Система подрыва объектов
Владельцы патента RU 2687210:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) (RU)
Система для подрыва объектов относится к электронным устройствам автоматики и может найти широкое применение как в изделиях ракетно-космической техники (РКТ), так и при проведении различного вида взрывных работ в народном хозяйстве. В изделиях РКТ пиросредства используются в качестве исполнительных элементов при запуске двигательных установок, разделении отсеков корабля, раскрытии антенн и других элементов, причем часто требуется обеспечивать одновременность подрыва группы пиросредств. Суть работы системы заключатся в том, что при подготовке к подрыву группы пиросредств проводится измерение параметров цепи подрыва и по результатам измерений каждый конденсатор в цепи управления подрывом соответствующего пиросредства заряжается до напряжения, обеспечивающего одинаковый для всех пиросредств импульс тока в цепи подрыва и тем самым одновременность подрыва пиросредств. Технический результат заключается в обеспечении оперативного контроля состояния цепей управления подрывом пиросредства и гарантированного одновременного подрыва группы пиросредств, а также в снижении требований к разбросу параметров цепей подрыва и к характеристикам источника питания для обеспечения подрывом в широком диапазоне изменений условий эксплуатации системы. 3 ил., 1 табл.
Предлагаемая система для подрыва объектов относится к электронным устройствам автоматики и может найти широкое применение как в изделиях ракетно-космической техники (РКТ), так и при проведении различного вида взрывных работ в народном хозяйстве. В изделиях РКТ пиросредства используются в качестве исполнительных элементов при запуске двигательных установок, разделении отсеков корабля, раскрытии антенн и других элементов.
Известно устройство контроля и подрыва нити пиропатрона по патенту РФ №2284056, 20.09.2006, в котором подрыв нити пиропатрона осуществляется путем подключения к ней источника напряжения, обеспечивающего необходимый импульс тока.
Недостатком указанного устройства является то, что оно не обеспечивает одновременность подрыва группы пиросредств из- за разброса параметров нитей мостиков при их последовательном включении, а также большие аппаратурные и энергетические затраты при включении их параллельно.
Известны конденсаторные взрывные машинки (Б.Н. Кутузов Взрывные работы. М. Недра. 1988 г) в которых конденсатор, заряжаемый в течение 10-20 с от маломощного первичного источника тока, вмонтированного в машинку, весьма быстро, в течение 3-4 мс разряжается в сеть (посылает импульс тока во взрывную сеть), обеспечивая условия для воспламенения электровоспламенителя.
Недостатком этого устройства является то, что для обеспечения одновременности подрыва группы пиросредств необходим тщательный подбор элементов по величине сопротивления нити мостика каждого элемента при их последовательном включении. Если же подрыв пиросредств осуществляется по параллельной схеме, то существенно возрастают аппаратурные затраты из-за необходимости обеспечения подачи на подрыв одновременно большого суммарного тока для формирования требуемого импульса тока для всех пиросредств одновременно.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является устройство «OPTICALLY TRIGGERED FIRE SET/DETONATOR SYSTEM » (Patent NO.: US 7,191,706 B2, Date of Patent: Mar. 20, 2007), в котором к каждому детонатору подается импульс тока воспламенения от собственного конденсатора через управляемый оптоэлектронный ключ.
Недостатком этого устройства является то, что при управлении группой детонаторов, параметры которых (значение сопротивления нити и величина емкости конденсатора) могут измениться во времени или из-за влияния окружающей среды (температуры, влажности и т.п.), появляется разброс времени срабатывания их.
Задачей заявляемого изобретения является создание системы подрыва группы пиросредств, обеспечивающего стабильное и очень короткое время задержки от момента подачи сигнала управления до подрыва пиросредств
Это достигается путем того, что для обеспечения одновременности подрыва к каждому пиросредству подводится одинаковый импульс тока.
