Устройство для зажигания топлив

 

Изобретение относится к устройствам для воспламенения жидких, гелеобразных, суспензионных, а также твердых топлив. Устройство для зажигания топлив содержит заполненную топливом гильзу из электропроводящего материала, источник электрической энергии с подводящими проводами и ключом, внутренний электрод и плавкие металлические перемычки. Внутренний электрод, расположенный соосно гильзе, проходит через весь объем топлива и закреплен в днище гильзы из электроизоляционного материала. Плавкие металлические перемычки, расположенные в топливе, соединяют внутренний электрод с гильзой. Источник электрической энергии соединен одним полюсом с гильзой, а другим - через ключ с внутренним электродом. Расстояние между перемычками, расположенными у свободного конца электрода, может быть в 1,5-2 раза меньше, чем у днища гильзы. Устройство может содержать дополнительный источник электрической энергии и дополнительный трубчатый электрод, изолированный от внутреннего электрода изоляторной вставкой. Изобретение обеспечивает устойчивое квазиобъемное многоочаговое зажигание за меньшее время, чем традиционными способами зажигания, и обеспечивает последовательное зажигание различных частей заряда. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике воспламенения жидких, гелеобразных, суспензионных, а также твердых гранулированных и моноблочных топлив и, в частности, метательных зарядов в баллистических установках.

Известны устройства, использующие для зажигания топлив электрическую энергию. Простейшим из них является электрокапсюльная втулка (ЭКВ) [1,2], в которой инициирующий заряд воспламеняется нагретой спиралью при пропускании через нее электрического тока. При этом для зажигания основного заряда иногда используются огнепроводящие трубки (ОПТ) с отверстиями ("флейта") или без них [2].

Известно устройство, в котором заряд топлива зажигается плазмой, генерируемой в плазматроне и подающейся в зарядную камеру через огнепроводящую трубку с отверстиями, или взрывающуюся пластиковую трубку [3].

Наиболее близким по технической сущности и условиям применения является устройство для зажигания топлив (RU 2065562 C1, F 42 C 19/12, 20.08.1996) [4]. Устройство для зажигания топлив содержит заполненную топливом гильзу из электропроводящего материала, источник электрической энергии с подводящими проводами и ключом, внутренний электрод и волноводы-кавитаторы, закрепленные в днище гильзы, а также плавкие металлические перемычки, расположенные в топливе. Днище гильзы вы полнено из электроизоляционного материала. Устройство для зажигания топлив основано на идее создания конструкции, позволяющей в процессе инициирования не только усиливать давление вблизи воспламеняющегося объема жидких взрывчатых систем (ЖВС), но и создавать впереди фронта горения зону кавитации ЖВС.

Недостатки такого устройства заключаются в следующем: - низкий КПД использования электрической энергии; - поверхностный режим воспламенения для жидких метательных веществ; - одновременное воспламенение всех частей заряда.

Задачей изобретения является обеспечение квазиобъемного режима воспламенения для всех видов топлива, повышение КПД использования электрической энергии, уменьшение рабочего напряжения, возможность реализации последовательного воспламенения различных частей заряда и управления режимом диспергирования жидких, гелеобразных и суспензионных, а также твердых моноблочных топлив.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве, содержащем гильзу с топливом, источник электрической энергии, например, конденсаторную батарею, подводящие провода и ключ, днище гильзы с топливом выполнено из электроизоляционного материала и в нем закреплен внутренний электрод, проходящий через весь объем топлива по оси гильзы. Внутренний электрод и гильза, которая служит внешним электродом, соединены плавкими металлическими перемычками, расположенными непосредственно в топливе. Источник электрической энергии подключен одним полюсом к гильзе (внешнему электроду), а другим - через быстродействующий ключ к внутреннему электроду.

Параметры внешней цепи (начальные напряжение и энергия источника электрической энергии, общая индуктивность), материал и толщина перемычек связаны соотношением где - толщина перемычек, мм; - удельное электрическое сопротивление материала перемычек, мкОмм; U₀ - начальное напряжение источника электрической энергии, кВ; W₀ - начальная энергия источника электрической энергии, Дж; L - индуктивность электрической цепи источник электрической энергии - ключ - устройство для зажигания, мкГн.

