Способ управления газоприходом в пороховой баллистической установке и установка для его осуществления
Владельцы патента RU 2582524:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано в пороховых баллистических установках (ПБУ). ПБУ содержит ствол для размещения в нем метаемого объекта (МО), пороховой заряд (ПЗ), зарядную камеру, соединенную с дополнительной камерой через отверстие с диаметром в зависимости от обеспечения равенства максимальных значений давлений в зарядной и дополнительной камерах в процессе разгона МО. Инициируют ПЗ, осуществляют начало газоприхода в зарядной камере, разгоняют МО в стволе под действием продуктов сгорания ПЗ, осуществляют перетекание продуктов сгорания ПЗ в дополнительную камеру, выравнивают давление в зарядной камере и дополнительной камере, осуществляют обратное перетекание продуктов сгорания из дополнительной камеры в зарядную камеру. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретения относятся к испытательной технике. Преимущественная область применения - пороховые баллистические установки, используемые в качестве разгонных устройств в стендах для испытаний конструкций на воздействие интенсивных механических нагрузок.
Известен способ управления газоприходом в пороховой баллистической установке (ПБУ) и установка для его осуществления, описанные в патенте RU 02467300, "Стенд динамических испытаний", МПК G01M 7/08 (2006.01) опубл. 20.11.2012, выбранные в качестве прототипа. Стенд динамических испытаний содержит разгонное устройство (ПБУ), включающее ствол, источник давления в виде порохового заряда, размещенного в зарядной камере, и инициирующее устройство. При подаче электрического импульса на инициирующее устройство производят воспламенение порохового заряда, начинается газоприход в зарядной камере, вследствие чего в ней увеличивается давление, под действием которого осуществляется разгон контейнера (метаемого объекта (МО)). В процессе разгона происходит нагружение размещенного в контейнере объекта испытаний (ОИ) с реализацией требуемых параметров импульса ускорения.
Длительность фронта нарастания ускорения ОИ определяется длительностью фронта нарастания давления в зарядной камере ПБУ в результате газоприхода от горения порохового заряда и газорасхода вследствие увеличения заснарядного пространства по мере разгона контейнера с ОИ.
Осуществление данного способа управления газоприходом в ПБУ, обеспечивающего нагружение ОИ, и применение реализующего его разгонного устройства не позволяет обеспечить при использовании штатных пироксилиновых порохов (ВТ, 6/7 фл, 9/7 и пр.) длительность фронта нарастания давления менее 1 мс.
Решаемой технической задачей является создание способа управления газоприходом в ПБУ и установки для его осуществления, используемой в качестве разгонного устройства в стендах для испытаний конструкций на воздействие механических нагрузок, обеспечивающих параметры, приближенные к параметрам натурного нагружения ОИ.
Ожидаемый технический результат заключается в уменьшении длительности фронта нарастания давления в зарядной камере ПБУ до требуемой (менее 1 мс) при одновременном сохранении наполненности диаграммы давления.
Технический результат достигается за счет применения способа управления газоприходом в ПБУ, включающего инициирование порохового заряда, установленного в зарядной камере, с последующим началом газоприхода в зарядной камере, разгон МО в стволе под действием продуктов сгорания порохового заряда. В отличие от прототипа в предлагаемом способе зарядную камеру ПБУ снабжают дополнительной камерой, сообщающейся с зарядной камерой. После инициирования порохового заряда в зарядной камере в ходе разгона МО осуществляют перетекание продуктов сгорания порохового заряда в дополнительную камеру, выравнивают давление в зарядной камере и дополнительной камере, затем осуществляют обратное перетекание продуктов сгорания из дополнительной камеры в зарядную камеру.
Использование дополнительной камеры, сообщающейся с зарядной камерой, позволяет производить дополнительный газорасход продуктов сгорания порохового заряда из зарядной камеры.
Перетекание продуктов сгорания порохового заряда после его инициирования из зарядной камеры в дополнительную камеру с последующим выравниванием давлений в зарядной камере и дополнительной камере позволяет разместить в зарядной камере пороховой заряд с плотностью заряжания более высокой, чем это могло бы быть при отсутствии перетекания в дополнительную камеру. Благодаря этому на начальном этапе горения порохового заряда повышается величина газоприхода в зарядной камере, что приводит к более интенсивному увеличению скорости нарастания давления и, как следствие, к общему сокращению длительности фронта его нарастания. Требуемая максимальная величина давления в зарядной камере обеспечивается за счет выравнивания процессов газоприхода и газорасхода.