Суть изобретения заключается в том, что при подготовке к подрыву группы пиросредств в системе проводится измерение параметров цепи подрыва и по результатам измерений каждый конденсатор в цепи управления подрывом соответствующего пиросредства заряжается до напряжения обеспечивающего одинаковый для всех пиросредств импульс тока в цепи подрыва.
Технический результат достигается за счет того, что в систему подрыва объектов, содержащую, n пиросредств, каждое из которых содержит конденсатор, ключ и нить детонатора, первый вывод которого подключен к первому выходу пиросредства и через ключ ко второму выводу пиросредства и первому выводу конденсатора, второй вывод которого соединен с вторым выводом нити детонатора и третьим выходом пиросредства, четвертый вывод которого подключен к управляющему входу ключа, и устройство управления подрывом, введены первый, второй и третий мультиплексоры, переключатель, измеритель сопротивлений, измеритель емкостей, блок вычислений, первый и второй блоки допускового контроля и блок заряда конденсатора, причем первые выходы всех n пиросредств подключены к соответствующим n входам первого мультиплексора, вторые выходы - к соответствующим n входам третьего мультиплексора, а третьи выходы - к соответствующим входам второго мультиплексора, выход которого соединен с первым входом переключателя и первым входом измерителя сопротивлений, ко второму входу которого подключен выход первого мультиплексора, а выход соединен с входом первого блока допускового контроля и первым входом блока вычислений, ко второму входу которого подключен вход второго блока допускового контроля и выход измерителя емкостей, с парой измерительных входов которого соединена первая пара коммутируемых входов-выходов переключателя, ко второму входу которого подключен выход третьего мультиплексора, а ко второй паре выходов его подключена пара выходов блока заряда конденсатора, вход которого соединен с выходом блока вычислений, причем первый выход устройства управления подключен к четвертым входам каждого из n пиросредства, а выходы со второго по одиннадцатый подключены, соответственно, к управляющим входам первого, второго и третьего мультиплексоров, переключателя, измерителя сопротивлений, измерителя емкостей, первого и второго блоков допускового контроля, бока вычислений и блока заряда конденсатора, а первый и второй входы устройства управления соединены с выходами первого и второго блоков допускового контроля, соответственно.
Тем самым обеспечивается оперативный контроль состояния цепей управления подрывом пиросредства и гарантированный одновременный подрыва группы пиросредств, а также в снижение требований к характеристикам источника питания для обеспечения подрыва и к разбросу параметров цепей подрыва, которые могут существенно колебаться, как во времени, так и от внешних климатических условий.
Возможность осуществления изобретения подтверждается тем, что авторами проведено полунатурное моделирование процессов проходящих в цепях управления для условий разброса значений емкостей управления и сопротивлений мостика.
На фигуре 1 приведена структурная схема системы.
где 1.1 - 1.n - нити детонатора пиросредств, имеющие активное сопротивление R1-Rn,
2.1 - 2.n - конденсаторы, обеспечивающие импульсы тока для подрыва пиросредства емкостью С1-Cn,
3.1 - 3.n - ключи, ключевые элементы для подключения Ci конденсатора к соответствующей Ri нити 4i -го пиросредства,
4.1 - 4.n - пиросредства ПС 1-ПС n, в состав которых входит Ri детонатор, содержащий воспламеняющий элемент, (нить, пленка и т.п.), Ci конденсатор для подрыва его и ключевой элемент 3i для замыкания цепи подрыва,
5 - первый мультиплексор МС5, обеспечивающий поочередное подключение цепей контроля сопротивления каждого пиросредства ПС i, ко входу измерителя активного сопротивления,
6 - второй мультиплексор МС6, обеспечивающий подключение общей точки каждого пиросредства к измерителю активного сопротивления и к переключателю,
7 - третий мультиплексор МС7, обеспечивающий поочередное подключение цепей контроля и заряда конденсатора каждого пиросредства к переключателю,
8 - переключатель П, обеспечивающий подключение цепей измерения емкости или цепей заряда (разряда) к конденсаторам 2.1 - 2.n через второй мультиплексор,
9 - измеритель ИС активного сопротивления 1.1 - 1.n нити детонатора пиросредств,
10 - измеритель емкости ИЕ конденсаторов 2.1 -2.n каждого пиросредства,
11 и 13 блоки допускового контроля БДК1 и БДК2, которые определяют выход за поле допуска контролируемых параметров сопротивления нити детонатора или емкости подрыва пиросредства, соответственно,
12 - блок вычисления БВ значений напряжения для конденсаторов подрыва пиросредств,
14- блок БЗК заряда конденсаторов, который осуществляет заряд или разряд конденсаторов подрыва каждого пиросредства,
15- устройство управления УУ, обеспечивающее синхронизацию работы блоков системы.
