каталитический

 

Изобретение относится к области военной техники и может быть использовано для имитации с малой вероятностью дешифрируемости в видимом спектре тепловых излучений в ложных объектах вооружения и военной техники любой формы и площади, создания ложных тепловых целей для боеприпасов с тепловыми головками самонаведения, в также может использоваться в бытовой технике для обогрева различных помещений, двигателей автомобилей, теплиц и т.п. с обеспечением требований пожаробезопасности и высокой экологичности. Предлагаемое устройство конструктивно включает в себя топливный бак, излучающую трехслойную каталитическую насадку с системой запуска (розжига), фитильно-испарительную систему, включающую испарительную камеру и соединяющую ее с топливным баком трубку с фитилем, выполненным из волокнистого шнура (например, хлопчатобумажного) с продольным расположением волокон. Устройство выполнено в виде прямоугольного модуля с соотношением сторон Н: В: А=1: 2: 3, где Н - высота модуля; В и А- соответственно ширина и длина модуля. Прямоугольная форма имитатора позволяет набирать имитационные поля видов военной техники практически любой пло- щади и конфигурации. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области военной техники и может быть использовано для имитации тепловых излучений в ложных объектах вооружения и военной техники (далее - видов военной техники), создания ложных тепловых целей для боеприпасов с тепловыми головками самонаведения, а также может использоваться в бытовой технике для обогрева различных помещений, двигателей автомобиля, теплиц и т. п. с обеспечением требований пожаробезопасности и экологичности.

При разработке предлагаемого имитатора стояла задача создания высокоэффективного, надежного в эксплуатации, экологически чистого, недешифрируемого в видимом диапазоне спектра, обладающего независимостью работы от положения в пространстве имитатора модульного типа, позволяющего воспроизводить высокотемпературные поверхности видов военной техники различной площади и формы.

Для решения этой задачи имитатор тепловой каталитический (далее - имитатор) содержит топливный бак, каталитическую насадку с системой запуска (розжига), фитильную испарительную систему, включающую в себя испарительную камеру и соединяющую ее с топливным баком трубку с фитилем, выполнен в виде прямоугольного модуля с соотношением сторон H:B:A = 1:2:3, где H - высота модуля; A - длина модуля; B - ширина модуля.

Для достижения непроливаемости горючего в полость испарительной камеры через фитиль при работе имитатора в наклонном положении и для решения задачи транспортирования заправленных топливом имитаторов в предлагаемом устройстве применен ряд конструктивных решений.

Фитиль из технической гигроскопической ваты диаметром 90 мм заменен на фитиль, выполненный из волокнистого шнура (например, хлопчатобумажного) с продольным расположением волокон значительного меньшего диаметра, верхняя, распушенная часть фитиля разложена по днищу испарительной камеры, которому придана форма воронки, прижата к нему пластиной испарителя, а нижняя, удлиненная, пропущена через трубку в топливный бак.

Трубка фитиля герметично вварена в дно испарительной камеры. Для снижения уровня избыточного давления в полости топливного бака при нагреве корпуса в трубке выполнено несколько отверстий малого диаметра, оси которых параллельны оси отверстия под фитиль.

Сочетание волокнистого шнура с продольным расположением волокон (свойство направленной подачи жидкости - капиллярность) с некоторым "подпирающим" избыточным давлением в полости топливного бака позволило уменьшить диаметр трубки фитиля и повысить его производительность.

Каталитическая насадка выполнена в виде трехслойной прямоугольной пластины кобальтохромового катализатора на основе кварцевого полотна ТКВ с выпуклостью по центру, заключенной в оправу между двумя защитными сетками. Применение трехслойной насадки позволяет разнести систему запуска (нагреватели) между средней и двумя крайними каталитическими пластинами, что позволяет обеспечить более равномерный их прогрев по толщине и сократить этим время запуска (розжига).

При исходном габаритном прямоугольном размере, равном габаритному размеру круглой каталитической насадки прототипа, площадь каталитической насадки увеличивается, что позволяет повысить излучаемую имитатором мощность.

Между каталитической насадкой и пластиной испарителя установлена крестовина, поддерживающая свод каталитической насадки и прижимающая к дну испарительной камеры пластину испарителя. Крестовина обеспечивает необходимую равномерность подачи паров бензина к каталитической насадке при наклонном положении имитатора: разделяя внутренний объем испарительной камеры на четыре равные части, крестовина исключает перемещение более тяжелых, чем воздух, паров бензина в нижнюю часть наклонной насадки. При горизонтальном положении имитатора крестовина обеспечивает равномерную скорость испарения топлива в испарительному камеру и, в комплексе с пластиной испарителя, - защиту фитиля от осмоления и воздействия на него высокотемпературного излучения насадки.

