Способ создания импульса силы и устройство для его реализации

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к способам создания импульса силы, и может найти применение в двигателях ракет, устройствах компенсации усилия отдачи и прочих энергетических установках с малым временем работы, предназначенных для создания заданных усилий. Способ создания импульса силы, включает сжигание топлива, разгон и отбрасывание инертных тел и продуктов сгорания топлива в направлении, противоположном направлению приложения силы, топливо сжигают в отдельной камере высокого давления в течение всего времени создания импульса силы, разгон инертных тел осуществляют последовательно, все инертные тела, объединенные в пакет, перемещают со скоростью, меньшей скорости отбрасывания единичного тела, которое отделяют от пакета и разгоняют до скорости отбрасывания единичного тела, обеспечивающей получение потребного импульса силы, при этом продукты сгорания топлива, используемые для перемещения и отбрасывания инертных тел, дросселируют с понижением давления. Устройство состоит из корпуса, камеры сгорания, заряда и инертных тел в виде перегородок, камера сгорания выполнена в виде отдельной камеры высокого давления, прикрепленной к корпусу, заряд помещен в камеру высокого давления, инертные тела сгруппированы в пакет, между корпусом и пакетом инертных тел образована камера низкого давления, сообщающаяся с камерой высокого давления расходными отверстиями, при этом между контактными поверхностями инертных тел и стенками корпуса сформированы локальные полости, а камера высокого давления выполнена сообщающейся с локальной полостью между пакетом и замыкающим инертным телом расходными отверстиями. Изобретение позволяет обеспечить высокую надежность, безопасность и энергетическую эффективность. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к способам создания импульса силы, и может найти применение в двигателях ракет, устройствах компенсации усилия отдачи и прочих энергетических установках с малым временем работы, предназначенных для создания заданных усилий.

Известен способ создания импульса силы [патент RU №2221979, опубликован 20.01.2004 г., бюл. №2 за 2004 г.], принятый авторами за прототип и включающий сжигание топлива, разгон и отбрасывание инертных тел и продуктов сгорания топлива в направлении, противоположном направлению приложения силы.

В известном способе после воспламенения топлива в камерах сгорания внутри них создается давление, зависящее от скорости горения топлива. Продукты сгорания топлива, расширяясь в полостях камер сгорания, давят на объект приложения силы (метаемое тело) и инертные тела. Под действием давления продуктов сгорания инертные тела приходят в движение в направлении, противоположном направлению приложения силы, при этом инертные тела, расположенные со стороны объекта приложения силы, толкают его перед собой, а замыкающее инертное тело выбрасывается.

Известный способ позволяет снизить массу топлива метательного заряда по отношению к метаемой массе.

Однако, известный способ создания импульса силы реализует активный способ метания инертных тел, т.е. основан на ряде одновременных или последовательных выстрелов, аналогичных выстрелам из артиллерийского орудия. Обеспечение больших потребных сил требует высоких скоростей отбрасывания инертных тел и скоростей истечения продуктов сгорания топлива. Для обеспечения высокой скорости отбрасывания инертных тел и продуктов сгорания топлива в камерах сгорания необходимо обеспечивать высокий уровень максимального и среднего давления. В результате при одновременном или последовательном сгорании топлива в камерах сгорания значительно возрастают силы, действующие на все элементы конструкции, а объект приложения силы (импульса силы) - метаемое тело - испытывает значительные перегрузки. Все это приводит к значительному увеличению массы конструкции, а циклический характер нагружения может привести к резонансу конструкции, что недопустимо. Кроме того, известный способ требует высокой точности обеспечения момента воспламенения топлива, так как разброс времени воспламенения в камерах сгорания приведет к нарушению расчетного режима создания силы и ее значительным разбросам по амплитуде и частоте, что также может привести к недопустимому совпадению частоты приложенной силы с собственной частотой конструкции.

Известный способ создания импульса силы реализуется устройством [патент RU №2221979, опубликован 20.01.2004 г., бюл. №2 за 2004 г.], принятым авторами за прототип, состоящим из корпуса, соединенных электрической цепью камер сгорания, образованных инертными телами в виде перегородок, зарядов, помещенных в камеры сгорания между перегородками, и воспламенителей.

