/
Автор: Тишунин И.В.
Теги: техника средств транспорта ракетная техника космическая техника энергосистемы
Год: 1970
Текст
ИЗДАТЕЛЬСТВО
«МИР»
AEROSPACE
ORDNANCE HANDBOOK
Editors
FRANK B. POLLARD
Douglas Aircraft Co., Missile and Space Systems Division
JACK H. ARNOLD, Jr.
Teledyne, Inc., McCormick Sel_ph Division
Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J.
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ
СИСТЕМЫ
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ
ТЕХНИКИ
Перевод с английского
Н. В. ОБЕЗЬЯЕВА
и канд. техн, наук М. С. ШУРА
Под редакцией
профессора И. В. ТИШУНИНА
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
Москва 1970
УДК 629.199
Книга является по существу первой попыткой системати-
зировать разрозненные сведения по вспомогательным энерго-
системам ракетно-космической техники. Она знакомит читателя
с такими устройствами, как системы зажигания ЖРД и РДТТ,
газогенераторы на твердом топливе, пироэнергодатчики, пре-
дохранительные и пусковые устройства, системы с взрывающи-
мися проволочками, замедлители, пиротехнические источники
инфракрасного излучения. Приводятся описания конструкций
этих устройств и методы расчета. Отдельная глава посвящена
методам испытаний пироэнергосистем.
Книга адресована в качестве справочного пособия научным
работникам, конструкторам и инженерам, специализирующимся
в области создания образцов ракетно-космической техники, она
представляет также интерес для преподавателей и студентов
соответствующих вузов.
Редакция литературы по новой технике
Инд. 3-3-4
*151-69
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие к русскому изданию.................................. 6
Введение ...................................................... 17
1. Боевые пиротехнические средства ............................ 21
2. Системы зажигания жидкостных ракетных двигателей............ 59
3. Системы воспламенения ракетных двигателей твердого топлива 96
4. Пироэнергодатчики ......................................... 115
5. Газогенераторы ............................................ 144
6. Предохранительные и пусковые устройства.................... 185
7. Системы с взрывающимися проволочными мостиками............. 216
8. Источники инфракрасного излучения.......................... 246
9. Пиротехнические замедлители ............................... 280
10. Кумулятивные заряды....................................... 341
11. Испытания п оценка их результатов......................... 357
Предметный указатель.......................................... 396
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Редактор О. Н. Прядкина
Художник Э. Л. Эрман. Художественный редактор В. М. Варлашин
Технический редактор М. П. Грибова. Корректор И. П. Максимова
Сдано в производство 20/VI 1969 г. Подписано к печати 13/1 1970 г. Бумага
60X901/16= 12,5 бум. л. 25 печ.'л. Уч.-изд, л. 24,36. Изд. № 20/5040. Цена 2 р. 62 к.
Зак. 1088
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР», Москва, 1-й Рижский пер., 2
Московская типография № 16 Главполиграфпрома Комитета по печати
при Совете Министров СССР.
Москва, Трехпрудный пер., 9
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
В зарубежной научно-технической литературе опубликовано
немало монографий, справочных и учебных пособий, а также ста-
тей, посвященных различным аспектам ракетно-космической тех-
ники. Однако в этих изданиях, часть из которых переведена на
русский язык, недостаточно подробно рассматривались устрой-
ства, которые условно можно отнести к вспомогательным ракетно-
космическим системам. От надежности работы этих систем в зна-
чительной степени зависит успешное выполнение программы
запуска и полета. Современные управляемые ракеты и косми-
ческие летательные аппараты характеризуются высокой степенью
автоматизации и очень жесткими требованиями к надежности
функционирования. Выполнение комплекса последовательных
операций запуска двигательных установок ускорителя, обес-
печение отсечки тяги, разделение ступеней многоступенчатых
ракет, наддув топливных баков, раскрутка турбонасосных агре-
гатов жидкостных ракетных двигателей, раскрытие панелей сол-
нечных батарей и радиоантенн, фотографирование в космосе,
отделение наружных обтекателей, срабатывание систем аварий-
ного катапультирования, выбрасывание тормозных парашютов,
сигнализация — эти и многие другие важные функции в настоя-
щее время выполняются автоматически с помощью специальных
бортовых исполнительных органов. По данным США, на борту
современной ракеты-носителя с космическим аппаратом может
находиться 200 и более отдельных устройств, относящихся
к указанным системам.
К пироэнергосистемам, как и к другим системам ракетно-кос-
мической техники, предъявляются высокие требования по обес-
печению компактности, малого веса, минимальных отклонений
рабочих характеристик от номинальных в разнообразных и тяже-
лых условиях работы в космическом пространстве. Вместе с тем
отличительной особенностью этих устройств обычно является одно-
разовость действия и наличие элементов с легковоспламеняемыми
или детонациопноспособными веществами. Поэтому преждевре-
менное срабатывание агрегатов под действием случайных импуль-
сов, радиочастотных полей или просто вследствие ошибочных
Предисловие к русскому изданию
7
решений конструкции может привести к катастрофическим послед-
ствиям.
Разработка современных вспомогательных устройств, выпол-
няющих разнообразные функции с почти 100%-ной надежностью
в условиях сверхглубокого вакуума или давлений сотен атмосфер,
в широком диапазоне температур окружающей среды, при воз-
действии вибрации, влажности, проникающего излучения и т. п.,
потребовала проведения специальных исследований. Эти иссле-
дования основаны на достижениях термохимии и внутренней
баллистики, химии и физики процессов горения и взрыва, тепло-
передачи, светотехники, теории электрических цепей, автоматики,
порошковой металлургии, материаловедения, технологии произ-
водства пиротехнических составов и порохов, методов испытаний
и статистической обработки их результатов.
Создание современных высокоэффективных пироэнергосистем
ракетно-космической техники было бы невозможно без фунда-
ментальных исследований общих вопросов теории горения и взры-
ва конденсированных систем, в которых ведущая роль принад-
лежит советским ученым [1—8].
Материалы о зарубежных разработках пироэнергосистем
ракетно-космической техники рассеяны по многочисленным фир-
менным отчетам, докладам лабораторий военного ведомства США
и другим источникам, мало доступным широким кругам специа-
листов. В связи с этим книгу «Вспомогательные системы ракетно-
космической техники» можно считать одним из первых наиболее
полных зарубежных изданий в данной области, в котором обоб-
щен послевоенный опыт соответствующих работ в ракетно-
космической промышленности США. Книга состоит из нескольких
самостоятельных разделов и написана специалистами фирм США,
производящих агрегаты пироэнергосистем: «Дуглас эйркрафт»,
«Рокетдайн», «Локхид мисайлз» и других.
Пироэнергосистемы ракетно-космической техники, рассмот-
ренные в настоящей книге, включают элементы пироавтоматики
(предохранительные и пусковые устройства, пироэнергодатчики,
пиротехнические замедлители), средства воспламенения топлива
в жидкостных и твердотопливных ракетных двигателях, газогене-
раторы на твердом топливе, инфракрасные излучатели и ряд
других устройств.
Представленный в книге материал по пиротехническим сред-
ствам (глава 1) можно с полным основанием отнести к вопросам
классической пиротехники, так как здесь рассматриваются
запальные, осветительные, дымообразующие и другие пиротех-
нические средства г) и составы. Пиротехнические устройства
') Под термином «средство» понимается пиротехнический боеприпас
и целом, который включает как элемент пиротехнический состав.
8
Предисловие к русскому изданию
нашли применение не только в авиационной и ракетно-космиче-
ской технике, но также широко используются сухопутными воору-
женными силами и ВМС многих стран.
В ракетной технике для зажигания топлива при запуске
ракетных двигателей и для инициирования специальных бортовых
взрывных устройств — ленточных пирозамков, зарядов взрывча-
тых веществ самоликвидаторов, а также пиропатронов и других
иирос.редств используются запалы и воспламенители. Важным
пиротехническим устройством считаются также замедлители,
которые относятся к элементам пироавтоматики. Некоторые
пиротехнические смеси являются наиболее компактным источни-
ком газа (кислород, водород и др.), что очень важно в космических
условиях, особенно при аварийной ситуации.
Первая глава книги носит в основном обзорный характер,
давая лишь общее представление о главных направлениях раз-
работок пиротехнических средств, хотя приведенные в ней спра-
вочные термохимические данные для большого числа окислителей
и других компонентов, входящих в пиротехнические смеси, могут
оказаться полезными при проведении практических расчетов
тепловых эффектов. Недостаточное внимание здесь уделено
принципам составления пиротехнических смесей и их физико-
химическим свойствам. Более подробно эти вопросы изложены
в монографии А. А. Шидловского [9]. Из крупных зарубежных
работ в области пиротехники можно отметить книгу Г. Эллерна
(341, в которой приведены результаты большого количества экспе-
риментальных наблюдений.
Инициирование пиротехнических элементов запалов осуще-
ствляемся различными способами. Запалы с взрывающимися про-
волочными мостиками (ВПМ) могут использоваться в системах
запуска двигателей, отсечки тяги, разделения ступеней и т. д.
ракет типа «Минитмен». Преимущества систем с ВПМ: быстрота
и одновременность срабатывания (в случае нескольких уст-
ройств), повышенные надежность функционирования и безопас-
ность (при обращении, транспортировке, сборке, проверке
системы, при воздействии блуждающих токов, радиочастотных
полей и т. д.).
Вопросам исследования механизма процессов в ВПМ и дру-
гих системах инициирования за последние годы посвящен ряд
отечественных и за рубежных работ [10—13, 31, 32]. В гл. 7
настоящей книги описаны особенности применения ВПМ в запа-
лах вспомогательных систем ракетно-космической техники, при-
веден анализ технических требований при разработке систем
с ВПМ и указаны способы их выполнения. Это придает представ-
ленным материалам четко вы раженную практическую направлен-
ность. Применение ВПМ в бортовых устройствах ракет и космиче-
Предисловие к русскому изданию
9
ских аппаратов требует сравнительно сложных блоков питания
и специальных линий передач энергии. Отметим приведенное
в книге описание цепи ВПМ для систем запуска ракетных двига-
телей, включения газогенератора, систем разделения ступеней
и отсечки тяги многоступенчатой ракеты. Изложенные в гл. 7
основы теории ВПМ носят лишь общий ознакомительный харак-
тер и в значительной степени заимствованы из сб. «Взрывающиеся
проволочки» [12].
