Способ воспламенения заряда твердого топлива и пороховой аккумулятор давления для его реализации

Предлагаемое изобретение относится к области ракетной техники и может найти применение в двигателях и автономных бортовых источниках энергии - пороховых аккумуляторах давления управляемых и неуправляемых боеприпасов. Способ воспламенения заряда твердого топлива включает зажжение воспламенительного состава и дополнительного заряда-сопроводителя, перемещение их продуктов сгорания вдоль поверхности заряда, ее нагрев и воспламенение. Продукты сгорания воспламенительного состава и дополнительного заряда-сопроводителя перемешивают в камере высокого давления и формируют в струи, перемещение которых вдоль поверхности заряда производят по спирали. Оставшиеся частицы воспламенительного состава осаждают на поверхность заряда. Способ воспламенения реализуется в пороховом аккумуляторе давления, содержащем узел воспламенения, корпус с зарядом твердого топлива и резьбовую крышку, внутри которой помещен дополнительный заряд-сопроводитель. Дополнительный заряд-сопроводитель помещен в камеру высокого давления. Камера высокого давления образована стенками резьбовой крышки, установленной у переднего торца заряда, имеющего конический выступ, и перегородкой. Перегородка выполнена в виде полого усеченного конуса с глухим дном по меньшему основанию и радиальными пазами на торце, обращенного к заряду большего основания. Выступ заряда размещен внутри конуса с образованием кольцевой полости, соединенной с камерой высокого давления газоводными каналами, выполненными в направлении навстречу друг другу в дне конуса по касательной к его образующей. Изобретение позволяет повысить надежность воспламенения заряда, в частности заряда торцевого горения порохового аккумулятора давления при отрицательных температурах и наличии ограничения по чистоте продуктов сгорания. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области ракетной техники и может найти применение в двигателях и автономных бортовых источниках энергии - пороховых аккумуляторах давления (ПАД) управляемых и неуправляемых боеприпасов.

Известен способ воспламенения заряда твердого топлива [Основы теории рабочих процессов в ракетных системах на твердом топливе. Райзберг Б.А., Ерохин Б.Т., Самсонов К.П. М.: Машиностроение, 1972, с.192-196], принятый авторами за аналог, включающий зажжение воспламенительного состава электровоспламенителем, сжигание воспламенительного состава и перемещение продуктов его сгорания вдоль поверхности заряда, ее нагрев и воспламенение. При этом, при перемещении продуктов сгорания воспламенительного состава вдоль поверхности заряда, обеспечивается ее нагрев и накопление в прогретом слое топлива определенного количества тепла, достаточного для воспламенения топлива и поддержания дальнейшего процесса его горения. Воспламенение происходит при достижении на поверхности заряда температуры, характерной для каждого топлива. Учитывая, что количество тепла, поступающее от продуктов сгорания к топливу, зависит от длительности процесса воспламенения, площади омываемой продуктами сгорания воспламенительного состава поверхности и интенсивности теплоотдачи, известный способ наиболее эффективен при воспламенении зарядов значительного удлинения (L/D>3) из быстрогорящих топлив с развитой начальной поверхностью (заряды стартовых и разгонных двигателей), однако он не обеспечивает требуемой надежности при воспламенении зарядов торцевого горения маршевых двигателей и автономных бортовых источников энергии - пороховых аккумуляторов давления, изготовленных из медленно горящих топлив. В указанных энергетических узлах, при наличии ограничений по длине и калибру, практически невозможно реализовать турбулентный режим течения продуктов сгорания воспламенителя у поверхности заряда в течение длительного времени, а также значительно развить начальную поверхность горения заряда, так как при заданном уровне давления увеличение начальной поверхности горения приводит к его росту. При этом, за счет увеличения давления в начале работы и уменьшения при заданной длине заряда толщины свода, сокращается время работы указанных узлов, что явно недопустимо.

Известна конструкция порохового аккумулятора давления с малым временем работы, реализующая принятый за аналог способ воспламенения заряда твердого топлива [Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Васильев А.П., Кудрявцев В.М., Кузнецов В.А. и др. под редакцией В.М.Кудрявцева. М.: Высшая школа, 1983, с.605], состоящая из корпуса, воспламенителя, подпружиненного заряда, диафрагмы и передней крышки с соплом. Воспламенительный состав размещается в разрушаемом футляре, закрепленном на переднем дне корпуса. Заряд выполнен в виде канальной шашки, горящей по внутренней поверхности. Достоинством известной конструкции ПАДа является простота конструктивного исполнения, значительный газоприход благодаря развитой поверхности канала заряда. Однако ПАД известной конструкции имеет недостаточную надежность зажжения заряда из медленно горящего топлива при отрицательных температурах и большой разброс давления в камере в широком температурном диапазоне применения, так как при срабатывании воспламенителя его продукты сгорания и горящие частицы выбрасываются непосредственно в свободный объем камеры сгорания и далее в сопло и не обеспечивают стабильное зажжение заряда вследствие малого времени пребывания продуктов сгорания в камере. При наличии требования к содержанию в продуктах сгорания конденсированных частиц в известной конструкции ограничено применение в качестве воспламенительных составов дымного ружейного пороха и пиротехнических составов, так как в их продуктах сгорания содержится значительное количество конденсированных частиц.