Нижний конец трубки фитиля не доходит до верхнего уровня топлива.

Располагаемый объем бака примерно вдвое превышает расчетный эксплуатационный.

Вышеприведенные конструктивные решения обеспечивают надежную подачу топлива из бака в испарительную систему и его равномерное испарение, а также работу излучателя независимо от его положения в пространстве (углы наклона корпуса могут достигать 45^o и выше), т.е. в предлагаемом устройстве осуществлен принцип конструкции, используемый в чернильницах - "непроливайках".

"Непроливаемость" топлива из имитатора повышает пожаробезопасность и экологичность конструкции, а также позволяет переносить или перевозить имитатор к месту применения в заправленном состоянии.

Контакты системы запуска каталитической насадки выведены вбок от нагревающихся частей насадки, что упрощает демонтаж электрожгута питания с имитатора после выхода системы на режим.

Уплотнение каталитической насадки на корпусе имитатора выполнено с применением резинового шнура, что значительно повышает качество герметизации испарительной камеры и обеспечивает легкосъемность для замены насадки и фитиля в полевых условиях эксплуатации и для чистки пластины испарителя.

Защитная крышка (она же гаситель) каталитической насадки фиксируется на корпусе насадки за счет пружинящих выступов.

Прямоугольная в плане форма имитатора в сочетании с прямоугольной формой излучающей каталитической пластины позволяет легко набирать имитационные поля видов военной техники любой формы и площади.

На фиг. 1 и 2 представлена конструкция имитатора теплового каталитического модульного типа.

Топливный бак 1 (фиг. 1) прямоугольной в плане формы, в котором предусмотрены горловина 2 для заливки топлива (бензина) и трубка 3 с дренажом для установки фитиля 4, герметично вваренные в бак 1, выполнен из алюминиевого сплава путем герметичной сварки из двух штампованных деталей с отбортовкой. В предлагаемом имитаторе, как и в прототипе, используется только неэтилированный бензин.

Горловина 2 бака 1 закрывается резьбовой пробкой 5 с уплотнительной прокладкой (кольцом) 6, установленной на опорном торце пробки 5.

В верхней части имитатора над баком 1 расположена фитильно-испарительная система, состоящая из испарительной камеры 7 с выходящим из трубки 3 разложенным (распушенным) концом фитиля 4 длиной 30 - 40 мм, перекрытым испарителем 8 - прямоугольной пластиной из стекловолоконного мата (кварцевое волокно ТКВ). Нижний конец фитиля 4 уложен по дну бака 1.

Верхняя часть бака 1 выполнена в виде воронки 9, по которой раскладывается верхняя часть фитиля 4, в ее нижнюю часть вварена трубка 3 с дренажными отверстиями.

Фитиль 4 представляет собой шнур (например, хлопчатобумажный) с продольным расположением волокон, плотно вставленный в центральное отверстие трубки 3.

Каталитическая насадка 10, смонтированная в корпусе 11, перекрывающая сверху испарительную камеру, имеет прямоугольную форму. Она выполнена из трехслойной пластины 12 кобальтохромового катализатора на основе кварцевого волокна ТКВ, заключенной между двумя сетками 13 и обжатой (завальцованной) по периметру корпуса 11. Между слоями пластины 12 заложены проволочные нагреватели 14 и 15 на напряжение 12 (24) B для осуществления электрического запуска (розжига) имитатора, выведенные на контактную колодку 16 (фиг. 2). Конструкция колодки 16 исключает возможность подключения напряжения 24 B к цепи, рассчитанной на 12 B.

Для поддержания формы свода испарительной камеры, образуемого трехслойной пластиной 12, в испарительной камере установлена крестовина 17 (фиг. 1), делящая объем испарительной камеры на четыре равные зоны, что в сочетании с фитилем 4 и испарителем 8 формирует конструкцию фитильно-испарительной системы.

Герметичность стыка корпуса 11 каталитической насадки 10 с корпусом бака 1 обеспечивается за счет уплотнительного кольца 18, заложенного в канавку, оформленную в корпуса бака 1 имитатора.

Пружинные свойства края корпуса 11 обеспечивают ее легкосъемность.

Крышка 19, надеваемая на корпус 11 каталитической насадки 10, предохраняет насадку от механических повреждений и климатических воздействий при транспортировании и хранении насадки и производит выключение (гашение) процесса катализа. Фиксация крышки 19 на корпусе 11 обеспечивается пружинящими выступами 20.