Как известно, одним из наиболее сложных и ответственных
этапов проектирования и доводки жидкостных ракетных дви-
гателей является обеспечение запуска двигателя. Наибольшее
количество отказов (по зарубежным данным, порядка 85%)
происходит из-за неудовлетворительного запуска [14]. При этом
важной стадией запуска ЖРД считается создание первоначального
очага воспламенения топлива в камере сгорания с помощью
специальной системы зажигания. До настоящего времени пробле-
ма выбора оптимальной системы зажигания в технической лите-
ратуре освещена недостаточно. Поэтому глава 2 книги, в ко-
торой рассмотрены технические требования, характеристики
и типы различных систем зажигания, а также условия их при-
менения в ЖРД (в соответствии с представлениями специалистов
США), вызывает определенный интерес. Впервые публикуются
описания образцов конструкций пиротехнических воспламени-
телей (для ЖРД ракет «Тор», «Юпитер», «Атлас», «Сатурн») и спо-
собов технической реализации системы зажигания с использова-
нием самовоспламеняющегося компонента, а также анализ осо-
бенностей электрической системы зажигания с рекомендациями
по проектированию. Пример выбора паивыгоднейшей системы
зажигания для основного ЖРД, газогенератора и рулевого дви-
гателя служит наглядной иллюстрацией применения рекомендо-
ванных методов подхода к проблеме оптимизации.
К недостаткам содержащегося в главе 2 материала следует
отнести отсутствие методов расчета параметров и анализа меха-
низма процессов, сопровождающих воспламенение топлива
в ЖРД в зависимости от выбранной системы зажигания. Вместе
с тем за последнее время в периодических зарубежных изда-
ниях (в частности, в журнале «Ракетная техника и космонав-
тика») опубликованы результаты исследования зажигания жидких
топлив с помощью катализаторов, трифторида хлора и другими
способами [15—19].
Глава 3, сравнительно небольшая по объему, может лишь
дать представление о проблемах, возникающих при разра-
ботке воспламенителей для ракетных двигателей твердого
топлива. Это своего рода введение в проектирование подобных
систем.
10
Предисловие к русскому изданию
Выполнение технических требований и обеспечение надежного
запуска двигателя зависят от характеристик воспламенителя,
состава твердого топлива, конструкции заряда, теплообмена про-
дуктов сгорания со стенками, условий в камере сгорания и т. д.
Параметры системы воспламенения непосредственно влияют на
период прогрева твердого топлива с образованием начальной
зоны горения и на период распространения фронта пламени по
поверхности заряда. Выбор веса воспламенителя длительное время
осуществлялся лишь на основе разнообразных эмпирических
зависимостей или методом проб и ошибок при экспериментальной
отработке 1’ДТТ. За последний период, по зарубежным данным,
наметился определенный прогресс в этой области в связи с прове-
ден нем ряда углубленных экспериментальных и теоретических
исследовании механизма воспламенения твердых ракетных топлив
120 -22].
Опубликовано сравнительно мало данных о конструкциях
воспламенителей, применяемых за рубежом. Поэтому рассмот-
ренные в настоящей книге некоторые конструктивные варианты
воспламенителей, включая воспламенители пирогенного типа
(дан крупных РДТТ), могут до некоторой степени восполнить
этот пробел.
В ракетно-космической технике широко применяются газо-
генераторы на твердом топливе, вырабатывающие рабочий газ
повышенного давления и требуемой (обычно сравнительно низкой)
температуры, с минимальным содержанием конденсированной
фазы (во избежание «зашлаковки» газоводов и питаемых газом
механических устройств). Вспомогательные силовые установки
для генерирования электроэнергии на борту ракеты и раскрутки
турбонасосных агрегатов при запуске ЖРД, сервоприводы рулей
управления ракетой, питание гиросистем на горячем газе, обслу-
живание вытеснительных систем подачи топлива, источники запол-
нения газом различных наддувных конструкций — далеко не
полный перечень областей применения газогенераторов на твер-
дом топливе. Этому вопросу в книге посвящена пятая глава, где
описан ряд конструкций газогенераторов, указаны области их
.......... применения и приведена методика внутрибалли-
стического расчета подобных устройств.
Hpi...,11111в1.1ы।ым отличием газогенераторов от пиропатронов
или нпроэпергодатчиков является наличие сопла со сверхкрити-
ческнм перепадом давления, благодаря чему процесс горения
топлива в газогенераторе не зависит от уело ни й в объеме, куда
истекает газ. Но i.oik i рукцип заряда и впутрнкамерпым процес-
сам газогенераторы имеют много общего е обычными ракетными
двигателями твердого loii.iiiita. Необходимо отметить, что значи-
тельная часть этой главы содержит изложение элементарных
П редисловие к русскому изданию
И
основ внутренней баллистики силовых установок на твердом топ-
ливе. Эти вопросы более глубоко освещены в некоторых моногра-
фиях [23, 24] и периодической литературе [25]. Некоторые про-
блемы исследования процессов горения твердых топлив рассмот-
рены в докладах 1-го Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву,
состоявшегося в 1968 г. [см. 33].
Вопросам проектирования исполнительных органов пироавто-
матики в современной научно-технической литературе по ракет-
ной технике уделено мало внимания, хотя пироэнергодатчики,
предохранительные и пусковые устройства и пиротехнические
замедлители применяются очень широко.
Пироэнергодатчики используются в системах катапульти-
рования кресла пилота в современных скоростных самолетах.
По сведениям американской печати, подобные, но несколько
более сложные устройства применяются в системах спасения
космонавтов при неудачном старте. Другими примерами приме-
нения пироэнергодатчиков являются пирорезаки, пироклапаны,
пироболты, пиротолкатели, выполняющие многочисленные функ-
ции на борту ракеты или космического корабля. В главе 4 книги
рассматриваются особенности различных типов пироэнергодатчи-
ков и содержатся конструктивные схемы таких устройств, раз-
работанных фирмами «Маккормик селф ассошиэйтс», «Конскс»,
«Локхид эйркрафт». Некоторые дополнительные сведения о пиро-
энергодатчиках и других пиротехнических устройствах содержат-
ся в недавно опубликованном во Франции сборнике докладов |351.
Специальной областью пироавтоматики являются предохра-
нительные и пусковые устройства (ППУ), использование которых
в бортовых пироэнергосистемах продиктовано необходимостью
предотвращения преждевременного срабатывания последних
и обеспечения безопасного с ними обращения. В современных
многоступенчатых ракетах ППУ применяются в системах запуска
двигательных установок, реверса (отсечки тяги), разделения сту-
пеней, в самоликвидаторах. ППУ для взрывателей боевых частей
ракет, артиллерийских снарядов, авиабомб подробно описаны
в работе [26]. В механических взрывателях применяются инерци-
онные, пиротехнические и другие механизмы взведения. В связи
со спецификой применения ППУ в бортовых системах крупных
ракет разработаны специальные (нередко довольно сложные)
конструкции этих устройств, приводы которых выполнены по
механической, электропиротехнической, электромеханической или
электронной схемам. Командные сигналы ППУ получают от
Гюртовой системы управления. Система воспламенения заряда
в каждой из трех ступеней межконтинентальной баллистиче-
ской ракеты «Минитмен» снабжена ППУ с электромеханическим
приводом и имеет два запала для дублирования иниции-
12
Предисловие к русскому изданию
рования огневой цепи. Предохранительными элементами этого
ППУ являются: а) чека, удаляемая вручную на стартовой пози-
ции; б) ротор с пирозапалами, поворот которого в пусковое
положение осуществляется электродвигателем с большим крутя-
щим моментом; в) электрические разъемы и плоские двухдиско-
вые механические переключатели; г) герметизирующие сильфон-
ные клапаны. Материалы по ППУ (глава 6) изложены достаточно
подробно и дают представление о принципах проектирования
устройств этого класса.
По-видимому, ранее всего в истории разработки средств пиро-
автоматики стали использоваться пиротехнические замедлители,
которые! получили широкое применение в качестве дистанционных
трубок взрывателей артиллерийских боеприпасов. Замедлители
бортовых систем космических аппаратов, как и другие элементы
пироавтоматики, должны сохранять работоспособность в течение
не менее двух лет в условиях космических кораблей, находящихся
па околоземной или окололунной орбитах (проникающее излуче-
ние с пороговой дозой до 107 рад, резкая смена температур в диа-
пазоне +70° С, перегрузки, электрические разряды и т. д.) [27].
В соответствии с техническими требованиями допускаются откло-
нения времени срабатывания пирозамедлителей +3%. В связи
с этим для пиротехнических замедлителей были разработаны
специальные «безгазовые» и малогазовые смеси, скорость горения
которых весьма слабо зависит от давления. Этот вопрос подробно
изложен в данной книге (глава 9), где приведено большое количе-
ство составов замедлительных смесей, применяемых в США, и их
характеристики. Следует отметить, однако, что не все представ-
ленные здесь материалы равноценны. Некоторые указанные
пиротехнические составы не отвечают современным техническим
требованиям и могут представлять лишь исторический интерес.
Вопросы влияния соотношения компонентов смеси и давления
прессования, выбора материала корпуса замедлителя и рецептуры
концевого заряда (учет эффекта упреждения), а также выбора
конструктивной схемы замедлителя, рассмотренные в книге, могут
оказаться полезными при проектировании подобных устройств.
Технические требования (в соответствии со стандартом военного
ведомства США) к испытаниям пирозамедлителей служат иллю-
страцией сложного процесса отработки этих устройств. Описание
методов производства замедлителей носит несколько поверхност-
ный характер.
Источники, ..... регистрирующая аппаратура инфра-
красного излучения применяются в ракетно-космической технике
США в системах поиск;....авнгацпи, управления и связи. Новая
область применения ИГ» пал учителей — использование их на
беспилотных мишенях для (н пы таппя ракет с ИК-головками
Предисловие к русскому изданию
13
наведения, для слежения за полетом баллистических ракет и орби-
тальных космических аппаратов.
Процесс излучения при горении пиротехнической смеси харак-
теризуется определенной нестационарностью, неравномерностью
распределения температуры по объему факела излучателя, пере-
менной степенью черноты и спектрального распределения энер-
гии. Это весьма осложняет расчет характеристик ИК-излучателей,
заставляя нередко прибегать к использованию чисто эмпириче-
ских методов определения потока излучения. В связи с этим обра-
щает на себя внимание предложенная в книге (глава 8) физиче-
ская модель многоэлементного пиротехнического излучателя.
Несмотря на ряд упрощающих допущений, рассмотренный подход
позволяет получить количественную оценку и проанализировать
влияние различных параметров ИК-излучателя на его рабочие
характеристики. Менее интересны и беднее представлены мате-
риалы по приемникам ИК-излучения. Материалы такого рода,
а также описание излучателей других типов можно найти в ра-
боте [28]. Приведенные в настоящей книге соображения по пер-
спективам развития конструкций ИК-излучателей дают в извест-
ной мере представление о направлениях разработок в этой
области ведущих фирм США.
Поскольку в литературе по тепловому излучению нет единства
терминологии (определенными недостатками в этом отношении
страдает и глава 8 данной книги), при переводе была использована
терминология, предлагаемая Проектом терминологии по теории
теплообмена АН СССР.