Частота расположения перемычек увеличивается от дна гильзы к ее открытому концу так, что расстояние между перемычками на свободном конце внутреннего электрода в 1,5...2 раза меньше, чем у дна гильзы.

Устройство может иметь дополнительный источник питания с подводящими проводами и быстродействующим ключом, а также дополнительный трубчатый электрод, надетый на внутренний электрод и изолированный от него изоляторной вставкой. Дополнительный трубчатый электрод соединен с гильзой плавкими металлическими перемычками, расположенными в слое топлива, прилегающем к дну гильзы. Дополнительный источник электрической энергии одним полюсом подключен к гильзе, а другим - через быстродействующий ключ к дополнительному трубчатому электроду.

Введение электроинициирующего импульса непосредственно в объем топлива позволяет исключить из схемы воспламенения плазмотрон, что в свою очередь повышает КПД использования электрической энергии и дает возможность понизить рабочее напряжение источника электрической энергии. Использование одного или нескольких дополнительных источников энергии и дополнительных трубчатых электродов позволяет управлять временем воспламенения различных частей заряда. Изменяя частоту расположения плавких металлических элементов, можно управлять режимом воспламенения и диспергирования, а значит, и газоприходом по длине каждой части заряда.

На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения заявляемого устройства. Устройство включает заполненную топливом гильзу 1, служащую внешним электродом, днище 2 которой выполнено из электроизоляционного материала. В днище соосно закреплены внутренний электрод 3 и дополнительный трубчатый электрод 4, разделенные изоляторной вставкой 5. Внутренний электрод 3 соединен с гильзой 1 плавкими металлическими перемычками 6, дополнительный трубчатый электрод 4 соединен с гильзой 1 плавкими металлическими перемычками 7. Основной источник электрической энергии, например, конденсаторная батарея 8 одним полюсом соединена с гильзой 1, а другим - через быстродействующий ключ К1 с внутренним электродом 3. Дополнительный источник электрической энергии 9 через быстродействующий ключ К2 соединен с дополнительным трубчатым электродом 4. Нижний полузаряд, расположенный у дна гильзы и охватывающий дополнительный трубчатый электрод 4, выполнен из твердого моноблочного топлива, а верхний полузаряд, охватывающий переднюю часть внутреннего электрода 3, состоит из жидкого, гелеобразного или суспензионного топлива.

На фиг. 2 приведены экспериментальные зависимости давления на дне гильзы от времени.

Устройство работает следующим образом. После замыкания ключа К1 батарея конденсаторов 8 начинает разряжаться через плавкие металлические перемычки 6 между внутренним электродом 3 и гильзой 1. При этом между гильзой 1 и электродом 3 генерируется собственное азимутальное магнитное поле и перемычки с током под действием пондеромоторных сил начинают ускоряться в продольном направлении. Одновременно металлические перемычки 6 нагреваются электрическим током и начинают плавиться. Раскаленные капли металла и твердые фрагменты перемычек, ускоренные пондеромоторными силами, внедряются в топливо, что приводит к квазиобъемному многоочаговому воспламенению верхнего полузаряда топлива. После необходимой задержки по времени замыкается ключ К2 и батарея конденсаторов 9 начинает разряжаться через перемычки 7 между дополнительным трубчатым электродом 4 и гильзой 1. Перемычки 7 ускоряясь разрушают нижний моноблочный полузаряд, а затем расплавленные капли металла и нагретые твердые фрагменты перемычек воспламеняют топливо по всему объему. Причем меняя толщину и материал перемычек, а также интервал между ними, можно изменять степень диспергирования топлива и, следовательно, изменять величину горящей поверхности и закон газообразования по длине заряда.

Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что для квазиобъемного зажигания жидких, гелеобразных и суспензионных топлив параметры электрической цепи и характеристики перемычек должны удовлетворять неравенству

где - толщина перемычек, мм;
- удельное электрическое сопротивление материала перемычек, мкОмм;
U₀ - начальное напряжение источника электрической энергии, кВ;
W₀ - начальная энергия источника электрической энергии, Дж;
L - индуктивность электрической цепи источник электрической энергии - ключ - устройство для зажигания, мкГн.

При соответствующем выборе толщины и материала перемычек, а также значений U₀, W₀, L выполнение этого неравенства обеспечивает электровзрыв перемычек в режиме разбрызгивания жидких капель и твердых фрагментов [5].