Известен способ воспламенения заряда твердого топлива [Патент RU №2106510, опубликован 10.03.1995 г., бюл.№7], принятый авторами за прототип, включающий зажжение воспламенительного состава электровоспламенителем, зажжение дополнительного заряда-сопроводителя, перемещение их продуктов сгорания вдоль поверхности заряда, ее нагрев и воспламенение. Указанный способ реализуется ПАДом, содержащим узел воспламенения с электровоспламенителем и воспламенительным составом, корпус с зарядом твердого топлива и резьбовую крышку, внутри которой помещен дополнительный заряд-сопроводитель. Применение сопроводителя горения повышает надежность воспламенения заряда при пониженных температурах диапазона эксплуатации за счет увеличения времени воспламенения. Однако после поступления в камеру сгорания продукты сгорания воспламенительного состава и сопроводителя тормозятся на торце заряда и не обеспечивают интенсивной теплоотдачи в поверхность топлива. Кроме того, при ограничении длины конструкции начальный свободный объем камеры сгорания также ограничен, что значительно уменьшает время пребывания продуктов сгорания в камере и, следовательно, снижается надежность воспламенения заряда, а при отрицательных температурах не исключено даже его невоспламенение.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности воспламенения заряда, в частности заряда торцевого горения порохового аккумулятора давления при отрицательных температурах и наличии ограничения по чистоте продуктов сгорания.

Решение поставленной задачи достигается способом воспламенения заряда твердого топлива, включающим зажжение воспламенительного состава и дополнительного заряда-сопроводителя, перемещение их продуктов сгорания вдоль поверхности заряда, ее нагрев и воспламенение, в котором продукты сгорания воспламенительного состава и дополнительного заряда-сопроводителя перемешивают в камере высокого давления и формируют в струи, перемещение которых вдоль поверхности заряда производят по спирали, при этом оставшиеся частицы воспламенительного состава осаждают на поверхность заряда.

Способ реализуется пороховым аккумулятором давления, содержащим узел воспламенения, корпус с зарядом твердого топлива и резьбовую крышку, внутри которой помещен дополнительный заряд - сопроводитель, в котором дополнительный заряд - сопроводитель помещен в камеру высокого давления, образованную стенками резьбовой крышки, установленной у переднего торца заряда, имеющего конический выступ, и перегородкой, выполненной в виде полого усеченного конуса с глухим дном по меньшему основанию и радиальными пазами на торце, обращенного к заряду большего основания, при этом выступ заряда размещен внутри конуса с образованием кольцевой полости, соединенной с камерой высокого давления газоводными каналами, выполненными в направлении навстречу друг другу в дне конуса по касательной к его образующей.

Размещение дополнительного заряда-сопроводителя в камере высокого давления, образованной стенками резьбовой крышки, установленной у переднего торца заряда, и перегородкой, выполненной в виде полого усеченного конуса с глухим дном по меньшему основанию и радиальными пазами на торце обращенного к заряду большего основания, позволяет обеспечить надежное воспламенение дополнительного заряда и длительное воздействие его продуктов сгорания на основной заряд. При этом исключается возможность нерасчетного повышения давления в камере сгорания ПАДа, что ведет к повышению надежности конструкции. Газоводные каналы, выполненные в дне конуса по касательной к его образующей и направленные навстречу друг другу, обеспечивают формирование струй, их тангенциальную закрутку и спиральное перемещение относительно поверхности заряда. При этом увеличивается время пребывания продуктов сгорания воспламенительного состава и заряда-сопроводителя в камере сгорания ПАДа, реализуется турбулентный режим течения продуктов сгорания у поверхности заряда, обеспечивающий интенсивный теплообмен и формирование достаточной для устойчивого горения топлива глубины прогретого слоя, что позволяет использовать в заряде медленно горящие топлива с оптически прозрачными продуктами сгорания. Благодаря размещению газоводных каналов по касательной к образующей конуса обеспечивается несимметричный вход в них продуктов горения воспламенительного состава и заряда-сопроводителя, что позволяет в турбулентном потоке перемешать частицы воспламенительного состава и продукты сгорания заряда-сопроводителя. Конический выступ на торце заряда, размещенный внутри конуса формирует кольцевую полость, в которой осуществляется очистка продуктов сгорания и осаждение оставшихся частиц воспламенительного состава на поверхность заряда. При этом, при осаждении частиц, увеличивается теплоотдача в топливо за счет контактного теплообмена. Радиальные пазы, выполненные на торце большего основания конуса, обращенного к заряду, исключают возможность перекрытия сечений для прохода газа в случае контакта заряда с перегородкой. Это исключает возможность нерасчетного повышения давления в камере сгорания и магистралях потребителя и повышает тем самым надежность работы конструкции.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами.