Глава 10 («Кумулятивные заряды») по представленному мате-
риалу не совсем соответствует теме книги, поскольку здесь речь
идет главным образом о кумулятивных зарядах для боевых частей
•снарядов. Вместе с тем некоторые элементы бортовой пироавтома-
тики (ленточные пирозамки, самоликвидаторы и др.) могут содер-
жать заряды ВВ с кумулятивной выемкой. Поэтому краткое
изложение основ процесса взрыва кумулятивных зарядов может
оказаться полезным при предварительном ознакомлении с этим
вопросом. Более полное и глубокое рассмотрение механизма про-
цесса взрыва можно найти, например, в работах [2, 4, 5, 29].
Важным этапом отработки пироэнергосистем ракетно-косми-
ческой техники являются их испытания, которые проводятся
в условиях, в максимальной степени моделирующих натурные.
Эти испытания делятся на 2 основные группы: испытания без
разрушения х) и испытания, в результате которых устройство
одноразового действия либо срабатывает, либо выходит из строя,
как, например, при испытаниях на отказ. Успешное выполне-
*) По этому вопросу см. также книгу Мак-Гоннейгля [30].
14
П редисловие к русскому изданию
ние задач, поставленных перед испытаниями пироэнергоуст-
ройств, зависит не только от располагаемого оборудования,
но и от хорошо продуманного и детально составленного плана,
(программы) испытаний, опирающегося на всесторонний анализ
технического задания заказчика, тщательной документации
и высококвалифицированной статистической обработки материа-
лов. Хотя изложение этих вопросов в книге (глава 11) отражает
организацию исследовательских работ в ракетно-космической
промышленности США, однако общий подход к подготовке и про-
ведению испытаний на различных этапах отработки изделий,
используемое стендовое оборудование и требования к его харак-
теристикам, методы измерения выходной энергии пироэнерго-
устройств, техника безопасности на стендах американских фирм
представляют определенный интерес. Дополнительные материалы
по методам испытаний пиротехнических замедлителей, ИК-излу-
чатслей, систем с взрывающимися проволочными мостиками,
пусковых и предохранительных устройств содержатся в соот-
ветствующих главах настоящей книги.
При переводе книги на русский язык были исключены менее
содержательные главы —«Обеспечение качества изделий» и «Под-
водное оружие и пироэнергосистемы». Библиографический ука-
затель к главе 9 дан в сокращении, так как многие ссылки
имеют лишь косвенное отношение к материалу книги либо отно-
сятся к малодоступным фирменным отчетам. Кроме того, введение
книги (в оригинале это первая глава, имевшая название «Исто-
рия разработки топлив и их применение») дается в сокращенном
виде и ограничивается рассмотрением классификации агрегатов
вспомогательных систем ракетно-космической техники и областей
их применения.
Участие в составлении книги многих авторов, по-видимому,
обусловило определенную стилистическую неоднородность, неиден-
тичность терминологии и условных обозначений, дублирование
некоторых материалов в различных разделах. Ряд этих недостат-
ков устранен в настоящем переводе.
Книга «Вспомогательные системы ракетно-космической тех-
ники» является одним из первых зарубежных изданий, обобщив-
ших научно-технический опыт фирм США в этой новой, быстро
развивающейся области техники. Поэтому данная книга может
быть полезна как специалистам, занимающимся разработкой
и эксплуатацией пироэнергосистем ракет и космических аппара-
тов, так и студентам и преподавателям высших учебных заведе-
ний. Более того, поскольку функционирование агрегатов пиро-
энергосистем неразрывно связано с действием большинства других
бортовых систем летательных аппаратов (двигательных уста-
новок, системы управления и т. д.), достаточно полное представ-
Предисловие к русскому изданию
15
ление о рабочих характеристиках этих устройств необходимо
всем специалистам, работающим в области ракетно-космической
техники.
М. Шур
ЛИТЕРАТУРА
1. Зельдович Я. Б., Компанеец А. С., Теория детонации,
Гостехиздат, М., 1955.
2. Б а у м ф. А., Станюкович К. П., III е х т е р Б. К., Физика
взрыва, Физматгиз, М., 1959.
3. Андреев К. К., Беляев А. Ф., Теория взрывчатых веществ,
Оборонгиз, М., 1960.
4. «Теория взрывчатых веществ», под ред. проф. Андреева К. К., Обороп-
гиз, М., 1963.
5. «Теория взрывчатых веществ», под ред. Андреева К. К., изд-во «Высшая
школа», М., 1967.
6. Б а х м а н Н. Н., Беляев А. ф., Гетерогенное горение конденси-
рованных систем, изд-во «Наука», М., 1967.
7. Б е л я е в А. Ф., Горение, детонация и работа взрыва конденсирован-
ных систем, изд-во «Паука», М., 1968.
8. Андреев К. К., Термическое разложение и горение взрывчатых
веществ, изд-во «Наука», М., 1966.
9. Ши дл о в ск ий А. А., Основы пиротехники, изд. 3-е (дополненное),
изд-во «Машиностроение», М., 1964.
10. К в а р ц х а в а И. Ф. и др., ЖЭТФ, 30, 42—53 (1956); ЖЭТФ, 31,
737—744 (1956).
И. Лебедев С. В., ЖЭТФ, 26, 629—639 (1954); 27, 605-614 (1954);
32, 199-207 (1957).
12. Взрывающиеся проволочки, ИЛ, М., 1963.
13. Электрический взрыв проводников, изд-во «Мир», М., 1965.
14. В а с и л ь е в А. П., Кудрявцев В. М. и др., Основы теории
и расчета жидкостных ракетных двигателей, изд-во «Высшая школа»,
М., 1967.
15. Робертс и др., Запуск больших кислородо-водородных двигателей
при помощи катализатора, Вопросы ракетной техники, № 8, 1967.
16. Германе и др., Воспламенепие горючего в нагретом неподвижном
газе, содержащем окислитель, Ракетная техника и космонавтика, № 9,
1965.
17. Расторги и др., Воспламеняемость невоспламеняющихся ракетных
топлив в присутствии перманганата калия, Ракетная техника и космо-
навтика, № 3, 1965.
18. Сендерн и др., Воспламенение водородо-кислородной топливной
смеси с помощью трифтористого хлора, Ракетная техника и космонавти-
ка, № 4, 1967.
19. С и м е н з и др., Разработка фундаментальной модели самовоспламене-
ния топлива в двигателях в условиях вакуума, Ракетная техника
и космонавтика, № 9, 1967.
20. Прайс и др., Теория воспламенения твердых топлив, Ракетная техни-
ка и космонавтика, № 7, 1966.
21. Келлер и др., Воспламенение смесевых твердых топлив на основе
перхлората аммопия с помощью конвективного пагрева, Ракетная техни-
ка и космонавтика, № 8, 1966.
22. М а к-Э левии др., Распространение пламени по поверхности воспла-
меняемого твердого топлива и топливных ингредиентов ракетного двига-
теля. Ракетная техника и космонавтика, № 2, 1967.
16
Предисловие к русскому изданию
23. С о р к и н Р. Е., Г азотермодинамика ракетных двигателей на твердом
топливе, изд-во «Наука», М., 1967.
24. М а з и н г Г. Ю., Орлов Б. В., Термодинамические и баллистиче-
ские основы проектирования ракетных двигателей на твердом топливе,
изд-во «Машиностроение», М., 1968.
25. Саттон и др., Твердые топлива для газогенераторов, Вопросы ракет-
ной техники, № 4, 1968.
26. Дорофеев А. Н-, Взрыватели ракет, Воениздат, М., 1963.
27. Брауэр, Пиротехнические устройства для космических аппаратов,
Вопросы ракетной техники, № 10, 1969 г.
28. Марголин И. А., Румянцев Н. П., Основы инфракрасной
техники, Воениздат, М., 1955.
29. Лаврентьев М. А., Кумулятивный заряд и принципы его работы,
Успехи математических наук, 12, вып. 4, 1957.
30. Мак-Гоннейгль У., Испытания без разрушения, изд-во «Маши-
ностроение», М., 1965.
31. Л у р ь е И. А., Электрическое взрывание зарядов, М., гос. изд. лите-
ратуры по горному делу, 1963.
32. Т о л с т ы х Н. Д., Пав лыш Б. II., О механизме воспламенения
электровоспламенителя промышленных электродетонаторов, Физика горе-
ния и взрыва, Новосибирск, изд-во «Наука», № 4, 1968.
33. Н о в и к о в С. С., П о х и л П. Ф., Рязанцев Ю. С., Совре-
менные представления о механизме горения конденсированных систем
(обзор), Физика горения и взрыва, Новосибирск, изд-во «Наука», № 4,
1968.
34. Е 11 е г в Н., Modern Pyrotechnics, Chemical Publishing Co, N.Y., 1961;
дополненное издание 1968.
35. Utilisation des elements pyrotechniques et explosifs dans les systemes
spatiaux, Centre National D’etudes Speciales, Paris, 1969.
ВВЕДЕНИЕ1)
Поллард Ф. (Franc В. Pollard)
Дух поиска привел человечество на порог космической эры
и освоения новых областей околоземного пространства. Достиг-
нуты гигантские успехи в запуске автоматических и пилотируе-
мых искусственных спутников Земли. Успехи и неудачи научили
нас многому. Теперь можно сказать, что в течение ближайших
десятилетий будут созданы ракеты, способные вывести в космиче-
ское пространство объекты неизмеримо большего веса по срав-
нению с существующими при обеспечении почти 100%-ной надеж-
ности функционирования основных и вспомогательных систем.
Вместе с тем при разработке очень крупных ракет-носителей зна-
чительно возрастет потребность во вспомогательных управляе-
мых энергоустройствах минимальных габаритов и веса, имеющих
высокую надежность. В настоящее время эти устройства приме-
няются в новой развивающейся области вспомогательных систем
ракетно-космической техники. Подобные управляемые устройства,
работающие на химических источниках энергии, имеют значи-
тельные преимущества перед системами другого типа при равных
габаритах и весе благодаря возможности широкого их применения
в ракетных системах, высокой надежности (порядка 99,9%),
а также максимальной (за исключением ядерных источников)
энергии с единицы объема или веса. Эти устройства практически
мгновенно срабатывают, их можно хранить в течение длительного
периода времени и использовать в различных условиях.
По своей природе вспомогательные энергоустройства являют-
ся устройствами одноразового действия. Они не могут быть испы-
таны перед использованием, что требует тщательного проектиро-
вания и отработки, а также высокой точности изготовления.
Вспомогательные энергосистемы и их элементы находят очень
широкое применение (табл. 1) в ракетно-космической технике.
Так, например, одна ракетная система может иметь более
200 энергоустройств этого типа (табл. 2).
г) Дается в сокращенном виде.
