Приемное устройство для инициатора модульного метательного заряда с бесконтактным воспламенением
Владельцы патента RU 2750173:
Акционерное общество "Научно-технический центр ЭЛИНС" (RU)
Изобретение относится к взрывотехнике, к приемным устройствам инициатора для метательного заряда в каморе ствола артиллерийского орудия для безгильзовых боеприпасов. Приемное устройство для инициатора модульного метательного заряда с бесконтактным воспламенением содержит закрепленные на лафете управляющий блок питания и источник электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, связанный посредством фидерного тракта и коаксиального волновода, размещенного в канале затвора, с излучающим устройством, расположенным в каморе орудия, и помещенные в метательном заряде инициаторы. Каждый инициатор расположен радиально в модульном метательном заряде, относительно оси модульного метательного заряда, оснащен приемным устройством, преобразующим электромагнитную энергию в тепловую. Приемное устройство состоит из щелевой металлической антенны, выполненной из токопроводящей фольги на гибкой диэлектрической подложке, излучающей щели, расположенной вдоль щелевой металлической антенны, узла воспламенения, представляющего собой контактную площадку и нити накаливания, устанавливаемые в щели перпендикулярно ее оси, заключенные в обойму и залитые пиротехническим составом. Пиротехнический состав воспламеняется при их нагреве, создавая огневое воздействие на воспламенитель из дымного ружейного пороха, который в свою очередь равномерно воспламеняет метательный заряд. Обеспечивается эффективная передача мощности в низкоомную нагрузку - нить накаливания. Приемное устройство позволяет расположить инициатор перпендикулярно-радиально относительно оси модульного метательного заряда с вынесением щелевой металлической антенны приемного устройства из-под влияния воспламенителя, при этом воспламенитель располагается над узлом воспламенения. Нить накаливания выполнена в виде двух проволочек из резистивного сплава. Технический результат заключается в повышении чувствительности приемного устройства и стабилизации баллистических характеристик метаемого боеприпаса. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к взрывотехнике, а более конкретно к воспламенителям для метательного заряда в каморе ствола артиллерийского орудия для безгильзовых боеприпасов.
Уровень данной области техники (для боеприпасов раздельного заряжания, где отсутствует капсюль-воспламенитель) характеризует устройство для воспламенения метательного заряда с помощью индукции по патенту DE 1984878, в котором в затворе установлена первичная катушка индуктивности, а в заряде - вторичная катушка, окруженная взрывчатым веществом, имеется мощная система электропитания, замкнутая с первичной катушкой.
Недостатком описанного устройства является сложная настройка и ненадежность в работе из-за того, что в процессе эксплуатации возникает повышенная опасность наведения тока во вторичной катушке электромагнитных полей за счет посторонних источников и, соответственно, нештатное срабатывание системы инициирования с последующим несанкционированным подрывом боеприпаса, что недопустимо.
Более совершенным является устройство для воспламенения заряда с помощью управляемого электромагнитного излучения по патенту US №3601054, который содержит источник электромагнитного излучения СВЧ-диапазона (магнетрон), металлические инициаторы, имеющие длину, равную половине длины волны излучения, расположенные в объеме инициирующего заряда (запала), который размещен в затворе каморы и примыкает к антенне волновода, связанного с источником излучения, установленным на лафете орудия.
Источник электромагнитного излучения, связанный с блоком питания и управления процессом, в антенне волновода генерирует стоячую волну, образованную при интерференции двух бегущих волн (прямой и отраженной), амплитуды которых одинаковы, а направления распространения взаимно противоположны.
В результате наложения волн образуются пучности стоячей волны, где амплитуда максимальная, и ее узлами с нулевой амплитудой.
Расстояние между соседними пучностями или узлами стоячей волны равно половине длины волны электромагнитного излучения магнетрона.
При этом запал, заключенный в оболочку из материала, пропускающего электромагнитные волны и отражающего электромагнитное излучение, выполнен в форме, фокусирующей тепловую энергию, излучаемую при воздействии электромагнитного излучения СВЧ-диапазона распределенными металлическими инициаторами, концентрированно направляя ее на воспламенение метательного заряда.
Недостатком данного устройства является то, что технически не представляется возможным использовать его для воспламенения последовательных зарядов модульного типа, которые срабатывают неодновременно, сообщая снаряду безгильзового заряжания нестабильную скорость.