В известной конструкции после подачи электроэнергии с помощью последовательно соединенных электровоспламенителей происходит одновременное либо последовательное воспламенение зарядов в камерах сгорания. Продукты сгорания, расширяясь в полостях камер сгорания, давят на корпус и перегородки. Под действием давления газов в камерах сгорания перегородки приходят в движение. В камере сгорания со стороны корпуса перегородка толкает перед собой корпус, в следующей камере перегородка давит на предыдущую камеру сгорания и т.д. В замыкающей камере сгорания перегородка со стороны объекта приложения силы давит на впереди расположенные камеры сгорания, а замыкающая перегородка выбрасывается из рабочей полости корпуса наружу.

Известная конструкция позволяет снизить массу топлива метательного заряда по отношению к метаемой массе.

Однако для создания импульса силы относительно большой величины за короткое время (сотые доли секунды) необходимо применение большого количества камер сгорания и перегородок, а также топлива с высокой скоростью горения либо тонкостенных топливных элементов. В результате в камерах сгорания будет создаваться высокое давление, обеспечивающее полное сгорание топлива за время движения перегородки в корпусе, что приведет к росту массы конструкции и увеличению перегрузок, действующих на метаемое тело, что в свою очередь приведет к увеличению массы конструкции метаемого тела.

Кроме того, в известной конструкции требуется высокоточная система воспламенения топлива, так как разброс времени воспламенения в камерах сгорания приведет к нарушению расчетного режима создания силы и ее значительным разбросам по амплитуде и частоте, что может привести к недопустимому совпадению частоты приложенной силы с собственной частотой конструкции.

Наконец, увеличение количества элементов конструкции, определяющих режим работы и выходные характеристики (заряды, воспламенители), ведет к снижению ее надежности.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка надежного, безопасного и энергетически эффективного способа создания импульса силы, а также устройства для реализации предлагаемого способа, имеющего малое отношение массы топлива к массе конструкции, малую массу конструкции, простоту и технологичность конструктивного исполнения и, как следствие, высокую надежность и энергетическую эффективность.

Поставленная задача решается способом создания импульса силы, включающим сжигание топлива, разгон и отбрасывание инертных тел и продуктов сгорания топлива в направлении, противоположном направлению приложения силы, в котором новым является то, что топливо сжигают в отдельной камере высокого давления в течение всего времени создания импульса силы, разгон инертных тел осуществляют последовательно, все инертные тела, объединенные в пакет, перемещают со скоростью, меньшей скорости отбрасывания единичного тела, которое отделяют от пакета и разгоняют до скорости отбрасывания единичного тела, обеспечивающей получение потребного импульса силы, при этом продукты сгорания топлива, используемые для перемещения и отбрасывания инертных тел, дросселируют с понижением давления.

Конструктивно поставленная задача решается устройством для создания импульса силы, состоящим из корпуса, камеры сгорания, заряда и инертных тел в виде перегородок, в котором новым является то, что камера сгорания выполнена в виде отдельной камеры высокого давления, прикрепленной к корпусу, заряд помещен в камеру высокого давления, инертные тела сгруппированы в пакет, между корпусом и пакетом инертных тел образована камера низкого давления, сообщающаяся с камерой высокого давления расходными отверстиями, при этом между контактными поверхностями инертных тел и стенками корпуса сформированы локальные полости, а камера высокого давления выполнена сообщающейся с локальной полостью между пакетом и замыкающим инертным телом расходными отверстиями.

В частном случае к камере высокого давления и к корпусу может быть прикреплен газовод, при этом газовод сообщается с камерой высокого давления и с локальной полостью между пакетом и замыкающим инертным телом расходными отверстиями. Также камера высокого давления может быть выполнена сообщающейся с локальной полостью между пакетом и замыкающим инертным телом расходными отверстиями, а камера низкого давления в этом случае сообщается с камерой высокого давления с помощью газовода и расходных отверстий.

Сжигание топлива в отдельной камере высокого давления позволяет компактно, на ограниченной длине, локализовать источник высокого давления и тем самым уменьшить количество нагруженных элементов конструкции, что позволит создать конструкцию с относительно низкой массой и повысить ее надежность. Сжигание топлива в течение всего времени создания импульса силы также позволит понизить уровень среднего и максимального давления за счет применения топлива с низкой скоростью горения либо топливных элементов с большой толщиной горящего свода.