Тио.ища 1
Некоторые наиболее важные вспомогательные энергоустройства,
используемые в ракетно-космической технике
Системы Краткая характеристика Применение
Воспламените- ли Система зажигания состоит из инициатора и горючего состава типа пиротехни- ческой смеси или твердо- го топлива. При срабаты- вании этой системы обра- зуется поток горячих ча- стиц, газ и форс пламени Для запуска РДТТ, ЖРД и газогенераторов
Инициаторы Делятся на три группы: за- палы, к&псюли и детона- торы. Запалы создают форс пламени при незна- чительной бризантности. Капсюли создают форс пламени, сопровождаемый бризантным действием. При срабатывании дето- наторов образуются удар- ные волны, движущиеся с высокой скоростью Капсюли и запалы служат для приведения в действие вос- пламенителей пиропатронов, газогенераторов, ракетных двигателей, трассеров и сиг- нальных устройств. Детонато- ры используются для иниции- рования бризантных ВВ, приведения в действие пиро- болтов, ленточных ппрозам- ков и других устройств
Пиропатроны Состоят из инициатора (за- пала пли капсюля) и ос- новного заряда, содержа- щего газогенерирующую смесь Для наддува горячим газом си- стем, приводящих в действие поворотные приводы и приво- ды поступательного переме- щения; в пироклапанах; раз- мыкателях; устройствах для разделения ступеней, реверса и отсечки тяги; механизмах сцепки и расцепки; толкате- лях; устройствах для удаления чеки, резки тросов
Передаточные заряды Создают сильные ударные волны для детонации бри- зантных В В Для инициирования пентрито- вого детонирующего шнура, в самоликвидаторах, в слабо детонирующих взрывателях, гибких линейных зарядах и в других системах с бризант ным В В
Продолжение табл. 1
Системы
Краткая характеристика
Применение
' Пироболты
С дроблением и без дробле-
ния. Стандартные болты
или болты специального
типа. Заряд В В являет-
ся либо составным эле-
ментом пироболта, либо
монтируется отдельно
Газогенераторы
Используются для получе-
ния горячего или холод-
ного газа заданного дав-
ления. Представляют со-
бой но существу неболь-
шие ракетные двигатели,
состоящие из заряда топ-
лива, запала, воспламе-
нителя и соплового бло-
ка
Источники ин-
фракрасного
излучения
Трассеры
Содержат пиротехнические
смеси для создания ин-
тенсивных потоков тепло-
вой энергии и электро-
магнитного излучения
Являются источниками ин-
тенсивного светового п
инфракрасного излуче-
ния, а также дыма
Для отделения ступеней и го-
ловной части ракет, старто-
вых ускорителей; обеспече-
ния схода с ракетных теле-
жек; систем отсечки и реверса
тяги; сбрасывания различ-
ных устройств; раскрытия сол-
нечных батарей и аптенн; от-
деления ракеты от носителя;
для самоликвидаторов
Для вспомогательных силовых
установок бортовых энерге-
тических систем; гидравли-
ческих насосов; раскрутки ги-
роскопов п турбогенераторов;
систем подачи топлива в
ЖРД; привода гидравличе-
ских аккумуляторов; си-
стем кипения, обеспечения
плавучести, воспламенения
твердых и жидких топлив
Для систем слежения за раке-
тами, спутниками, космиче-
скими аппаратами; систем сле-
жения за целью; при тари-
ровке приборов и оптиче-
ских систем
Для визуального слежения; ос-
вещения цели; инфракрасных
головок самонаведения; созда-
ния помех и обнаружения
целей
2*
Таблица 2
Типичные области применения вспомогательных энергоустройств
ракетно-космической техники
Объекты
Спутники и
космические
корабли
Управляемые
снаряды и
ракеты
Самолеты и
Другие
устройства
Назначение
Для раскрытия солнечных батарей, антенн, штанг датчи-
ков, парашютов; запуска и выключения корректирующих
двигателей; отделения капсул; включения аппаратуры си-
стем ориентации; приведения в действие устройств для уда-
ления предохранительной чеки, срезания штифтов, осво-
бождения захватов и т. д.; раскрытия посадочных устройств;
включения систем спасения и систем обеспечения плавуче-
сти; катапультирования; самоликвидации; слежения за
целью; наддува пневматических, гидравлических и элек-
трических систем; отделения ступеней или модульных
отсеков
Для разделения ступеней; отделения обечаек; зажигания
основных и рулевых ракетных двигателей; реверса и от-
сечки тяги; самоликвидации; катапультирования контей-
неров с аппаратурой; предстартовых испытаний; срабаты-
вания отрывных разъемов; приведения в готовность бое-
вой части; продувки; привода вспомогательных силовых
установок бортовых энергетических систем, гидравлических
насосов, генераторов, гироскопов, турбогенераторов; вклю-
чения электрических систем, толкателей, замков, захва-
тов, срезающихся штифтов, а также повторного запуска
Для запуска реактивных двигателей, раскрытия парашю-
тов, катапультирования кресла пилота, сбрасывания бомб,
систем управления полетом, обеспечения плавучести, вклю-
чения механизма выстреливания тормозного парашюта,
схода с ракетных тележек, трассеров, катапульт для
пуска ракет, отделения подвесных баков
1
БОЕВЫЕ ПИРОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
Робертс Л. (Lee Roberts)
Современные пиротехнические устройства, используемые для
военных целей и в промышленности, изготавливаются высоко-
квалифицированными специалистами в строго контролируемых
условиях при тщательном выполнении каждой фазы проектирова-
ния и производства. Существующие методы технологии производ-
ства позволяют обеспечить более высокие выходные характери-
стики изделий и повысить их надежность. О высокой надежности
пиротехнических устройств свидетельствует тот факт, что они шире
применяются в космической технике, чем электрическиеустройства.
Пиротехника вступает в новую эру своего развития, и в бли-
жайшее время от конструкторов потребуется знание по крайней
мере ее основ. Сведения, представленные в этой главе, конечно,
не дают ответа на все вопросы, которые могут возникнуть при
проектировании систем с использовапиемпиротехнических средств.
Однако они могут послужить ценным справочным материалом
в ряде случаев, когда будет признано необходимым использование
пиротехнических устройств.
В данной главе пиротехнические средства будут классифици-
рованы по их эффекту как:
запальные,
осветительные,
дымообразующие,
газогеперирующие,
имитационные,
воспламенительные и зажигательные,
v, замедлительные.
Кроме того, в ней приводятся примеры расчета основных
характеристик этих средств.
ЗАПАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА
Запалом называется устройство, которое после получения
сигнала на включение преобразует его энергию и инициирует
экзотермическую химическую реакцию одного или нескольких
химических элементов или соединений, содержащихся в запале
22
Глава 1
или находящихся в контакте с ним. Обычно этот инициирующий
сигнал является механическим или электрическим. В электро-
запалах электрическая энергия преобразуется в тепло при про-
хождении тока через сопротивление, которое может быть хоро-
шим проводником, полупроводником или плохим проводником.
В механических запалах механическая энергия преобразуется
в тепло за счет удара, трения или сочетания этих эффектов.
Электрозапалы обладают рядом преимуществ по сравнению
с механическими, поскольку электрическая энергия легко гене-
рируется, аккумулируется, усиливается, а расход ее регулирует-
ся. Сравнивая величины энергии, потребные для срабатывания
запалов электрического и механического (ударного, накольного
и фрикционного) действия, легко установить определенные
преимущества запалов первого типа. Они срабатывают при
величине энергии входного сигнала 100 эрг, которую нетрудно
обеспечить, в то время как для срабатывания механических запа-
лов требуется по крайней мере энергия, равная 50 000 эрг.
В ряде случаев это предопределяет выбор запала, особенно если
располагаемая энергия инциирования очень мала. Однако в дру-
гих случаях высокая чувствительность электрозапалов может
стать их определяющим недостатком из-за возможности случай-
ного срабатывания вследствие утечек электричества через изоля-
цию проводов к запалу, а также при воздействии электростатиче-
ских разрядов и высокочастотных электромагнитных полей.
Другое важное преимущество электрозапалов состоит в том,
что вследствие высокой скорости преобразования электрического
сигнала они срабатывают практически одновременно независимо
от расстояния или количества запалов.
Хотя электрозапалы имеют в ряде случаев определенные
преимущества, они не лишены некоторых недостатков. Ясно,
что устройства, в которых используются электрозапалы, должны
иметь источник энергии, необходимый для воспламенения запала.
В дополнение к источнику энергии устройство содержит электри-
ческие цепи. К наиболее существенным недостаткам электрозапа-
лов относится возможность случайного срабатывания под дей-
ствием блуждающих токов.
В тех случаях, когда нецелесообразно применять электрозапа-
лы, следует использовать механические запалы благодаря про-
стоте их конструкции, легкости изготовления и надежности.
ЭЛЕКТРОЗАПАЛЫ
По своей конструкции и внешнему виду электрозапалы очень
разнообразны в зависимости от выполняемой ими функции
в ракетно-космической технике.
Боевые пиротехнические средства
23
Двадцать лет назад конструкции большинства электрозапалов
практически были одинаковыми. Эти запалы обычно состояли
из проводников, или контактов, запрессованных в изолированную
втулку. К контактам прикреплялся мостик накаливания, заклю-
ченный в чувствительный к тепловому воздействию состав ВВ
76,9
Фиг. 1.1. Конструкции электрозапалов.
7 — оболочка; 2 — основной состав; 3 — втулка с проводниками;
4 — воспламенительная смесь; 5 — втулка с проводниками; 6 — гра-
фитовый мостик; 7 воспламенительная смесь; 8 — передаточный
заряд; 9 — бумажная диафрагма; 10 — мостик накаливания;
11 — электрод.
Примечание. Размеры даны в миллиметрах.
или пиротехническую смесь. Все устройство монтировалось
в цилиндрическом металлическом корпусе, содержащем основной
заряд. На фиг. 1.1 показаны типичные конструкции таких
запалов.
В течение многих лет в качестве чувствительного к нагреву
вещества обычно применялся черный порох или инициирующие
взрывчатые вещества. Широко применялась гремучая ртуть,
но вследствие ухудшения ее характеристик при хранении
она не используется для военных целей уже в течение многих
лет. Позже были разработаны два состава, нашедшие широкое
24
Глава 1
применение: ХС-9 (с содержанием 75% диазоди нитрофенола
и 25% хлората калия в 2,4%-ном растворе нитрокрахмала в бу-
тилацетате) и обычная свинцовая соль стифпиповой кислоты.
Характеристики состава ХС-9 ухудшались при хранении во влаж-
ной среде, и вследствие этого в настоящее время оп используется
довольно редко. Свинцовую соль стифниновой кислоты можно
хранить длительное время, и она до сих пор широко используется
в тех случаях, когда требуется очень чувствительная смесь.
Хотя электрозапалы старого типа еще производятся, для
ракетно-космической техники были разработаны запалы нового
Ф п г. 1.2. Электрозапал нового типа.
1 — корпус; 2 — крышка; 3 — воспламенительная смесь;
4 — мостик накаливания; 5 — передаточный заряд; 6 — уплотне-
ние из стекла; 7 — контактный штырь.
типа. Они обычно состоят из втулки с резьбовой головкой и шести-
гранной центральной частью и электрического проводника. На
фиг. 1.2 показана типичная конструкция такого запала.