Переноска заправленных топливом имитаторов осуществляется с использованием съемной ручки, входящей в ЗИП, фиксирующей с помощью отверстий 21 на отбортовке корпуса 1 по два имитатора, сложенных "донцами" друг к другу, т. е. один оператор переносит по четыре заправленных топливом имитатора.

В комплект поставки имитатора также входит электрожгут для подвода питания 12 (24) B к контактам системы запуска (розжига) имитатора, подставки, позволяющие устанавливать с использованием отверстий 21 имитатор наклонно по отношению к горизонтальной плоскости на углы 45^o и более, а также теплостойкие шнуры, с помощью которых имитатор может быть подвешен на макетах военной техники.

Предлагаемый имитатор работает следующим образом.

После заправки бака 1 имитатора топливом (бензином) на расчетное время работы (уровень h) волокна фитиля 4, пропитавшись топливом, начинают через трубку 3 подавать его вследствие свойства капиллярности в верхнюю часть корпуса 1 - на дно воронки 9 испарительной камеры 7, где топливо, испаряясь, через испаритель 8 равномерно подается в четыре полости, образованные крестовиной 17 и из них - внутрь каталитической насадки 10 вследствие процесса диффузии. Из окружающей среды в каталитическую насадку 10 диффундирует кислород воздуха.

После подачи на нагреватели 14 и 15 напряжения питания 12 (24) B при температуре 190^+20oC в каталитической насадке 10 происходит интенсивное окисление смешанных с кислородом воздуха паров топлива, в результате повышается температура на каталитической насадке 10 и происходит розжиг горючей смеси по всей ее площади. Из-за нагрева каталитической насадки 10 повышается температура в испарительной камере, как следствие нагрева, повышается давление паров топлива в испарительной камере и увеличивается скорость их диффузии в толщу каталитической насадки 10. В результате некоторого нагрева корпуса бака 1 повышается давление паров топлива над поверхностью горючего, что может вызвать неуправляемое увеличение подачи горючего через фитиль в испарительную камеру, однако через дренажные отверстия в стенках трубки 3 происходит некоторое "стравливание" давления из полости бака 1 в полость испарительной камеры, и процесс выравнивается.

В установившемся режиме "горения" рабочая температура процесса достигает 430^oC. Процесс "горения" паров горючего в присутствии кислорода воздуха и катализатора представляет собой автотермический процесс глубокого окисления - катализа (беспламенное горение). Запуск (розжиг) имитатора может быть произведен и огневым (без подключения электропитания к нагревателям 14, 15) способом: на внешнюю поверхность каталитической насадки 10, в ее центральной части, выливается 30 - 50 мл этилового спирта или другого горючего материала, который поджигается открытым способом с соблюдением правил техники безопасности.

Начавшийся процесс беспламенного горения - катализа будет продолжаться либо до полного использования всего объема топлива (в течение расчетного времени работы), либо до прекращения доступа кислорода воздуха к внешней поверхности каталитической насадки 10, установленной на корпус 11 защитной крышкой 19 (она же гаситель).

Испаритель 8, накрывающий сверху разложенную (распушенную) часть фитиля 4, обеспечивает необходимую скорость испарения топлива и защиту фитиля 4 от осмоления или обгорания, обусловленных наличием в составе топлива неиспаряемых смол и воздействием высокой температуры горения. Пористая пластина испарителя 8 является своеобразным фильтром, регулирующим количество проходящих к каталитической насадке 10 паров топлива. Резиновый уплотнительный шнур 18 обеспечивает "чистоту" процесса беспламенного горения (катализа) топлива, разделяя среду, где происходит катализ, на внешнюю и внутреннюю.

При наклонах имитатора на углы 45^o и более вследствие небольшой высоты конструкции H, благодаря постоянному присутствию в топливе нижней, удлиненной части фитиля 4 и сравнительно малому диаметру d трубки 3, гарантийному расстоянию L от торца трубки 3 до расчетного уровня h топлива, определенному соотношению размеров корпуса бака 1, герметичным сварочным швом корпуса 1, при плотной установке фитиля 4 в трубку 3, не происходит проливания ("проскока") горючего в испарительную камеру, процесс "горения" топлива происходит "штатно", что также определяет и повышенную экологическую защищенность предлагаемого имитатора.

Приводимые выше параметры конструкции имитатора могут быть описаны формулами.

При соотношении сторон прямоугольного имитатора (модуля) H : B : A = 1 : 2 : 3, где H - высота модуля; B - ширина модуля; A - длина модуля; максимальный эксплуатационный уровень топлива в баке на расчетное время работы τ может быть определен по формуле где V_т(τ) - максимальный эксплуатационный объем топлива на расчетное время работы имитатора.