Отмеченный недостаток устранен в устройстве для воспламенения метательного заряда в каморе ствола артиллерийского оружия с безгильзовым заряжанием по патенту RU 2348004, которое содержит закрепленные на лафете источник электромагнитного излучения СВЧ-диапазона и управляющий блок питания, связанный посредством волновода, коаксиально размещенного в канале затвора, с антенной на дистальном конце, и помещенные в метательном заряде металлические инициаторы, выполненные в форме резонансного на половине длины волны излучения кольцевого элемента с разрывом.
Металлические инициаторы, распределенные в объеме чувствительного к тепловой энергии заряда, выполнены в виде резонансных кольцевых незамкнутых элементов длиной, равной половине длины излучения.
Энергия электромагнитного излучения магнетрона коаксиальной антенной передается на металлические резонаторы в модульных зарядах, где она локально усиливается, разогревая примыкающий метательный заряд до температуры воспламенения.
Недостатком описанного устройства является то, что воспламенение модульных зарядов происходит инерционно, в результате интегральной тепловой энергии, путем сложения локальных воспламенений заряда в местах примыкания к резонаторам, срабатывающим от направленного антенной электромагнитного излучения. Невысокая временная точность воспламенения метательного заряда при выстреле заметно увеличивает разброс снарядов по дальности полета.
Данная проблема успешно решается в конструкции устройства для воспламенения метательного заряда в каморе ствола артиллерийского оружия с безгильзовым заряжанием по патенту RU 2571459, выбранному в качестве прототипа, которое содержит закрепленные на лафете управляющий блок питания и источник электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, связанный посредством волновода, размещенного в канале затвора, с антенной на дистальном конце, и помещенные в метательном заряде металлические инициаторы, выполненные в форме кольцевого элемента с разрывом, выполняющего функции резонансного полуволнового излучателя. Каждый металлический инициатор оснащен преобразователем накопленной электромагнитной энергии в огневой импульс, электроды которого закреплены в разрыве кольцевого элемента. Периферийный электрод жестко соединен с установленным на диэлектрической подложке резонансного излучателя свинцовым трубчатым корпусом, несущим внутри инициирующий заряд, примыкающий к запрессованной коммутационной перемычке, которая через опорный изолятор зафиксирована на центральном электроде и электрически с ним связана нить накаливания посредством контактной микросварки. Центральный электрод в коммутационной перемычке расположен с гарантированным кольцевым зазором. Электроды в разрыве кольцевого элемента резонансного излучателя закреплены посредством твердого припоя.
Техническое решение обеспечивает прецизионную точность воспламенения метательного заряда модульного типа артиллерийских снарядов.
Оснащение кольцевых резонаторов электродами, связанными между собой нитью накаливания, позволяет повысить точность времени срабатывания метательного заряда артиллерийского боеприпаса за счет выбора расчетного резистивного сопротивления нити накаливания, помещенного внутри инициирующего заряда. Инициирующий заряд, воспламеняемый при нагреве нити накаливания, в свою очередь поджигает воспламенитель из дымного ружейного пороха, который в свою очередь воспламеняет метательный заряд.
Недостатком данного решения является то, что оно обеспечивает надежное воспламенение только при размещении на торце модульного метательного заряда согласно описанному в патенте RU №2631518.
При этом происходит неравномерное воспламенение модульного метательного заряда, особенно при низких температурах, что негативно сказывается на баллистических характеристиках выстрела. Также торцевое расположение делает инициатор уязвимым к механическому воздействию при досылке модульного метательного заряда в камору артиллерийского орудия.
Напротив, осевое расположение инициирующего устройства, является наилучшим для обеспечения равномерности процесса горения модульного метательного заряда и позволяет получить оптимальные баллистические характеристики.
При размещении данного устройства вдоль оси модульного метательного заряда на внутренней поверхности трубки его чувствительность к воздействию СВЧ электромагнитного поля резко снижается и становится недостаточной для надежного стабильного воспламенения. Это связано с тем, что порох из состава модульного метательного заряда эффективно поглощает электромагнитную энергию в СВЧ-диапазоне, в результате чего до приемного устройства инициатора, выполненного в форме кольцевого элемента с разрывом, доходит лишь небольшая часть мощности от излучаемой в камору артиллерийского орудия. Также экранирующим действием на данный инициатор обладает картуз с дымным ружейным порохом, располагаемый вдоль приемного устройства сверху обоймы (свинцовый корпус) с инициирующим составом. При торцевом размещении инициатор подвержен воздействию электромагнитного поля максимальной величины.