Эти запалы обычно имеют 2 или 4 контактных штыря, электри-
чески изолированных от корпуса. Между каждой парой штырей
находится мостик накаливания. Это либо хороший проводник
(тонкая платиновая или нихромовая проволочка), либо полупро-
водник (графит), либо плохой проводник (заряд ВВ или пиро-
техническая смесь с изоляционными свойствами). Мостик накали-
вания окружен инициирующим ВВ.
ЗАПАЛЫ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ
Запал ударного действия представляет собой инициирующий
элемент, содержащий чувствительную к удару пиротехническую
смесь, и устроен таким образом, что срабатывает при ударе бойка.
Последний вминает металлическую оболочку и сдавливает чув-
ствительную смесь между оболочкой и металлической наковаль-
ней. В отличие от запалов накольного действия запалы ударного
действия не пробиваются бойком, что позволяет обеспечить герме-
тизацию при высоком давлении газа.
Боевые пиротехнические средства
25
Запалы ударного действия используются для воспламене-
ния бездымного пороха (в ружейных патронах), черного пороха
(в замедлителях), пиротехнических смесей (в безгазовых замед-
лителях), инициирующих ВВ (в качестве детонатора). При сраба-
тывании запала ударного действия обычно наблюдается неболь-
шой бризантный эффект. Некоторые запалы, например М42,
специально спроектированы для обеспечения минимальной бри-
зантности и давления газа. Эти устройства применяются в качестве
инициирующих элементов в замедлителях, в которых заметный
бризантный эффект и высокое давление газов создают опасность
разрушения заряда замедлителя и могут привести к большому
разбросу времени задержки.
Запал ударного действия состоит из цилиндрического метал-
лического корпуса, в который помещается небольшой заряд,
чувствительный к удару. Заряд закрывается бумажной или метал-
лической прокладкой и поддерживается металлической наковаль-
ней. Корпус запала спроектирован таким образом, что при ударе
бойка с закругленным концом запал срабатывает без разрушения
корпуса или обратного выброса продуктов сгорания в области
вмятины. В табл. 1.1 приведены составы типичных пиротехниче-
ских смесей, используемых в запалах ударного действия.
Таблица 1.1
Компоненты смеси Содержание, %
А в с D Е F
Хлорат калия 50 53 35
Сульфид сурьмы 20 17 30 10 25 15
Гремучая ртуть „ 35 40 25
Сульфоционат свинца 25
Нитрат бария 25 25 25
Перекись свинца 25 35
Свинцовая соль стифниновой 60
кислоты
Тринитротолуол 5 5
Тетразен 5
Карбонат бария 6
Стеклянный порошок 4
Чувствительность обычных запалов к механическому воздей-
ствию значительно снижается после хранения более 4 час при
температуре 120° С. В последнее время были разработаны новые-
запалы ударного действия, характеристики которых после хра-
нения в течение 56 суток при температуре 200° С практически
не меняются.
26
Глава 1
Таблица 1.2
Наковальня
Корпус
Пиротехническая
смесь
Бумажная
прокладка
Условное обозна- чение Область применения Размеры, .мл! Номиналь- ная чув- ствитель- ность, г см Номиналь- ный вес заряда, мг
А в
1-1/2 Мелкокалиберные писто- 3,02 1,15 935 23,3
леты 3,02 4,45 2 8901) 23,31)
3,02 4,45 2 300 2) 20 2)
-2-1/2 К ру п но кал ибер ные 3,02 5,33 1 730 32,4
пистолеты 3,02 5,33 5 320 1) 32,41)
3,02 5,33 4 250 2) 27,82)
6-1/2 Мелкокалиберные ружья 3,02 4,45 1 510 22,7
3,02 4,45 5 040 1) 22,7 1)
3,02 4,45 3 960 2) 19,452)
•9-1/2 Крупнокалиберные ружья 3,24 5,33 2 160 35,7
3,24 5,33 6 900 ') 35,7 В
3,24 5,33 5 610 2) 30.42)
-50М Патрон, калибр 0,5 5,7 8,05 5 610 146
5,7 8,05 18 000 1) 146 1)
5,7 8,05 14 400 2) 129,6 2)
М42 Замедлители 3,02 4,45 1 440 23,3
М29Л1 Запалы для боеприпасов 2,96 5,15 1000 32,4
1) Характеристики запалов стабильны после хранения при температуре 120° С
в течение 6 мес.
2) Характеристики запалов стабильны после храпения при температуре 204° С
-в течение 56 суток.
В табл. 1.2 и 1.3 приведены типичные размеры (диаметр
11 полная высота) запалов ударного действия, а также их номи-
нальная чувствительность и указана область применения.
Боевые пиротехнические средства
27
Таблица 1.3
Условное обозна- чение Область применения Размеры, Л1.м Номиналь- ная чув- ствитель- ность, г см Номиналь- ный вес заряда, мг
А В
68 Артиллерийские снаряды 7,35 5,76 935 50,5
7,35 5,76 2 8901) 50,81)
7,35 5,76 2 595 2) 42,72)
75 Артиллерийские снаряды 7,35 5,76 935 40,8
7,35 5,76 2 8901) 40,81)
7,35 5,76 2 595 2) 35 2)
79М Артиллерийские снаряды 7,35 5,76 935 29,1
7,35 5,76 2 8901) 29,Р)
7,35 5,76 2 5952) 24,6 2)
1) Характеристики запалов стабильны после храпения при температуре 120°С
в течение 6 мес.
2) Характеристики запалов стабильны после храпения при температуре 204° С
® течение 56 суток.
ЗАПАЛЫ НАПОЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ
Запал напольного действия (фиг. 1.3) представляет собой
небольшой инициирующий элемент, содержащий смесь, чувстви-
тельную к проколу бойком с заостренным концом. Поскольку
такие устройства могут быть более чувствительными, чем запалы
ударного действия, они преимущественно используются в тех
случаях, когда располагаемая механическая энергия, действующая
на запал, очень мала.
При срабатывании запалов накольного действия острый
конец бойка образует отверстие в корпусе, через которое истекают
продукты сгорания. Во многих случаях это затрудняет поддержа-
ние необходимого уровня давления и приводит к нежелатель-
ному загрязнению движущихся частей системы. Запал наколь-
ного действия состоит из небольшого металлического цилиндра,
28
Глава 1
заполненного пиротехнической смесью, чувствительной к воздей-
ствию удара и трению. Пиротехническая смесь закрыта очень
Ф п г. 1.3. Типичные конструкции запалов на-
кольного действия.
а — запал МК102, модель О; б — запал М26 (Армия
США). 1 — навеска пиротехнической смеси весом 0,063 г;
2 — навеска пиротехнической смеси весом 0,116 г.
Примечание. Размеры даны в миллиметрах.
тонким металлическим диском. Чаще всего используются бойки
в форме усеченного конуса с плоским основанием диаметром
не более 0,4 мм и углом конуса 20—30°.
Таблица 1.4
Компоненты смеси Содержание, %
А в с D
Хлорат калия 45 45 53 33
Сульфид сурьмы 23 22 17 33
Гремучая ртуть 32
Сульфоционат свинца 33 25
Азид свинца 5 29
Карбид кремния 5
Чувствительность, г-ел 122 145 168 355
Боевые пиротехнические средства
29
В табл. 1.4 приведены составы наиболее чувствительных пиро
технических смесей, а также их чувствительность при 50 %-ной
вероятности срабатывания.
ЗАПАЛЫ ФРИКЦИОННОГО ДЕЙСТВИЯ
Запалы фрикционного действия (тёрки) представляют собой
устройства, которые образуют форс пламени при скольжении
подвижного элемента устройства по поверхности пиротехниче-
ской смеси. Эти запалы применяются для воспламенения других
пиротехнических смесей, используемых в сигнальных средствах,
дымовых шашках и в дистанционных взрывателях.
Таблица 1.6
Компоненты смеси Содержание,
А в с
Хлорат калия 63 53 42
Сульфид сурьмы 32 22 42
Сера 9 3
Карбонат кальция 1 2
Мука 3
Стеклянный порошок 10 3
Аравийская камедь 5 5 5
Таблица 1.6
Компоненты смеси № 1 (’.одержание, % Компоненты смеси № 2 Содержание, %
А в С А в С
Красный фосфор 48 50 90 Хлорат калия 67 50 88
Двуокись мар- ганца Мелкий песок Животный клей Декстрин Шеллак 38 14 28 22 10 Сульфид сурьмы Животный клей Декстрин Древесный уголь 22 И 30 20 2 10
30
Глава 1
В табл. 1.5 приведены составы смесей, воспламеняющихся
при перемещении по их поверхности шероховатого элемента или
элемента с абразивным покрытием. Ко всем этим компонентам
добавляется вода и полученная смесь запрессовывается в корпус
во влажном виде. Карбонат кальция нейтрализует кислоты,
которые могут образоваться во влажных смесях, содержащих
серу.
В табл. 1.6 приведены составы, воспламенение которых проис-
ходит при скольжении элемента, покрытого составом № 1, по
поверхности таблетки из состава № 2.
ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА
Пиротехнические осветительные средства хорошо известны.
Наряду с их широким использованием для праздничных фейер-
верков они приобрели особую важность как надежный источник
света для сигнализации и освещения. Осветительные и сигналь-
ные средства используются для праздничной иллюминации,
фейерверков, сигнальных огней на автострадах, сигналов на
железнодорожных и водных путях, а также в военной технике
(целеуказатели, осветительные средства при аэрофотосъемке,
ложные цели для ракет с инфракрасными системами наведения).
Можно выделить три основных типа пиротехнических освети-
тельных средств: медленно горящие, быстро горящие и термостой-
кие, нагреваемые за счет горения пиротехнической смеси до
состояния свечения. В зависимости от указанной категории
меняются состав пиротехнической смеси и тип оболочки. При
выборе пиротехнической смеси определяющим фактором являет-
ся требуемый эффект. Осветительные смеси должны выделять
максимальное количество световой энергии, надежно воспламе-
няться, обладать стабильными характеристиками и быть совме-
стимыми с используемыми конструкционными материалами. При
любом выборе материалов основным требованием является безо-
пасность в эксплуатации.
СОСТАВЫ БЕЛОГО ОГНЯ
Наиболее предпочтительное горючее для составов белого
огня — металлический магний, пригоден также алюминий. При
горении этих металлов испускается чрезвычайно яркий белый
свет. Цирконий и титан также горят с образованием яркого белого
пламени, однако высокая стоимость ограничивает их применение.
В тех случаях, когда допустима меньшая яркость пламени, исполь-
зуются другие горючие, в частности железо. Существует большое
количество горючих элементов, обеспечивающих различные сте-
Боевые пиротехнические средства
31
пени яркости света и обладающих другими важными свойствами.
Применение органических горючих в качестве связующих приво-
дит к усилению яркости пламени и ускоряет его образование.
Большое содержание связующих оправдано лишь в тех случаях,
когда заряд из пиротехнической смеси горит со всех сторон
и когда необходимо обеспечить определенные физико-механиче-
ские свойства заряда. Для сигнальных устройств (в частности,
трассеров) требуется небольшое содержание связующих, так как
заряд плотно запрессовывается в трубчатый корпус.