Обратное перетекание продуктов сгорания из дополнительной камеры в зарядную камеру обеспечивает требуемое наполнение диаграммы давления в зарядной камере.
Технический результат достигается также за счет применения пороховой баллистической установки, содержащей ствол для размещения в нем МО, пороховой заряд, установленный в зарядной камере, средство инициирования. В отличие от прототипа ПБУ снабжена дополнительной камерой, соединенной через отверстие с зарядной камерой, при этом диаметр отверстия определен из условия обеспечения равенства максимальных значений давлений в зарядной и дополнительной камерах в процессе разгона МО.
Снабжение ПБУ дополнительной камерой, соединенной через отверстие с зарядной камерой, обеспечивает перетекание продуктов сгорания порохового заряда из зарядной камеры в дополнительную камеру, что позволяет разместить в зарядной камере пороховой заряд с плотностью заряжания более высокой, чем это могло бы быть при отсутствии перетекания в дополнительную камеру. Благодаря этому на начальном этапе горения порохового заряда повышается величина газоприхода в зарядной камере, что приводит к более интенсивному увеличению скорости нарастания давления и, как следствие, к общему сокращению длительности фронта его нарастания.
Определение диаметра отверстия из условия обеспечения равенства максимальных значений давлений в зарядной и дополнительной камерах в процессе разгона МО позволяет реализовать максимально возможную плотность заряжания в зарядной камере и соответственно сократить длительность фронта нарастания давления при сохранении наполненности его диаграммы.
Заявляемый способ управления газоприходом в ПБУ и установка для его осуществления поясняются рисунками: фиг. 1 - пример конструктивного исполнения ПБУ, фиг. 2÷5 - схемы стадий функционирования ПБУ, фиг. 6 - экспериментальные зависимости давления в зарядной камере от времени на участке нарастания с использованием дополнительной камеры и без нее ("штатная" схема метания), фиг. 7 - зависимости скорости изменения давления в зарядной камере от времени на участке нарастания с использованием дополнительной камеры и без нее ("штатная" схема метания), фиг. 8 - зависимости давления от времени в зарядной камере и дополнительной камере.
ПБУ (фиг. 1) включает в свой состав ствол 1 с установленным в нем МО 2, зарядную камеру 3, размещенный в ней пороховой заряд 4 и средство инициирования 5, в качестве которого может быть использован, например, пиропатрон. Зарядная камера 3 через отверстие 6 сообщается с дополнительной камерой 7. Диаметр отверстия 6 определен из условия обеспечения равенства максимальных значений давлений в зарядной 3 (РЗК - давление в зарядной камере) и дополнительной 7 камерах (РДК - давление в дополнительной камере) в процессе разгона МО.
Функционирование заявляемой ПБУ, обеспечивающей реализацию заявляемого способа управления газоприходом, осуществляется следующим образом.
После инициирования порохового заряда 4 (см. фиг. 2, 3) происходит нарастание давления в зарядной камере 3 за счет газоприхода от горения порохового заряда 4. При этом МО 2 начинает разгоняться, вследствие чего увеличивается объем зарядной камеры, продукты сгорания порохового заряда перетекают из зарядной камеры 3 через отверстие 6 в дополнительную камеру 7, формируя в ней давление РДК.
Для реализации требуемой максимальной величины давления в зарядной камере 3, в условиях газоперетока в дополнительную камеру 7, в ней размещают пороховой заряд 4 с плотностью заряжания более высокой, чем это могло бы быть при отсутствии перетекания в дополнительную камеру 7. Благодаря увеличенной плотности заряжания и, соответственно, большей поверхности горения пороха, величина газоприхода в зарядной камере 3 повышается. Это приводит к более интенсивному увеличению скорости нарастания давления в зарядной камере 3 и, как следствие, к общему сокращению длительности фронта его нарастания. За счет газоперетока в дополнительную камеру 7 обеспечивают требуемую максимальную величину давления в зарядной камере 3 при повышенной плотности заряжания в ней. Таким образом, газопереток в дополнительную камеру 7 компенсирует рост давления в зарядной камере 3, и при его отсутствии (газоперетока) величина максимального давления в ней, также как и ускорение разгоняемого МО 2, была бы завышена.