Для обеспечения надежной работы приемного устройства в осевом расположении требуется повысить его чувствительность, чтобы снизить влияние на его работу ослабления СВЧ-сигнала, вносимого модульным метательным зарядом и воспламенителем из дымного ружейного пороха. Данная конструкция приемного устройства для инициатора в виде так называемого петлевого полуволнового вибратора не позволяет это сделать, так как имеет входное сопротивление более 100 Ом, сопротивление нити накаливания инициатора обычно выбирается порядка 1-5 Ом. Столь низкое сопротивление нагрузки абсолютно не согласовано с применяемым типом приемного устройства. Увеличить сопротивление нити накаливания не представляется возможным, исходя из конструктивных соображений - нить становится слишком длинной. Также низкое сопротивление выбирается, исходя из соображений безопасности, так как необходимо обеспечивать защиту от случайного воспламенения инициирующего устройства под воздействием электромагнитных излучений от природных и индустриальных источников. Кроме того, петлевой полуволновый вибратор должен располагаться вдоль силовых линий электрического поля, которые для используемого с симметричной относительно оси волновода структурой типа волны E01 (TM01) (фиг. 4) вблизи оси модульного метательного заряда направлены вдоль этой оси. То есть, для антенного устройства инициатора в виде электрического вибратора, из-за затухания сигнала в материале модульного метательного заряда распределение поля вдоль проводников вибратора будет убывающим от торца к середине модульного метательного заряда. Этот факт еще больше снижает чувствительность.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение чувствительности приемного устройства при его радиальном расположении на внутренней поверхности трубки модульного метательного заряда относительно его оси, и, как следствие, стабилизация баллистических характеристик метаемого боеприпаса.
Требуемый технический результат достигается тем, что в качестве приемного устройства инициатора модульных метательных зарядов применяется щелевая металлическая антенна (фиг. 1). Щелевая металлическая антенна обладает низким входным сопротивлением, которое зависит от места включения нагрузки в щель, а потому может быть хорошо согласована с резистивными нитями накаливания 1-5 Ом. Щелевая металлическая антенна представляет собой, так называемый, магнитный вибратор, и ее необходимо располагать радиально, вдоль силовых линий магнитного поля Н, электрическое поле Е при этом должно быть направлено поперек щели (фиг. 4).
Поставленная задача решается за счет того, что приемное устройство для инициатора модульного метательного заряда с бесконтактным воспламенением содержит закрепленные на лафете управляющий блок питания и источник электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, связанный посредством фидерного тракта и коаксиального волновода, размещенного в канале затвора, с излучающим устройством, расположенным в каморе орудия, и помещенные в метательном заряде инициаторы, где каждый инициатор расположен радиально в модульном метательном заряде, относительно оси модульного метательного заряда, оснащен приемным устройством, преобразующим электромагнитную энергию в тепловую, состоящим из щелевой металлической антенны, выполненной из токопроводящей фольги на гибкой диэлектрической подложке, излучающей щели, расположенной вдоль щелевой металлической антенны и узлом воспламенения, представляющим собой контактную площадку и нити накаливания, устанавливаемые в щели перпендикулярно ее оси, заключенные в обойму и залитые пиротехническим составом, который воспламеняется при ее нагреве, создавая огневое воздействие на воспламенитель из дымного ружейного пороха, который в свою очередь равномерно воспламеняет метательный заряд.
Приемное устройство обеспечивает эффективную передачу мощности в низкоомную нагрузку - нить накаливания.
Приемное устройство позволяет расположить инициатор перпендикулярно (радиально) оси модульного метательного заряда с вынесением щелевой металлической антенны приемного устройства из-под влияния воспламенителя, при этом воспламенитель располагается над узлом воспламенения.
Нить накаливания выполнена в виде двух проволочек из резистивного сплава.
Особенностью предложенной конструкции является то, что щелевая металлическая антенна инициатора расположено радиально на внутренней поверхности модульного метательного заряда вдоль силовых линий магнитного поля волны E01 (ТМ01), перпендикулярно оси модуля (фиг. 4), что позволяет вынести рабочую область приемного устройства из-под влияния воспламенителя с дымным ружейным порохом. Данный способ расположения приемного устройства обеспечивает равномерное распределение поля вдоль рабочей области антенны - излучающей щели. Это позволяет существенно снизить влияние затухания СВЧ-сигнала в материалах модульного метательного заряда и воспламенителя на работу приемного устройства инициатора.