Обычно в качестве окислителей для составов белого огня
применяются нитраты натрия, калия, стронция и бария, а также'
хлораты и перхлораты калия. В процессе горения пиротехниче-
ских смесей в сигнальных устройствах окружающая среда обычно
играет важную роль, за исключением тех случаев, когда горение
происходит на большой высоте, в замкнутом пространстве или
под водой. Военные специалисты считают, что хлораты слишком
опасны для применения в составах этого типа, поскольку они
легко детонируют при ударе пули или осколка снаряда. Менее
чувствительные перхлораты более безопасны. Самыми безопас-
ными считаются нитраты. Благодаря этой особенности, а также
вследствие доступности и дешевизны нитраты предпочтительны
для использования в составах белого огня. В осветительных
средствах военного назначения чаще всего используется нитрат
натрия. При соответствующем выборе соотношения компонентов
и их физических свойств можно обеспечить требуемую скорость
горения и необходимый световой поток. Это достигается путем
варьирования размера частиц компонентов, давления прессо-
вания и соотношения веса горючего и окислителя. На скорость
горения оказывает также влияние тип корпуса.
Типичное сигнальное устройство состоит из цилиндрического
корпуса, в котором находится медленно горящий состав с огра-
ниченной поверхностью горения. Военные сигнальные устрой-
ства имеют прочную металлическую оболочку с облицовкой из
термоизоляционного материала, с помощью которой уменьшается
влияние теплопроводности металла на скорость горения. Плавя-
щиеся материалы непригодны для изготовления корпуса, так
как при его плавлении ухудшаются характеристики светового
потока, если плавление происходит слишком медленно, или воз-
никает неравномерный световой поток, если плавление происхо-
дит слишком быстро. По этой причине магний, алюминий и ряд
пластиков непригодны для изготовления корпусов.
Если в состав смесей для осветительных устройств входят
магний и алюминий, то они могут обеспечить яркость от 3100
до 31 000 св/см2, поверхности горения. Скорость горения также
может изменяться от 1,3 до 8,5 мм!сек. Полное время горения
32
Глава I
составляет от нескольких секунд до нескольких минут, но редко
превышает 3 мин. В табл. 1.7 приведено несколько типичных
составов белого огня.
Таблица 1.7
Компоненты смеси Содержание, %
А в С D Е
Алюминий 36 15
Магний 52 48 17 52
Сера 14
Нитрат натрия 39 42
Нитрат бария 55 38
Нитрат стронция 5 7
Перхлорат калия 50
Полиэфирная смола 9 8
Смола на основе поливинил- 2
хлорида
Льняное масло 3 3
Асфальт 5
До сих пор рассматривались главным образом источники
света для сигнальных систем. Другим типом источника белого
огня являются импульсные заряды, которые создают световой
поток в течение лишь нескольких миллисекунд. Имеется два
типа импульсных источников света: лампа-вспышка, используе-
мая главным образом в фотографии, и фотопатрон или фотобомба.
Важной областью применения фотопатронов является тарировка
электронных систем слежения за ракетами. Фотопатропы выбра-
сываются через определенные интервалы времени, образуя види-
мый след траектории ракеты, который фиксируется мощной кино-
камерой.
Один тип фотопатрона представляет собой металлическую
оболочку с порошкообразной смесью. После воспламенения смеси
металлический порошок (без дополнительного окислителя) рас-
сеивается и горит в окружающем воздухе. Благодаря исключению
окислителя из состава смеси она становится гораздо безопаснее
с эксплуатационной точки зрения, поскольку при содержании
в ней окислителя увеличивается вероятность инициирования
при попадании пули. В фотопатронах и фотобомбах в качестве
горючего применяются магний и алюминий, а в качестве окисли-
теля (если он требуется) — хлорат калия, перхлорат калия
Боевые пиротехнические средства
33
и нитрат бария. Горючие-связующие обычно не используются.
Широко применяемый тип заряда для военных импульсных
осветительных систем содержит 40% порошкообразного алюми-
ния, 30% нитрата бария и 3096 перхлората калия.
СОСТАВЫ ЦВЕТНОГО ОГНЯ
Способы получения цветного огня практически те же, что
и способы получения белого, за исключением применяемых
компонентов пиротехнической смеси. Во избежание ошибок при
использовании в военных условиях цвета должны быть легко
определимы. В связи с этим, как правило, применяются составы
красного, зеленого и желтого огней.
Горючие, используемые для составов цветного огня, аналогич-
ны горючим для составов белого огня. В качестве красителей
чаще всего используются нитраты стронция и бария. Эти соеди-
нения окрашивают огонь в красный и зеленый цвета. Для полу-
чения желтого огня можно использовать оксалат натрия, обла-
дающий сильным окрашивающим действием. Медь и ее соедине-
ния вводятся в состав смеси для усиления интенсивности зеленого
огня. Составы, содержащие хлораты, считаются недостаточно
безопасными для использования в военных условиях, по иногда
применяются в фейерверках. В табл. 1.8 приведено несколько
типичных составов цветного огня.
Таблица 1.8
Компоненты смеси Содержание, %
состав крас- ного огня состав зеле- ного огня состав жел- того огня
Магний 40 29 16 26 9 26
Нитрат стронция 30 34
Нитрат бария 59 45 29
Оксалат натрия 17 13
Перхлорат калия 20 29 16 50 23
Гексахлорбензол 5 4 21 7 9 5
Медный порошок 2
Окись меди 2
Масло 2 2 2 3 2
Асфальт 5 12
Силсонит (Gilsonite) 1) 2 2 2
1) Фирменный продукт, используемый в качестве связующего.— Прим,
перев.
'I -1088
34
Глава 1
ДЫМООБРАЗУЮЩИЕ СРЕДСТВА
Пиротехнические средства этого типа используются в военной
технике для сигнализации в дневное время, корректировки
стрельбы и слежения за целью таким же образом, как и осве-
тительные средства в ночное время. Дым используется для со-
здания завес при перемещении войск, а также для укрытия
военных кораблей. Для маскировки в дневное время приме-
няется белый дым, а в ночное время часто используется черный
дым.
Дым состоит из мелкодисперсных твердых частиц или жидких
капель, находящихся в воздухе во взвешенном состоянии. Обычно
дым создается пиротехническими средствами одним из двух спо-
собов. По первому способу продукты экзотермической реакции
пиротехнической смеси образуются в конденсированной фазе
в виде мелкодисперсных твердых частиц, например при окисле-
нии фосфора до пятиокиси фосфора или в результате реакции
порошкообразного цинка и гексахлорэтана с образованием плот-
ного серо-белого облака хлорида цинка. По второму способу
теплота реакции пиротехнической смеси используется для испаре-
ния инертных или не вступающих в реакцию веществ, которые
затем конденсируются с образованием облака дыма. Примером
может служить образование дыма в результате реакции смеси,
состоящей из трех частей хлората калия, одной части лактозы
и одной части мелкодисперсного порошка хлорида аммония.
При окислении лактозы хлоратом калия происходит выделение
тепла, которое затрачивается на сублимацию хлорида аммония.
Пары хлорида аммония затем конденсируются с образованием
белого плотного облака.
Наиболее плотный белый дым образуется при горении фосфора
до получения пятиокиси фосфора. Белый фосфор широко приме-
няется в гранатах и артиллерийских снарядах одновременно как
дымообразующее и зажигательное вещество. Дымовые шашки
иногда добавляются к разрывному заряду в снарядах или бомбах
для обнаружения места их падения. Эти шашки обычно изготав-
ливаются из смеси окиси мышьяка с небольшими добавками стеа-
рина или парафина. Для создания цветных дымов применяются
пиротехнические смеси, содержащие красители, которые способны
сублимироваться без заметного разложения. Красящие вещества
испаряются за счет тепла, выделяющегося при горении смеси,
а затем быстро конденсируются с образованием окрашенного
облака цветного дыма.
В настоящее время в соответствии с военным стандартом реко-
мендуется использовать для дымовых гранат и сигнальных
шашек пиротехнические смеси следующего состава (табл. 1.9).
Боевые пиротехнические средства
35
Таблица 1.9
Цвет дыма Компоненты смеси Содержа- ние, % fl [Стандарт
Красный дым-VII, Хлорат калия 23 JAN-P-150
MS593 Сахар 23 Federal JJJ-S-791
Розппдулин 54 U.S. Army 96-111-100
Красный дым-VI, Хлорат калия 27,4 JAN-P-150
MS589 Сера 10,6 JAN-S-487
Двууглекислый 22,0 Federal EE-S-571
натрий Красный краситель 40,0 U.S. Army 96-111-66
Зеленый дым-VI, Хлорат калия 23 JAN-P-150
MS588 Сера 9 JAN-S-487
Двууглекислый 26 Federal EE-S-571
натрий Зеленый краситель 42 U.S. Army 96-111-64
Фиолетовый дым-VII, Хлорат калия 30,2 JAN-P-150
MS590 Сера 11,8 JAN-S-487
бикарбонат калия 14,0 MIL-P-3173
Фиолетовый краев- 44,0 U.S. Army 96-111-67
тель
Желтый дым-IX, Хлорат калия 23 JAN-P-150
MS591 Сера 9 JAN-S-487
Двууглекислый 27 Federal EE-S-571
натрий Желтый краситель 41 U.S. Army 96-111-68
ГАЗОГЕНЕРИРУЮЩИЕ СРЕДСТВА
Существуют два основных типа газогенерирующих пиротех-
нических средств. Средства первого типа применяются для
получения газа высокого давления, используемого для выпол-
нения чисто механических функций, например создания реактив-
ной силы для движения ракеты, перемещения поршня или при-
ведения во вращение газовой турбины. В этом случае к химиче-
< кому составу газа не предъявляется специальных требований.
Источники второго типа применяются для получения газа
ыдаиного химического состава, например кислорода, азота, водо-
рода, слезоточивого газа и т. д.
3*
36
Глава 1
ПИРОТЕХНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ГАЗА
ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Одним из первых пиротехнических источников газа такого
типа был, конечно, черный порох. Преимущества черного пороха:
относительная безопасность в обращении, надежная воспламеняе-
мость (даже при низких температурах), дешевизна; его недостат-
ки: сложность регулирования скорости горения, гигроскопич-
ность, горение с образованием слишком сильной вспышки и дыма,
значительное количество остатков. Было предпринято много
попыток улучшить характеристики черного пороха. Так, для
повышения способности пороха воспламенять другие вещества
в него часто вводятся добавки порошка магпия или алюминия.
Древесный уголь и сера в черном порохе были заменены пикратом
аммония. Для повышения скорости горения часто добавляется
ацетат свинца. Черный порох может рассматриваться как родо-
начальник современных смесевых твердых топлив. В последних
роль горючего выполняет органическое соединение, обычно
высокомолекулярный полимер, например полисульфидный кау-
чук, эпоксидные смолы, полиэфиры, полистирол, полиуретан,
винилы, акрилы и т. д. Окислителями обычно являются перхло-
раты аммония, калия, натрия или лития. В этих смесях высоко-
молекулярный полимер выполняет одновременно функции свя-
зующего и горючего. Вещества этого типа будут рассмотрены
ниже.