На фигуре 2 приведен пример реализации блока 14 заряда или разряда конденсаторов подрыва пиросредства, где
16 - аналого-цифровой преобразователь АЦП, формирующий цифровой эквивалент напряжения, находящегося на очередном, подключенном переключателем П 8 через второй и третий мультиплексоры 6 и 7, конденсаторе подрыва C2.i во время заряда (разряда) его источниками тока 19 или 20,
17 - блок памяти БП, в котором хранятся, вычисленные в блоке 12 значения напряжения, до которых должны быть заряжены соответствующие конденсаторы,
18 - схема сравнения СС, которая по команде устройства управления сравнивает текущие значения напряжения Uтi с вычисленным Uвi в БВ12 для соответствующего конденсатора и, при выполнении условия Uтi≥Uвi запирает ключ К1 в режиме заряда конденсатора подрыва, и при выполнении условия UTi≤Uвi запирает ключ К2 в режиме разряда конденсатора С 2.i подрыва,
19 и 20 - источники тока ИТ1 и ИТ2 для разряда или заряда конденсатора подрыва, соответственно, формирующие токи противоположных направлений,
21 и 22 - ключи К1 и К2, обеспечивающие подключение или отключение токов от соответствующего источника тока к конденсатору Ci подрыва.
На фигуре 3 приведена блок схема алгоритма функционирования системы подрыва объектов, где
23 - начало,
24 - проверить наличие команды на подготовку системы к подрыву,
25 - поочередно измерить активное сопротивление нити детонатора цепи подрыва R1.1 - R1.n каждого пиропатрона и занести результаты в БВ12,
26 - сравнить в блоке 11 результаты измерения параметров с допустимыми значениями и принять решение о продолжении подготовки системы к подрыву:
если сопротивление вне допустимых значений, то в УУ15 принимается решение о возможности продолжения подготовки,
а если сопротивление в пределе допустимых значений, то подготовка продолжается,
27 - поочередно измерить емкость конденсатора цепи подрыва С2.1 - С2.n каждого пиропатрона,
28 - сравнить в блоке 13 результаты измерения параметров с допустимыми значениями и принять решение о продолжении подготовки системы к подрыву:
если емкость вне допустимых значений, то в УУ15 принимается решение о возможности продолжения подготовки,
а если емкость в пределе допустимых значений, то подготовка продолжается,
29 - вычислить в блоке БВ12 для каждого конденсатора значения напряжений, до которых необходимо зарядить конденсаторы, чтобы обеспечить достаточный для подрыва импульс тока,
30 - зарядить конденсаторы до выбранных напряжений,
31 - ожидать прихода команды на подрыв группы пиросредств: если нет команды на подрыв, то перейти к 32,
если есть команда на подрыв, то перейти к 33,
32 - разрядить конденсаторы до допустимых безопасных значений, в случае отсутствия команды на подрыв пиросредств
33- произвести подрыв при наличии команды, подключив одновременно конденсаторы к соответствующим нитям детонаторов группы с помощью соответствующих ключей К 3.i,
34 - конец.