Также возрастание чувствительности достигается применением симметричной конструкции в виде длинной щели с установленным в середине резистивным элементом (нагрузкой) нити накаливания (фиг. 2). Каждая сторона щелевой металлической антенны при этом имеет длину, равную половине длины волны. Таким образом, в нагрузке суммируется мощность, принимаемая двумя щелевыми полуволновыми вибраторами.
В предлагаемой конструкции нить накаливания выполняется в виде двух проволочек из резистивного материала, электрически связанных с краями щели. Это позволяет существенно снизить индуктивность нити накаливания по сравнению с конструкцией из одной проволочки. Снижение индуктивности уменьшает реактивное сопротивление нагрузки и, следовательно, повышается эффективность передачи мощности от щелевой металлической антенны к нагрузке.
Сущность изобретения поясняется представленными чертежами, в которые входят следующие элементы:
1 - приемное устройство для инициатора для модульного метательного заряда (приемное устройство);
2 - диэлектрическая подложка;
3 - щелевая металлическая антенна;
4 - излучающая щель;
5 - узел воспламенения;
6 - нить накаливания;
7 - контактная площадка;
8 - обойма для пиросостава;
9 - инициатор модульного метательного заряда с бесконтактным воспламенением (инициатор);
10 - модульный метательный заряд;
11 - воспламенитель;
12 - перемычки из фольги;
Е - векторы электрического поля;
Н - окружности силовых линий магнитного поля
Приемное устройство (1) состоит из диэлектрической подложки (2) выполненной из гибкого горючего полимера; щелевой металлической антенны (3) выполненной из токопроводящей фольги; излучающей щели (4) представляющей собой рабочую область щелевой металлической антенны (3).
Приемное устройство (1) входит в состав инициатора (9), состоящего из приемного устройства (1) и узла воспламенения (5).
Нить накаливания (6), контактная площадка (7), обойма для пиросостава (8) вместе образуют узел воспламенения (фиг. 3). Обойма для пиросостава (8) выполнена из горючего пластика и содержит инициирующий пиротехнический состав. Контактная площадка (7) - место крепления нити накаливания (6), выполнена из металлического сплава. Нить накаливания (6), выполненная в виде двух проволочек из резистивного сплава, суммарным сопротивлением 1-5 Ом, является нагрузкой для щелевой металлической антенны.
Длина излучающей щели (4) выбирается равной эффективной длине волны используемого электромагнитного излучения. Эффективная длина волны означает, что необходимо учесть влияние окружающих диэлектрических материалов, а именно вносимое ими замедление сигнала, в результате чего реальная длина волны оказывается меньше, чем рассчитанная для волны типа E01 (ТМ01) в круглом волноводе с диаметром, равным диаметру каморы артиллерийского орудия. На фиг. 6 видно, что щелевая металлическая антенна (3) позволяет легко выполнять настройку посредством изменения длины излучающей щели с помощью установки перемычек из фольги (12); λисх /2 - длина половины излучающей щели, равная половине исходной длины волны до подстройки; λопт /2 - длина половины излучающей щели, равная половине некоторой оптимальной длины волны, полученной в результате подстройки.
Модульный метательный заряд (10), представляет собой цилиндр с внутренним отверстием. На фиг. 4 показано расположение инициатора (9) модульного метательного заряда (9) внутри модульного метательного заряда (10) - радиально на внутренней поверхности относительно оси модуля метательного заряда (10). Гибкая подложка приемного устройства (1) позволяет разместить инициатор (9) на поверхности внутреннего отверстия модульного метательного заряда (10) посредством приклеивания, как показано на фиг. 4, вдоль силовых линий магнитного поля волны E01 (TM01), показанных штриховыми окружностями и обозначенных, как Вектор электрического поля 
направлен перпендикулярно излучающей щели (4) вдоль подложки приемного устройства. При этом поле, имея осевую симметрию, не изменяется вдоль щели. Таким образом достигается наибольшая эффективность взаимодействия электромагнитного поля волны E01 (TM01) и приемного устройства (1) инициатора (9) (фиг. 2).