Смесь нитрата калия, нитрата аммония и древесного угля
с такими же энергетическими характеристиками, как и бездым-
ный порох, имела ограниченное военное применение в течение
многих лет. Сравнительно небольшое распространение получили
смеси нитрата гуанидина с разными горючими. Преимущества
этих смесей: стабильность, негигроскопичность и низкая темпе-
ратура продуктов сгорания. Белый порох может быть получен
сушкой водного раствора смеси, содержащей 65% нитрата натрия
и 35% крезол-сульфоната натрия. Существует много смесей типа
черного пороха. Однако только одна из них обеспечивает стабиль-
ность характеристик в широком интервале температур при исполь-
зовании в небольших устройствах. Эта смесь состоит из 27,2%
азида свинца, 8,8% бора (чистотой 90—92%) и 64% нитрата бария.
Боевые пиротехнические средства
37
ПИРОТЕХНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ХИМИЧЕСКИ
ЧИСТОГО ГАЗА
Часто возникает потребность в газе заданного химического
состава. Эти газы можно хранить в толстостенных баллонах высо-
кого давления с регуляторами для подачи газа по требованию.
Однако во многих случаях целесообразнее получать газы пиро-
техническим способом.
Пиротехнические генераторы химически чистых газов имеют
разные габариты и форму, но обычно состоят из тонкостенного
корпуса с запрессованной в него порошкообразной смесью. При
воспламенении этой смеси выделяется требуемый газ и достаточное
количество тепла для поддержания химической реакции. По-види-
мому, самым простым способом получения химически чистого
газа является горение серы на воздухе с образованием сернистого
газа. Этот простой газогенератор использовался много веков
для дезинфекции жилых помещений и кораблей. Более современ-
ный метод получения сернистого газа — реакция серы с перхло-
ратом калия и сульфатом меди:
2S + КС1О4 -> КС1 + 2SO2 + 703 кал! г,
2S - CuSO4 —> CuS + 2SO2—112 кал!г.
Первая реакция сопровождается выделением очень большого
количества тепла, вследствие чего может чрезмерно ускориться
протекание процесса. Реакция серы с сульфатом меди идет с погло-
щением тепла. Поэтому можно объединить обе реакции, чтобы
получить источник интенсивного стационарного потока газа,
при образовании которого выделяется тепло, достаточное для
поддержания реакции, но недостаточное для перегрева корпуса
или выхода реакции из-под контроля. Газогенераторы этого
типа широко используются для дезинфекции зданий, кораблей
н самолетов.
Для получения кислорода используется реакция термического
разложения хлоратов калия или натрия:
2NaC103—» 2NaCl-r ЗО2-|-117,5 кал’г,
2КСЮз->2КС1 + ЗО2-]-87 кал!г.
< )днако ни в одной из этих реакций не выделяется достаточного
количества тепла, чтобы она могла быть самоподдерживающейся,
поэтому в смесь обычно приходится добавлять небольшое количе-
ство горючего.
38
Глава 1
Для получения водорода используется реакция кремния
(в виде ферросилиция) с натронной известью:
Si + 2NaOH + Са(ОН)2 Na2SiO3 + CaO + 2Н2.
Водород можно получить также по реакции с водой гидридов
лития, кальция или магния:
LiH + H2O^LiOH + H2,
СаН2 + 2Н2ОСа(ОН)2 + 2Н2,
MgH2 + 2П2О Mg(OH)2 + 2Н2.
Полученный таким образом водород часто используется для запол-
нения баллонов.
Азот можно получить по реакции нитрита натрия и хлорида
аммония:
NaNO2 + NH4C1 NaCl -4- 2Н2О + N2.
Таблица 1.10
Слезоточивый газ CN типа MS576
Компоненты смеси Содержа- ние, % Обозначение (стандарт)
Хлорацетофенон 40,0 MIL-C-10338
Белая магнезия 2,6 и. S. Army 4-503-260
Порох марки ЕС 57,4 U. S. Army 50-13-8
Раздражающая смесь CN-DM типа MS577
Хлорацетофенон
Белая магнезия
Дифениламинхлорарсин
Порох марки ЕС
2,6
21,0
55,4
MIL-C-10338
U.S. Army 4-503-260
U.S. Army 96-111-16
U.S. Army 50-13-8
Слезоточивый газ III и IV типов, MS579 и MS580
ш IV
Хлорацетофенон 25 24 MIL-C-10338
Бикарбонат калия 30 29 MIL-P-3173
Инфузорная земля 5 3 MIL-P-10454
Сахар 20 22 Federal JJJ-S-791
Хлорат калия 20 22 JAN-P-150
Боевые пиротехнические средства
39
Эта система является недетонирующей горючей смесью. Без
добавок она обладает очень плохой стабильностью при хранении;
для стабилизации обычно применяют окись магния.
Для получения газообразной закиси азота используется реак-
ция термического разложения нитрата аммония:
NH4NO3 —> 2Н2О + N2O.
Эта реакция становится самоподдерживагощейся лишь в присут-
ствии таких катализаторов, как бихромат аммония; однако
и в этом случае реакция не идет до конца и закись азота загрязне-
на азотом, окисью и двуокисью азота.
Слезоточивый газ и раздражающие газовые смеси обычно полу-
чают для военных целей пиротехническими способами. В
табл. 1.10 приведены их составы, заимствованные из военных
стандартов.
Следует отметить, что газ образуется путем испарения актив-
ного химического соединения [хлорацетофенона и (или) дифенил-
ампнхлорарсина] за счет теплоты, выделяющейся при горении
пороха марки ЕС или смеси сахара с хлоратом калия.
ИМИТАЦИОННЫЕ СРЕДСТВА
Эти средства могут быть двух типов: средства получения оди-
ночных громких сигналов и пронзительного свиста. Практически
все реакции горения пиротехнических составов или взрывные
реакции, протекающие с быстрым и внезапным выделением газов,
сопровождаются интенсивными акустическими колебаниями.
Последние могут быть использованы для сигнализации и во время
празднеств. 11ирохлопушки и железнодорожные сигнальные петар-
ды являются примерами одиночного громкого звукового сигнала.
Пирохлопушки настолько часто используются во время праздни-
ков, что не нуждаются в дополнительных комментариях, хотя
следует отметить, что эти устройства до некоторой степени приме-
няются и в военной технике при проведении военных учений;
с их помощью моделируют звуковые эффекты при взрыве мин,
мин-ловушек и артиллерийских снарядов. Железнодорожные
сигнальные петарды обычно состоят из мягкой свинцовой поло-
ски с прикрепленной к ней таблеткой из смеси окислителя с горю-
чим, чувствительной к удару. Петарда размещается па железно-
дорожном рельсе таким образом, что таблетка находится на
поверхности рельса. При прохождении поезда петарда взрывается
с громким звуком, который слышен машинисту.
Некоторые пиротехнические смеси запрессовываются в длин-
ные трубки и горят с резким громким свистом. Горение таких
устройств может продолжаться в течение нескольких секунд,
40
Глава 1
причем высота звука в процессе горения меняется. В качестве
пиротехнических смесей в устройствах такого типа используются
пикрат и нитрат калия. С недавних пор в более широких масшта-
бах применяется другая смесь, содержащая галловую кислоту
и хлорат калия, поскольку она менее подвержена детонации
при ударе.
Свист является следствием ускорения и замедления скорости
реакции при горении смеси, что приводит к появлению чередую-
щихся волн сжатия и разрежения в газовой среде над горящей
поверхностью. Это вызывает появление звука. В военной технике
такие свистки применяются лишь как сигнальные и имитационные
средства. Нельзя отрицать также возможность их применения для
дистанционных взрывателей, реагирующих на отраженные колеба-
ния, или при использовании эффектов Допплера.
ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬНЫЕ И ЗАЖИГАТЕЛЬНЫЕ
СРЕДСТВА
Все реакции горения пиротехнических смесей сопровождают-
ся выделением тепла. Однако в данном разделе рассматриваются
системы, назначением которых является генерирование тепловой
энергии. Средства, применяемые для зажигания других пиротех-
нических смесей, обычно называются воспламенительными, а для
разрушения за счет плавления или возникновения очагов огня —
зажигательными. Пиротехнические средства генерирования тепла
также применяются во многих устройствах в виде пиропатронов,
обеспечивающих передачу тепла через металлическую стенку
соответствующему «потребителю» без загрязнения его продук-
тами сгорания. Примерами подобного применения могут служить
нагрев электролита в аккумуляторных батареях или подогрев
пищи в арктических условиях.
ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА
Эти средства представляют собой промежуточное звено между
запалом и основным зарядом. Они применяются в тех случаях,
когда запал не выделяет достаточной тепловой энергии для воспла-
менения основного заряда. Воспламенительная смесь часто
наносится на основной заряд осветительного устройства или
запрессовывается в него. В воспламенителях ракетных двигателей
воспламенительная смесь обычно содержится в отде.чыюм кор-
пусе, где также находится электрозапал или запал ударного
действия.
Поскольку воспламенительные смеси относительно чувстви-
тельны к механическим воздействиям и легко воспламеняются,
Боевые пиротехнические средства
41
то их часто наносят на поверхность основного заряда в виде
влажной пасты. Этот метод значительно безопаснее, чем запрес-
совка смеси в основной заряд в сухом состоянии. Самыми чув-
ствительными и стабильными горючими для воспламенительных
смесей являются металлические титан и цирконий. Магний п бор
относятся к горючим с промежуточной чувствительностью. Вместе
с тем магний следует применять с известной осторожностью,
так как он подвержен действию влаги. Кремний, силицид кальция,
сурьма и алюминий являются относительно нечувствительными
горючими. Чувствительность смеси также зависит от окислителя,
который смешивается с горючим. Такие окислители, как четырех-
окись свинца ВЬ3()4 и двуокись свинца РЬО2, очень легко восста-
навливаются и в сочетании с цирконием образуют наиболее чув-
ствительные смеси. Очень стабильные окислители — окись желе-
за Fe2O3 и закись железа Fe3O4 — в сочетании с алюминием или
кремнием образуют малочувствительные смеси. В табл. 1.11
приведены составы типичных воспламенительных смесей.
Таблица 1.11
Компоненты смеси Содержание, %
А В С D Е F О
30
25
25
25
25
Цпркопий Титан 42 25
Кремний Бор Магний 25
Окись железа Двуокись свинца 48
Свинцовый сурик Хромат бария 50
Диатомовая земл я Перекись бария Резинат кальция 10
70
20
80
10
90
20
78
2
Для многих воспламенителей ракетных двигателей воспламе-
нительные смеси изготавливаются в форме таблеток. Таблетиро-
вание значительно сокращает эффективную поверхность горения
и увеличивает время горения. В табл. 1.12 приведены три наиболее
распространенных состава таблетированных воспламенительных
смесей. Интересно отметить, что в смеси В в качестве окислите-
ля вместо кислорода используется фтор.