Первый выход каждого пиросредства 4i (см. фиг. 1) подключен к первому концу нити детонатора R 1.i и через ключ K 3.i к первому выводу конденсатора С2.i, который соединен со вторым выходом пиросредства, а к третьему выходу пиросредства подключены второй конец нити детонатора R 1.i и второй вывод конденсатора С 2.i. Четвертый вывод каждого пиросредства соединен с управляющим входом ключа K 3.i. Первые выходы всех n пиросредств подключены к соответствующим n входам первого мультиплексора МС1 5, вторые выходы - к соответствующим n входам третьего мультиплексора МС3 7, а третьи выходы - к соответствующим входам второго мультиплексора МС2 6. Выход второго мультиплексора МС2 6 соединен с первым входом переключателя П 8 и первым входом измерителя ИС 9, ко второму входу которого подключен выход МС1 5. Выход ИС 9 соединен с входом БДК1 11 и первым входом блока вычислений БВ12, ко второму входу которого подключен вход второго блока допускового контроля БДК2 13 и выход измерителя ИЕ 10, с парой измерительных входов которого соединена первая пара коммутируемых входов-выходов переключателя 8, ко второму входу которого подключен выход третьего МС3 7, а ко второй паре выходов его подключена пара выходов блока заряда конденсатора БЗК14. Вход БЗК14 соединен с выходом блока вычислений БВ 12. Первый выход устройства управления УУ15 подключен к четвертым входам каждого из n пиросредства 4i, а выходы со второго по одиннадцатый подключены, соответственно, к управляющим входам первого мультиплексора МС1 5, второго мультиплексора МС2 6, третьего мультиплексора МС3 7, переключателя П8, измерителя сопротивления ИС9, измерителя емкости ИЕ10, первого и второго блоков допускового контроля БДК1 11 и БДК2 13, блока вычислений БВ 12 и блока заряда конденсатора БЗК 14, а первый и второй входы УУ 15 соединены с выходами первого и второго блоков БДК 11 и БДК 13, соответственно.
На фигуре 2 приведен пример реализации блока заряда конденсатора, узлы которого соединены между собой следующим образом. Первый вход БЗК 14 подключен ко входу блока памяти БП 17, выход которого соединен с первым входом схемы сравнения СС18, управляющий вход которой подключен к управляющему входу БП17 и управляющему входу БЗК 14, а второй вход соединен с выходом ADC 16, измерительный вход которого подключен к первому выходу БЗК 14, к выходу второго ключа К2 22 и через первый ключ К1 21 к выходу первого источника тока ИТ1 19. К управляющему входу ключа 21 подключен первый выход СС18, второй выход которой соединен с управляющим входом второго ключа 22, вход которого соединен с выходом второго источника тока ИТ2 20, вход которого подключен к общей шине БЗК 14, к которой подключены также второй вход первого источника тока ИТ1, второй вход ADC 16 и второй выход БЗК 14 Система подрыва объектов работает следующим образом (см. фиг. 1 и 3).