На фиг.1 представлена схема, поясняющая предлагаемый способ воспламенения, на фиг.2, 3 - схемы, поясняющие конструкцию ПАДа, реализующего указанный способ.

Пороховой аккумулятор давления состоит узла воспламенения с электровоспламенителем 1, воспламенительным составом 2, корпуса 11, заряда 6, резьбовой крышки 8 с радиальными отверстиями 12. Внутри крышки 8 помещен дополнительный заряд-сопроводитель горения 4, отделенный от заряда 6 перегородкой 9. Перегородка 9 и стенки резьбовой крышки 8 образуют камеру высокого давления 3. Перегородка 9 выполнена в виде полого усеченного конуса с глухим дном 10 по меньшему основанию и радиальными пазами 14 на торце обращенного к заряду 6 большего основания. Выступ 16 заряда 6 размещен внутри конуса с образованием кольцевой полости 17, соединенной с камерой высокого давления 3 газоводными каналами 13, выполненными в направлении навстречу друг другу в дне 10 конуса по касательной к его образующей. Продукты сгорания заряда подаются из ПАДа к потребителю через фильтр 15.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом (фиг.1). После срабатывания электровоспламенителя 1 продукты сгорания воспламенительного состава 2 поступают из узла воспламенения через радиальные отверстия 12 крышки 8 и корпуса 11 в камеру высокого давления 3, образованную перегородкой 9 и стенками крышки 8. Продукты сгорания дымного ружейного пороха поджигают сопроводитель 4, перемешиваются с его продуктами сгорания и через тангенциальные газоводные каналы 13 подаются в кольцевую полость 17 в виде вращающихся относительно продольной оси заряда струй 5. Сформированные струи, вращаясь, движутся вдоль поверхности конического выступа 16 заряда 6, обеспечивая турбулентный режим течения и интенсивный подвод тепла к топливу. Очистку продуктов сгорания осуществляют путем осаждения оставшихся частиц дымного ружейного пороха на поверхность заряда 6, тем самым увеличивая теплоотдачу в топливо за счет контактного теплообмена.

Продукты сгорания заряда 6 подаются через радиальные пазы 14 из ПАДа к потребителю через фильтр 15.

Масса воспламенительного состава, сопроводителя, его геометрические размеры, количество отверстий в перегородке и конструктивные параметры заряда определяются в каждом конкретном случае расчетным путем и уточняются в процессе экспериментальной отработки.

Реализация предлагаемого изобретения позволит повысить надежность воспламенения заряда торцевого горения порохового аккумулятора давления при отрицательных температурах диапазона применения и наличии ограничения на содержание в продуктах сгорания недогорающих частиц.

1. Способ воспламенения заряда твердого топлива, включающий зажжение воспламенительного состава и дополнительного заряда-сопроводителя, перемещение их продуктов сгорания вдоль поверхности заряда, ее нагрев и воспламенение, отличающийся тем, что продукты сгорания воспламенительного состава и дополнительного заряда-сопроводителя перемешивают в камере высокого давления и формируют в струи, перемещение которых вдоль поверхности заряда производят по спирали, при этом оставшиеся частицы воспламенительного состава осаждают на поверхность заряда.

2. Пороховой аккумулятор давления, содержащий узел воспламенения, корпус с зарядом твердого топлива и резьбовую крышку, внутри которой помещен дополнительный заряд-сопроводитель, отличающийся тем, что дополнительный заряд-сопроводитель помещен в камеру высокого давления, образованную стенками резьбовой крышки, установленной у переднего торца заряда, имеющего конический выступ, и перегородкой, выполненной в виде полого усеченного конуса с глухим дном по меньшему основанию и радиальными пазами на торце обращенного к заряду большего основания, при этом выступ заряда размещен внутри конуса с образованием кольцевой полости, соединенной с камерой высокого давления газоводными каналами, выполненными в направлении навстречу друг другу в дне конуса по касательной к его образующей.