Перемещение всех инертных тел, объединенных в пакет, с относительно низкой скоростью, меньшей скорости отбрасывания единичного тела, позволяет использовать для этого сдросселированные с понижением давления продукты сгорания заряда, что позволит уменьшить силовое воздействие на элементы конструкции и уменьшить ее массу. При этом сдросселированные продукты сгорания заряда, используемые для перемещения пакета инертных тел со скоростью, меньшей скорости отбрасывания единичных инертных тел, передают усилие на объект приложения силы от продуктов сгорания, используемых для отделения единичных инертных тел по одному от пакета и разгона до скорости, обеспечивающей получение потребного импульса силы. Продукты сгорания, используемые для отделения, разгона и отбрасывания единичных инертных тел дросселируются до давления, превышающего давление, используемое для перемещения пакета. В результате единичное инертное тело, отделенное от пакета, разгоняется до высокой скорости - скорости отбрасывания - в направлении, противоположном направлению приложения силы, за счет расширения продуктов сгорания топлива, подаваемых между ним и пакетом.

Импульс силы, создаваемый устройством, реализующим предлагаемый способ, в результате будет определяться как

где

J_F - потребная величина импульса силы;

t - время, в течение которого создается импульс силы;

F(t) - сила, прилагаемая к объекту;

m_i - масса единичного инертного тела;

V_i - скорость отбрасывания единичного инертного тела;

n - количество инертных тел в пакете.

За счет подпитки объема, по которому перемещается отделенное от пакета единичное инертное тело, продуктами сгорания заряда увеличивается среднее давление, действующее на единичное инертное тело, в результате чего возрастает скорость его отбрасывания и энергетическая эффективность устройства. В частном случае газовод обеспечивает подачу продуктов сгорания заряда из камеры высокого давления в полость между замыкающим инертным телом и пакетом инертных тел. Применение газовода также позволяет уменьшить массу конструкции, так как при относительно маленьком внутреннем диаметре газовода толщина его стенок будет незначительной. С помощью газовода также обеспечивается разнесение по длине конструкции камеры высокого давления и участка корпуса, в котором разгоняется единичное инертное тело и происходят колебания давления, в результате чего исключается резонанс и повышается надежность конструкции.

Последовательное отбрасывание инертных тел позволяет выбрасывать продукты сгорания топлива в атмосферу малыми порциями после того, как они были сдросселированы с понижением давления и расширены при перемещении замыкающего инертного тела. В результате уменьшается уровень силового воздействия высокотемпературных газов на близко расположенные объекты и повышается безопасность применения устройства.

Выходные характеристики устройства определяются параметрами только одного заряда и воспламенителя, их технологическими разбросами, в результате чего повышается надежность выполнения заданных выходных характеристик.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема реализации предлагаемого способа и устройства, а на фиг.2 и 3 - конструктивная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, с различными вариантами выполнения газовода.

Способ включает сжигание топлива 1 и последовательные разгон и отбрасывание инертных тел 3 и продуктов сгорания топлива в направлении, противоположном направлению приложения силы F. Топливо 1 сжигают в отдельной камере высокого давления 2 в течение всего времени создания импульса силы F.

Разгон инертных тел 3 осуществляют последовательно, сначала все инертные тела, объединенные в пакет, перемещают с относительно низкой скоростью V_{пакета инертных тел}, меньшей скорости отбрасывания единичного тела V_{единичного инертного тела}, которое отделяют от пакета и разгоняют до относительно высокой скорости V_{единичного инертного тела}, обеспечивающей получение потребного импульса силы. Продукты сгорания топлива, используемые для перемещения и отбрасывания инертных тел 3, дросселируют с понижением давления из камеры высокого давления через отверстия 7 и 10.