В исходном состоянии ключевые элементы 3.1 - 3.n разомкнуты, а переключатель П8 находится в положении подключения ко входам МС3 и МС2 входов измерителя ИЕ 10. По команде УУ15 на стадии подготовки к подрыву пиросредств, мультиплексоры МС 1 и МС 2 поочередно подключают входы измерителя сопротивлений ИС 9 к нити изолятора каждого пиросредства. Результаты измерений сопротивления каждого пиросредства поступают в блок допускового контроля БДК 11, который определяет, находится ли сопротивление нити очередного пиросредства П 4.i в заданных пределах, и, если нет - то, по команде УУ15, процесс подготовки к подрыву прекращается до выяснения причин отказа, а если сопротивление в поле допуска, то результаты поступают в блок БВ 12 для хранения до получения полной информации о пиросредствах. После измерения сопротивлений нитей детонаторов всех пиросредств УУ15 подает команды на измерение емкостей С 2.i в каждом из пиросредств ПС 4.1 - ПС 4.n. Для этого мультиплексоры МС 3 и МС 2 через переключатель П8 поочередно подключают входы измерителя емкости ИЕ 10 к конденсатору каждого пиросредства. Результаты измерений емкостей конденсаторов каждого пиросредства поступают в блок допускового контроля БДК 13, который определяет, находится ли емкость конденсатора очередного пиросредства П 4.i в заданных пределах, и, если нет - то, по команде УУ15, процесс подготовки к подрыву прекращается до выяснения причин отказа, а если емкости конденсаторов в поле допуска, то результаты поступают в блок БВ 12 для вычисления по команде УУ15 значений напряжений Ui для заряда соответствующего конденсатора Ci по формуле:
где К - паспортно-заданный для выбранного типа пиросредства, импульс тока воспламенения, который является величиной импульса тока, проходящего во взрывную цепь за время подключения конденсатора t, и определяется по формуле
По следующей команде УУ15 переключатель П8 подключает выходы мультиплексоров МС7 и МС6 к соответствующим выходам блока заряда конденсаторов БЗК 14. После этого по командам УУ15 мультиплексоры МС7 и МС6 поочередно подключают конденсаторы подрыва к БЗК 14, который заряжает каждый до рассчитанного для него в блоке БВ12 напряжения. На этом подготовка к подрыву завершается. Если команда на подрыв не приходит в течении заданного интервала времени, то УУ15 устанавливает систему в исходное безопасное состояние, когда все конденсаторы подрыва имеют нулевой заряд. Для этого БЗК 14 через переключатель П8 и мультиплексоры МС7 и МС6 обеспечивает режим разряда конденсатора каждого пиросредства. Если приходит команда на подрыв выбранной группы пиросредств, то на ключи К 3.i этой группы приходит сигнал замыкания их, и на выбранных нитях формируется импульс тока, достаточный для подрыва пиросредства.
На фигуре 2 приведен пример реализации блока БЗК 14, который работает следующим образом. Через первый вход от БВ12 в блок памяти БП 17 поступают значения напряжений, до которых должны быть заряжены соответствующие конденсаторы каждого пиросредства. При подключении выходов БЗК 14 через переключатель П8 и мультиплексоры МС7 и МС6 к текущему конденсатору С 2.i пиросредства П 4.i аналого-цифровой преобразователь ADC16 измеряет потенциал на подключенном конденсаторе. Схема сравнения СС18 сравнивает текущее значение напряжения на конденсаторе с заданным, которое хранится в БП17. Если текущее значение меньше заданного, то СС18 удерживает первый ключ замкнутым, и ток от первого источника тока заряжает конденсатор по линейному закону до заданного напряжения. Когда напряжение на конденсаторе сравняется с заданным, СС18 размыкает К21. Конденсатор С 2.i считается заряженным и БЗК 14 с помощью переключателя П8 и мультиплексоров МС7 и МС6 переключается для заряда следующего конденсатора пиросредства П4.i+1. Если приходит команда на установление системы в исходное безопасное состояние, то в БП17 обнуляются значения граничных напряжений для всех конденсаторов и СС18 подключает через второй ключ К22 к выбранному конденсатору второй источник тока ИТ2 20 противоположной полярности. Процесс разряда (перезаряда) конденсатора продолжается до тех пор, когда напряжение на нем сравняется с нулем. СС18 размыкает ключ К22 и на конденсаторе устанавливается безопасное напряжение. Эта процедура повторяется с каждым подключенным к БЗК 14 конденсатором.
Причем, надо отметить, что заряд и разряд конденсаторов производится последовательно небольшим током, гарантированно исключающим случайный подрыв пиросредств.
Рассмотрим пример управления подрывом реальной группы пиросредств. Исходные данные:
- группа -20 пиропатронов,
- сопротивление нити - 3±1 Ом,
- величина емкости конденсатора подрыва - 47±10 мкФ,
- номинальный импульс тока воспламенения - 4,0 мА2сек.
Импульс тока воспламенения Кн определяется формулой (2).