В баллистических установках с относительно легким метаемым элементом давление на дне метаемого элемента и линейная скорость горения топлива существенно ниже, чем на дне гильзы, что приводит к недогоранию частиц топлива, движущихся непосредственно за метаемым элементом. При увеличении частоты расположения плавких металлических перемычек в передней части гильзы повышается количество очагов зажигания в единице объема топлива и в итоге уменьшается характерный размер частиц. Это приводит к увеличению газоприхода (за счет увеличения поверхности горения), что, в свою очередь, вызывает увеличение давления и скорости горения топлива. Таким образом, в данном случае время сгорания частиц топлива за метаемым элементом уменьшается не только за счет уменьшения размеров частиц, но и за счет увеличения скорости горения. Это дает возможность получать более высокие скорости метаемого элемента при неизменных максимальных давлениях в гильзе и на дно метаемого элемента.

Заявляемое устройство реализовано в модельной баллистической установке и использовалось для зажигания разнообразных зарядов, в том числе гелеобразных, суспензионных и твердых гранулированных. На установке проведено порядка 150 экспериментов с различного рода топливами. Эксперименты показали, что в предлагаемом устройстве удается зажечь составы, которые не удается воспламенить традиционными способами, например, с помощью навески дымного ружейного пороха. При этом подтверждена достаточно высокая стабильность и повторяемость процесса, а также существенное уменьшение времени воспламенения по сравнению с традиционными способами зажигания. Это видно из результатов экспериментов, представленных на фиг. 2, где приведены зависимости давления от времени в зарядной камере баллистической установки в двух опытах для одного из суспензионных топлив при одинаковых условиях заряжания. При этом дульная скорость метаемого элемента в опыте N 47 составила 1465 м/с, а в опыте N 72 - 1486 м/с. Первые всплески на экспериментальных кривых являются реакцией пьезоэлектрического датчика давления Т6000 на электроразряд и служат надежной отметкой для регистрации начала процесса.

Источники информации
1. Марьин В.К., Зеленский В.П., Орлов Б.М. и др. Пороха, ракетные твердые топлива и взрывчатые вещества.- М.: МО РФ, 1992, 201 с.

2. Кувшинов В.М., Сергеев В.В., Дубнер М.И. Работы в области внутренней баллистики отечественных малокалиберных средств вооружения //"Боеприпасы", N 5-6,1995, С 22-26.

3.Wildegger-Gaissmaier А.Е., Wren G.P. Influence of Plasma Injection Duration on the Performance of Solid Propellant Electro-Thermal Guns, pp.43-50.// In: Ballistics'95/15^th Internation Symposium on Ballistics, May 21-24, Jerusalem, Israel, 1995. -Proceedings, Vol.3, part 1. -248 p.

4. RU 2065562 C1, 20.08.1996.

5. Бурцев B.A., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. - М.: Атомиздат, 1990, 289 с.

Формула изобретения

1. Устройство для зажигания топлив, содержащее заполненную топливом гильзу из электропроводящего материала, источник электрической энергии с подводящими проводами и ключом, внутренний электрод, закрепленный в днище гильзы, которое выполнено из электроизоляционного материала, и плавкие металлические перемычки, расположенные в топливе, отличающееся тем, что внутренний электрод расположен соосно и проходит через весь объем топлива, причем плавкие металлические перемычки соединяют внутренний электрод с гильзой, а источник электрической энергии соединен одним полюсом с гильзой, а другим - через ключ с внутренним электродом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что материал и толщина перемычек выбираются из соотношения

где - толщина перемычек, мм;
- удельное электрическое сопротивление материала перемычек, мкОмм;
L - индуктивность электрической цепи источник электрической энергии - ключ - устройство для зажигания, мкГн;
W₀ - начальная энергия источника электрической энергии, Дж;
U₀ - начальное напряжение источника электрического тока, кВ.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что расстояние между перемычками, расположенными у свободного конца электрода, в 1,5-2 раза меньше, чем у днища гильзы.

4. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что устройство включает дополнительный источник электрической энергии, а на внутренний электрод надет дополнительный трубчатый электрод, изолированный от внутреннего электрода изоляторной вставкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 27.11.2005        БИ: 33/2005