Устройство для создания импульса силы состоит из корпуса 4, заряда 5, воспламенителя 11 и инертных тел, выполненных в виде перегородок 3. Камера сгорания выполнена в виде отдельной камеры высокого давления 2 и прикреплена к корпусу 4. Заряд 5 из топлива помещен в камеру высокого давления 2. Инертные тела 3 сгруппированы в пакет. Между камерой высокого давления 2, корпусом 4 и пакетом инертных тел 3 образована камера низкого давления 6. Она сообщается с камерой высокого давления 2 расходными отверстиями 7 (в частном случае посредством газовода 8). Газовод 8 прикреплен к камере высокого давления 2 и к корпусу 4. Между контактными поверхностями инертных тел 3 и стенками корпуса 4 сформированы локальные полости 9. Камера высокого давления 2 и полость 9 между пакетом и замыкающим инертным телом 3 сообщаются между собой расходными отверстиями 10 (в частном случае посредством газовода 8).

Работа устройства, реализующего предлагаемый способ, происходит следующим образом.

С помощью воспламенителя 11 поджигается заряд 5 и продукты его сгорания поступают из камеры высокого давления 2 через расходные отверстия 7 в камеру низкого давления 6. Одновременно продукты сгорания заряда подаются из камеры высокого давления через расходные отверстия 10 по газоводу 8 в полость 9 между пакетом инертных тел 3 и замыкающим инертным телом. Под действием давления продуктов сгорания заряда, сдросселированных в камеру низкого давления 6, пакет инертных тел начинает перемещаться вдоль корпуса 4 с относительно низкой скоростью в направлении, противоположном направлению приложения силы F. Одновременно под действием давления продуктов сгорания заряда 5, сдросселированных через отверстия 10 из камеры высокого давления 2 (в частном случае по газоводу 8) в полость 9 между пакетом инертных тел и замыкающим инертным телом 3, последнее отделяется от пакета и начинает перемещаться в направлении, противоположном направлению приложения силы F, со скоростью, обеспечивающей получение потребного импульса силы. При этом пакет инертных тел замедляется, передавая усилие через продукты сгорания топлива, используемые для перемещения пакета, к объекту приложения силы, частью которого является камера высокого давления 2. После выхода из корпуса 4 замыкающего инертного тела 3 продукты сгорания заряда, с помощью которых оно разгонялось и выбрасывалось, вытесняются в атмосферу следующим инертным телом. Рабочий цикл повторяется до полного сгорания заряда и выбрасывания всех инертных тел из корпуса.

Конструктивные параметры устройства определяются в каждом конкретном случае исходя из заданных величины импульса силы и длительности силового воздействия расчетным путем и уточняются по результатам экспериментальной отработки.

Таким образом, предлагаемые способ создания импульса силы и устройство для его реализации позволяют повысить надежность, безопасность и энергетическую эффективность при малом отношении массы топлива к массе конструкции, обеспечивает малую массу самой конструкции, ее простоту и технологичность.

1. Способ создания импульса силы, включающий сжигание топлива, разгон и отбрасывание инертных тел и продуктов сгорания топлива в направлении, противоположном направлению приложения силы, отличающийся тем, что топливо сжигают в отдельной камере высокого давления в течение всего времени создания импульса силы, разгон инертных тел осуществляют последовательно, все инертные тела, объединенные в пакет, перемещают со скоростью, меньшей скорости отбрасывания единичного тела, которое отделяют от пакета и разгоняют до скорости отбрасывания единичного тела, обеспечивающей получение потребного импульса силы, при этом продукты сгорания топлива, используемые для перемещения и отбрасывания инертных тел, дросселируют с понижением давления.

2. Устройство для создания импульса силы, состоящее из корпуса, камеры сгорания, заряда и инертных тел в виде перегородок, отличающееся тем, что камера сгорания выполнена в виде отдельной камеры высокого давления, прикрепленной к корпусу, заряд помещен в камеру высокого давления, инертные тела сгруппированы в пакет, между корпусом и пакетом инертных тел образована камера низкого давления, сообщающаяся с камерой высокого давления расходными отверстиями, при этом между контактными поверхностями инертных тел и стенками корпуса сформированы локальные полости, а камера высокого давления выполнена сообщающейся с локальной полостью между пакетом и замыкающим инертным телом расходными отверстиями.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что к камере высокого давления и к корпусу прикреплен газовод, при этом газовод сообщен с камерой высокого давления и с локальной полостью между пакетом и замыкающим инертным телом расходными отверстиями.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что камера высокого давления выполнена сообщающейся с локальной полостью между пакетом и замыкающим инертным телом расходными отверстиями, а камера низкого давления сообщается с камерой высокого давления с помощью газовода и расходных отверстий.