Из этой формулы (при t=0) определяется значение напряжения (формула 1), до которого необходимо зарядить конденсатор С, выбранной емкости, который при разряде через сопротивление соответствующей нити образует импульс тока, необходимый для подрыва пиросредства.
Время, в течении которого выделится большая часть энергии этого импульса, определяется постоянной времени τ=RC и равно, примерно, 2.5⋅τ.
В таблице 1 приведены расчетные величины напряжения, до которого должны быть заряжены соответствующие конденсаторы при различном сочетании параметров цепи подрыва. Таблица значений напряжения заряда конденсатора для различных сочетаний параметров цепи подрыва приведена ниже
Как видно из таблицы, в приведенном примере для обеспечения постоянства импульса воспламенения во всех цепях подрыва пиропатронов группы, при существенном разбросе параметров цепи подрыва, и при худших сочетаниях параметров, значения напряжений заряда конденсаторов могут отличаться почти в два раза.
При этом время Тз заряда одного конденсатора определяется допустимым током заряда (например, 50 мА, что исключает в случае отказа ключа самоподрыв пиропатрона) и определяется по формуле:
С учетом того, что время измерения R и С (ТР и ТС) может занимать примерно столько же, то время последовательной подготовки группы из 20-ти пиропатронов будет:
Время приведения TU в исходное состояние конденсаторов, в случае отмены команды подрыва определяется постоянной времени в цепи разряда конденсатора (например, при Rp=100 Ом) будет определяться по формуле:
При выполнении этой операции последовательно с каждым конденсатором группы время TUO составит всего лишь:
Таким образом, время подготовки группы пиропатронов к подрыву в приведенном примере составит 1,5 секунд, время подрыва группы пиропатронов 5*10-6сек, а время приведения в исходное состояние составит 0,5 секунды.
Приведенный пример показывает, что заявляемая система подрыва объектов обеспечивает оперативный контроль состояния цепей управления подрывом пиросредства, оперативное приведение цепей управления в состояние готовности, одновременность подрыва группы пиросредств, снижение требований к мощности источника питания для управления подрывом и существенному снижению сечения подводящих проводов.
Система для подрыва объектов, содержащая n пиросредств, каждое из которых содержит конденсатор, ключ и нить детонатора, первый вывод которого подключен к первому выходу пиросредства и через ключ ко второму выводу пиросредства и первому выводу конденсатора, второй вывод которого соединен с вторым выводом нити детонатора и третьим выходом пиросредства, четвертый вывод которого подключен к управляющему входу ключа, и устройство управления подрывом, отличающаяся тем, что в нее введены первый, второй и третий мультиплексоры, переключатель, измеритель сопротивлений, измеритель емкостей, блок вычислений, первый и второй блоки допускового контроля и блок заряда конденсатора, причем первые выходы всех n пиросредств подключены к соответствующим n входам первого мультиплексора, вторые выходы - к соответствующим n входам третьего мультиплексора, а третьи выходы - к соответствующим входам второго мультиплексора, выход которого соединен с первым входом переключателя и первым входом измерителя сопротивлений, ко второму входу которого подключен выход первого мультиплексора, а выход соединен с входом первого блока допускового контроля и первым входом блока вычислений, ко второму входу которого подключен вход второго блока допускового контроля и выход измерителя емкостей, с парой измерительных входов которого соединена первая пара коммутируемых входов-выходов переключателя, ко второму входу которого подключен выход третьего мультиплексора, а ко второй паре выходов его подключена пара выходов блока заряда конденсатора, вход которого соединен с выходом блока вычислений, причем первый выход устройства управления подключен к четвертым входам каждого из n пиросредств, а выходы со второго по одиннадцатый подключены соответственно к управляющим входам первого, второго и третьего мультиплексоров, переключателя, измерителя сопротивлений, измерителя емкостей, первого и второго блоков допускового контроля, бока вычислений и блока заряда конденсатора, а первый и второй входы устройства управления соединены с выходами первого и второго блоков допускового контроля соответственно.