Диаметр отверстия 6 (⌀D) (см. фиг. 1) газоперетока определен из условия обеспечения равенства максимальных значений давлений в зарядной камере 3 и дополнительной камере 7 в процессе разгона МО 2, что, в свою очередь, обеспечивает максимально возможную плотность заряжания в зарядной камере 3 и, соответственно, минимальную длительность фронта нарастания давления. В случае если максимальное давление в дополнительной камере 7 реализуется ниже максимального давления в зарядной камере 3, можно дополнительно повысить плотность заряжания, увеличив при этом диаметр 6 газоперетока в дополнительную камеру 7.
Увеличение заснарядного пространства зарядной камеры 3 при разгоне МО 2 и перетекание части пороховых газов в дополнительную камеру 7 по мере сгорания порохового заряда 4 приводят к понижению скорости нарастания давления в зарядной камере 3 и последующему понижению давления. Давление в зарядной камере 3 (РЗК) и дополнительной камере 7 (РДК) выравниваются (см. фиг. 4), после чего, по мере понижения давления в зарядной камере 3, начинается процесс обратного перетекания (см. фиг. 5) продуктов сгорания порохового заряда из дополнительной камеры 7 в зарядную камеру 3, вследствие чего происходит наполнение зависимости давления на МО 2 от времени на участке спада.
На фиг. 6 приведены две экспериментальные зависимости давления в зарядной камере от времени на участке нарастания. Одна из них получена при применении способа управления газоприходом, выбранного в качестве прототипа ("штатная" схема метания), а другая - при использовании заявляемого способа управления газоприходом (схема метания с дополнительной камерой). Компоненты порохового заряда, а также максимальные величины давлений приблизительно одинаковы. При использовании "штатной" схемы метания длительность фронта нарастания давления τф (оценка проводилась от условного уровня 0,1 до уровня 0,9 Pmax) составляет ≈1,25 мс, а при использовании схемы метания с дополнительной камерой - ≈0,85 мс. Как можно видеть, длительность фронта нарастания давления сократилась в ≈1,5 раза.
На фиг. 7 приведены две зависимости скорости изменения давлений (dP/dt), представленных на фиг. 6, от времени. Согласно данным зависимостям при использовании заявляемого способа управления газоприходом наблюдается более интенсивный рост скорости изменения давления, который, как было сказано выше, обеспечивается благодаря более высокой плотности заряжания в зарядной камере, чем при использовании "штатной" схемы метания.
Пример экспериментальных зависимостей давления в зарядной камере и дополнительной камере от времени приведен на фиг. 8. В процессе разгона МО обеспечено равенство максимальных значений давлений (350 МПа) в зарядной камере и дополнительной камерах.
Использование заявляемых способа управления газоприходом в ПБУ и установки для его осуществления позволяет снизить длительность фронта нарастания давления в зарядной камере при сохранении наполненности диаграммы давления.
Предлагаемый способ управления газоприходом в ПБУ и установка для его осуществления успешно прошли экспериментальную проверку.
1. Способ управления газоприходом в пороховой баллистической установке (ПБУ), включающий инициирование порохового заряда, установленного в зарядной камере, с последующим началом газоприхода в зарядной камере, разгон метаемого объекта (МО) в стволе под действием продуктов сгорания порохового заряда, отличающийся тем, что зарядную камеру ПБУ снабжают дополнительной камерой, сообщающейся с зарядной камерой, после инициирования порохового заряда в зарядной камере в ходе разгона МО осуществляют перетекание продуктов сгорания порохового заряда в дополнительную камеру, выравнивают давление в зарядной камере и дополнительной камере, затем осуществляют обратное перетекание продуктов сгорания из дополнительной камеры в зарядную камеру.
2. Пороховая баллистическая установка, содержащая ствол для размещения в нем МО, пороховой заряд, установленный в зарядной камере, средство инициирования, отличающаяся тем, что снабжена дополнительной камерой, соединенной через отверстие с зарядной камерой, при этом диаметр отверстия определен из условия обеспечения равенства максимальных значений давлений в зарядной и дополнительной камерах в процессе разгона МО.