На фиг. 5 изображен оптимальный, с точки зрения обеспечения баллистических характеристик выстрела, вариант расположения воспламенителей (жгутов с дымным ружейным порохом) (11) модульного метательного заряда (10) вдоль его оси на внутренней поверхности. При этом в модульном метательном заряде (10) под каждый воспламенитель (11) устанавливается инициатор (9) модульного метательного заряда (10), для их прямого воспламенения.
На фиг. 5 наглядно показано, что щелевая металлическая антенна (3) инициатора (9) вынесена из-под воспламенителя (11), что позволяет существенно снизить влияние затухания СВЧ-сигнала в материале воспламенителя (11) на работу инициатора (9) модульного метательного заряда (10).
Функционирует устройство следующим образом
СВЧ-генератор (на фигурах не показано) формирует импульс заданной мощности. Сигнал от СВЧ-генератора передается по фидерному тракту (на фигурах не показано) к излучающему устройству (на фигурах не показано), расположенному в каморе артиллерийского орудия. Излучающее устройство формирует в каморе, как в круглом волноводе волну типа E01 (TM01) с симметричной относительно оси волновода структурой электромагнитного поля (фиг. 4), которая распространяется по каморе, достигает модульного метательного заряда (10), частично проходит через него, отражается обратно в сторону затвора, создавая коэффициент стоячей волны по напряжению порядка 1,5-2,5. Прошедший через модульный метательный заряд (10), сигнал ослабляется в материале модульного метательного заряда (10) и в дымном ружейном порохе воспламенителя (11) (порох обладает высоким тангенсом угла диэлектрических потерь) и ослабленным доходит до приемного устройства (1). Приемное устройство (1), включающее в себя щелевую металлическую антенну (3), расположенную на диэлектрической подложке (2) с излучающей щелью (4), расположенной вдоль щелевой металлической антенны (3). Инициатор (9) для воспламенения модульного метательного заряда (10) установлен радиально в модульном метательном заряде (10) относительно оси модульного метательного заряда (10). Таким образом, достигается наибольшая эффективность взаимодействия электромагнитного поля волны E01 (TM01) и приемного устройства инициатора (1).
Электромагнитная волна принимается приемным устройством (1) и наводит в нем высокочастотный ток, который, протекая через нить накаливания (6), вызывает ее нагрев до температуры воспламенения инициирующего пиротехнического состава, находящегося в обойме для пиросостава (8). Огневое воздействие инициатора (9) модульного метательного заряда (10) приводит к возгоранию воспламенителя (11) с дымным ружейным порохом, который в свою очередь поджигает модульный метательный заряд (10) (фиг. 5). Далее форс пламени, распространяясь в центральной части модульного метательного заряда (10), обеспечивает возгорание всего заряда. Горение порохового заряда создает высокое давление газов, которое воздействует на снаряд и обеспечивает его разгон в стволе артиллерийского орудия до требуемой начальной скорости на выходе из дульного среза.
Особенностью данного устройства является многоразовое использование генерирующей СВЧ-излучение системы.
1. Приемное устройство для инициатора модульного метательного заряда с бесконтактным воспламенением, содержащее закрепленные на лафете управляющий блок питания и источник электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, связанный посредством фидерного тракта и коаксиального волновода, размещенного в канале затвора, с излучающим устройством, расположенным в каморе орудия, и помещенные в метательном заряде инициаторы, отличающееся тем, что каждый инициатор расположен радиально в модульном метательном заряде относительно оси модульного метательного заряда, оснащен приемным устройством, преобразующим электромагнитную энергию в тепловую, состоящим из щелевой металлической антенны, выполненной из токопроводящей фольги на гибкой диэлектрической подложке, излучающей щели, расположенной вдоль щелевой металлической антенны и узлом воспламенения, представляющим собой контактную площадку и нити накаливания, устанавливаемые в щели перпендикулярно ее оси, заключенные в обойму и залитые пиротехническим составом, который воспламеняется при ее нагреве, создавая огневое воздействие на воспламенитель из дымного ружейного пороха, который в свою очередь равномерно воспламеняет метательный заряд.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что приемное устройство обеспечивает эффективную передачу мощности в низкоомную нагрузку - нить накаливания.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что приемное устройство позволяет расположить инициатор радиально относительно оси модульного метательного заряда с вынесением щелевой металлической антенны области приемного устройства из-под влияния воспламенителя, при этом воспламенитель располагается над узлом воспламенения.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нить накаливания выполнена в виде двух проволочек из резистивного сплава.