Приведенное выше выражение для определения максимального эксплуатационного уровня топлива h может быть получено из формулы объема топлива, выражающей объем через высоту H имитатора, если принять H = 1 (без учета толщины стенок бака):
V_т(τ)= A·B·h = 3H·2H·h = 6H²,
откуда

С другой стороны

где
G_т(τ) - максимальный эксплуатационный расход топлива за расчетное время работы τ (задается T3) при заданной мощности;
d_т - минимальная удельная масса топлива.

При этом
G_т(τ)= g_т(τ)·3, (3)
где
g_т(τ) - удельный расход топлива за единицу времени (задается T3).

Заданная мощность имитатора, излучаемая каталитической насадкой
W = S·W_уд·η, (4)
где
S - излучающая площадь каталитической насадки;
W_уд - удельная мощность каталитической насадки на единицу площади излучения (задается T3);
η - КПД каталитического окисления.

Расчет конструкции показывает, что, с учетом "непроливаемости" имитатора при его случайном опрокидывании, при описанной выше упомянутой форме бака полный (располагаемый) объем бака должен быть выбран в пределах
V_Б= (2,0-2,3)V_т(τ). (5)
Расчетный внутренний диаметр трубки фитиля может быть определен по формуле
d = k·S ,
где
K - эмпирический коэффициент, связанный с величиной и формой излучающей площади каталитической насадки.

Гарантированное расстояние L при этом выбирается в пределах
L = (1,03 - 1,05)h
Эффективность изобретения заключается в значительном увеличении качества тепловой имитации видов военной техники, упрощении и универсализации средств в области имитационных мероприятий, возможностях расширения типажа имитируемых видов военной техники, недешифрируемости в видимом диапазоне спектра средствами визуальной оптической и фотографической разведки, повышении эксплуатационных характеристик, снижении экологических воздействий на обслуживающий персонал и окружающую среду.

Перечисленные особенности позволяют широко использовать предлагаемое устройство кроме основного назначения в области бытовой техники для обогрева различных помещений, двигателей автомобилей, теплиц и т.п. при соблюдении правил техники безопасности.

Заливка бака топливом полностью позволяет при надежной фиксации имитатора от опрокидывания вдвое увеличить время работы.

Разработана рабочая конструкторская документация, изготовлены экспериментальные образцы имитатора и проведены исследовательские испытания, подтвердившие его положительные качества.

Формула изобретения

1. Имитатор тепловой каталитический, характеризующийся тем, что он содержит выполненный в виде модуля прямоугольной формы топливный бак с каталитической насадкой, установленной в корпусе, системой запуска и фитильно-испарительной системой, включающей испарительную камеру, днище которой выполнено в виде воронки, несущей герметично установленную трубку с фитилем, соединенным с топливным баком, при этом размеры сторон топливного бака выбраны из соотношения
Н : В : А = 1 : 2 : 3,
где Н, В и А - высота, ширина и длина топливного бака соответственно,
расстояние от нижнего торца трубки до дна топливного бака составляет (1,03 - 1,05)h, где h - максимальный эксплуатационный уровень топлива в топливном баке, определяемый по формуле

где V_т(τ) - максимальный эксплуатационный расход топлива за расчетное время τ работы имитатора, определяемое по формуле

где G_т(τ) - максимальный эксплуатационный расход топлива за расчетное время работы при заданной излучаемой мощности имитатора, определяемой площадью излучающей поверхности каталитической насадки;
d_т - удельная масса топлива (бензина), причем внутренний диаметр трубки с фитилем определен по формуле d = k · S, где k - эмпирический коэффициент, связанный с формой и величиной излучающей площади каталитической насадки;
S - излучающая площадь каталитической насадки,
а полный эксплуатационный объем V_б топливного бака составляет (2,0-2,3)V_т(τ).
2. Имитатор по п.1, характеризующийся тем, что фитиль выполнен из волокнистого шнура с продольным расположением волокон.

3. Имитатор по п. 2, характеризующийся тем, что фитиль выполнен из хлопчатобумажного шнура.

4. Имитатор по п.1, характеризующийся тем, что он снабжен служащей для разделения испарительной камеры на четыре равных по объему части крестообразной опорой, верхние грани которой предназначены для формирования свода насадки.

5. Имитатор по п.1, характеризующийся тем, что снабжен установленным на топливном баке уплотнительным резиновым шнуром и выполненными за одно целое с корпусом насадки пружинящими элементами, служащими для фиксации корпуса насадки на топливном баке через уплотнительный резиновый шнур.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2