42
Глава 1
Таблица 1.12
Компоненты смеси Содержание, %
А в С
Порошкообразный алюминий Порошкообразный магний Аморфный бор 28 60 24
Перхлорат калия Нитрат калия 67 71
Политетрафторэтилен Полимеризующаяся смола 5 40 5
ЗАЖИГАТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА
По-видимому, наиболее эффективными зажигательными сред-
ствами военного назначения являются горючие, распыляемые
и воспламеняемые зарядом взрывчатого вещества. Гелеобразный
бензин, содержащий мыла на основе тяжелых металлов (напалм),
является непревзойденным универсальным зажигательным сред-
ством. Однако для горения напалма требуется большое количество
воздуха и он обладает малой проникающей способностью.
Преимущество белого фосфора заключается в возможности
повторного самовоспламенения после гашения, причем при его
горении выделяется очень большое количество плотного белого
дыма. При массированном бомбометании широко применялись
зажигательные бомбы с магнием. Эти бомбы имеют магниевый
корпус, заполненный термитом, и запальный механизм. Последний
воспламеняет термит, который в свою очередь вызывает горение
магния.
Бомбы и снаряды, содержащие один термит, также весьма
эффективны. Продуктами химической реакции термита являются
нагретые до высокой температуры расплавленное железо и шла-
кообразный окисел алюминия. Несмотря на сравнительно низкую
теплотворную способность термита по сравнению с такими пиро-
техническими смесями, как алюминий с перхлоратом калия, он
оказывается более эффективным зажигательным средством вслед-
ствие высокой концентрации тепловыделения. В процессе реак-
ции алюминия или магния с нитратами или перхлоратами
щелочных металлов значительное количество тепла рассеивается
образующимися газами и расходуется на испарение продуктов
реакции. Кроме того, образующиеся хлориды и окислы щелочных
металлов в виде расплава покрывают поверхность невоспламе-
нившихся еще частиц зажигательных смесей, препятствуя горе-
нию.
Боевые пиротехнические средства
43
ЗАМЕДЛИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА
Существуют различные способы задержки срабатывания
устройства. Ниже будут рассмотрены только пиротехнические
замедлители, которые могут гореть с почти постоянной скоростью
в широком интервале начальных температур. Этот тип замедли-
теля прост, дешев, компактен и очень прочен. Его возможный
недостаток — пониженная точность по сравнению с механиче-
скими и электрическими замедлителями. Пиротехнические замед-
лители обычно рассчитаны на относительно короткое, порядка
нескольких минут, время работы. Хотя можно создать пиротех-
нические замедлители на большее время работы, обычно в этих
случаях применяются другие системы замедлителей, которые
занимают меньший объем.
Обычный пиротехнический замедлитель состоит из запала
(для инициирования заряда), отражателя (для уменьшения воз-
действия ударной волны от запала на заряд замедлителя), заряда
замедлителя и вспомогательного заряда в конце основного заряда
замедлителя. Концевой вспомогательный заряд используется для
воспламенения следующего элемента в цепи системы или для
выполнения некоторой рабочей функции. В пиротехнических
замедлителях обычно применяют черный порох или безгазовые
смеси. Оба варианта могут выполняться в обтюрированном виде
или в схеме с протоком газов.
ЗАМЕДЛИТЕЛИ НА ОСНОВЕ МЕРНОГО ПОРОХА
Замедлители на основе черного пороха использовались в тече-
ние многих лет. Они имеют удовлетворительные рабочие характе-
б
Фиг. 1.4. Типы пиротехнических замедлителей.
а — обтюрированный; б — проточного тина. 1 — заряд черного пороха;
2 — расширительная камера; з — боек; 4 — держатель запала; 5 — запал;
к — корпус; 7 — детонатор; s — отверстие; 9 — инициирующий заряд
(черный порох); 10 — детонатор.
ристики, допускают хранение в сухой среде, легко воспламеняют-
ся, просто прессуются и обеспечивают широкий диапазон времени
работы.
44
Глава 1
Скорость горения черного пороха сильно зависит от давления.
При его горении образуется большое количество газов, поэтому
основная проблема при проектировании замедлителя на основе
черного пороха заключается в отводе этих газов. Если газы
направляются в расширительную камеру замедлителя, но не исте-
кают за пределы этого устройства, то система относится к обтюри-
рованному типу. Если газы истекают из корпуса замедлителя,
то система относится к проточному типу (фиг. 1.4).
Скорость горения черного пороха сильно зависит от началь-
ной температуры, а в случае замедлителя проточного типа —
и от высоты полета.
ЗАМЕДЛИТЕЛИ НА ОСНОВЕ БЕЗГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ
Проблема отвода газов, образующихся при горении черного
пороха, оказалась настолько сложной, что потребовалась раз-
работка замедлителей на основе безгазовых пиротехнических
Ф и г. 1.5. Два способа герметизации выпу-
скных отверстий замедлителей проточного
типа.
1 — запал; 2 — оловянные диски; з — выпускные
отверстия; 4 — металлическая катушка; 5 — проб-
ка (отверстие запаивается в сборе).
смесей, при горении которых почти не образуется газов, что зна-
чительно упрощает конструкцию замедлителя по сравнению
с замедлителями на черном порохе, особенно при длительном
времени работы. Большинство замедлителей на безгазовых смесях
относятся к обтюрированному типу, поскольку их легче гермети-
зировать от воздействия изменяющихся условий окружающей
среды по сравнению с замедлителями проточного типа (фиг. 1.5).
Безгазовые воспламенители содержат хорошо перемешанную
смесь мелкодисперсных порошков горючего и окислителя. Ско-
рость горения состава зависит от размера частиц горючего, каче-
ства перемешивания и соотношения компонентов.
/
Боевые пиротехнические средства
45
Подробное рассмотрение безгазовых смесей для замедлителей
выходит за рамки данной главы. Здесь будет приведено только
три типичных состава замедлителей военного назначения: компо-
зиции на основе марганца и вольфрама и цирконий-никелевого
сплава.
КОМПОЗИЦИИ ПЛ ОСНОВЕ МАРГАНЦА
Это тройные смеси порошкообразного марганца, покрытого
пленкой бихромата калия, хромата бария и хромата свинца.
Скорость горения смеси зависит от содержания в ней хромата
Ф иг. 1.6. Пределы допустимого содержания хромата бария для
обеспечения заданной скорости горения.
бария. При уменьшении содержания хромата бария и увеличении
содержания марганца и хромата свинца скорость горения смеси
увеличивается.
Порошок марганца должен соответствовать стандарту
JAN-M-476A, фракция 1 (для металлического марганца) при
средневесовом размере частиц 10—14 мк и удельной площади
поверхности частиц порошка 900—1100 см2! г. Порошок марганца
должен быть также обработан раствором бихромата калия для
образования защитной пленки на поверхности частиц, препят-
ствующей окислению при длительном хранении. Хромат бария
должен соответствовать стандарту JAN-B-550, класс А, при мини-
мальной чистоте 97,5%. Около 95% порошка (или более) должно
проходить через сито с диаметром отверстий 0,044 мм. Средне-
весовой размер частиц должен быть менее 5 мк. Хромат свинца
46
Глава 1
должен соответствовать стандарту JAN-L-488 и иметь средневе-
совой размер частиц менее 5 мк.
Поскольку характеристики порошка марганца с покрытием
из бихромата калия не могут быть точно воспроизведены от партии
к партии, то это может вызывать значительные отклонения
скорости горения любой данной композиции для замедлителя.
Поэтому приходится приготовлять и испытывать контрольный:
образец смеси, когда поступает новая партия марганца с покры-
тием из бихромата калия. На фиг. 1.6 указаны пределы допу-
стимого содержания хромата бария, обеспечивающего скорость
горения, близкую заданной. На практике принято выбирать
среднее значение между двумя предельными значениями для
данной скорости горения. После этого по табл. 1.13 приближенна
Таблица 1.13
Содержание компонентов, % Содержание компонентов, %
ВаСгО4 РЬСгО4 Мп R п ВаСгО4 РЬСгО4 Мп. Rb
0,0 55,0 45,0 1,85 23,0 41,2 35,8 1,30
1,0 54,4 44,6 1,81 24,0 40,6 35,4 1,30
2,0 53,8 44,2 1,81 25,0 40,0 35,0 1,26
3,0 53,2 43,8 1,77 26,0 39,4 34,6 1,2(>
4,0 52,6 43,4 1,73 27,0 38,8 34,2 1,22
5,0 52,0 43,0 1,69 28,0 38,2 33,8 1,22
6,0 51,4 42,6 1,69 29,0 37,6 33,4 1,16
7,0 50,8 42,2 1,65 30,0 37,0 33,0 1,18-
8,0 50,2 41,8 1,65 31,0 36,3 32,7 1,14
9,0 49,6 41,4 1,61 32,0 35,6 32,4 J, 14
10,0 49,0 41,0 1,61 33,0 34,9 32,1 1,1
11,0 48,4 40,6 1,57 34,0 34,2 31,8 1,1
12,0 47,8 40,2 1,54 35,0 33,5 31,5 1,1
13,0 47,2 39,8 1,50 36,0 32,8 31,2 1,06
14,0 46,6 39,4 1,50 37,0 32,0 31,0 1,06
15,0 46,0 39,0 1,46 38,0 31,3 30,7 1,02
16,0 45,4 38,6 1,46 39,0 30,6 30,4 1,02
17,0 44,8 38,2 1,42 40,0 29,8 30,2 0,96
18,0 44,2 37,8 1,42 41,0 29,0 30,0 0,94
19,0 43,6 37,4 1,38 42,0 28,3 29,7 0,94
20,0 43,0 37,0 1,38 43,0 27,5 29,5 0,9
21,0 42,4 36,6 1,34 44,0 26,7 29,3 0,87
22,0 41,8 36,2 1,34 45,0 25,9 29,1 0,83
Приблизительное изменение (в %) содержания ВаСгО4 в смеси, соответствую-
щее изменению относительного времени горения на 1 сек/см.
Боевые пиротехнические средства
47
определяется содержание хромата свинца и порошка марганца
с покрытием из бихромата калия для подготовки контрольного
образца смеси, имеющего скорость горения, близкую заданной.
Для получения смеси, обеспечивающей точное требуемое значение
скорости горения, определяется разность между скоростью горе-
ния контрольного образца смеси и требуемой скоростью горения.
Затем, по табл. 1.13 можно определить поправку, соответствую-
щую изменению содержания хромата бария, благодаря которому
относительное время горения меняется на 1 сек!см. Применяя
этот метод, можно приготовить несколько контрольных образцов,
пока не будет получена композиция, имеющая заданную ско-
рость горения.
КОМПОЗИЦИИ ПА ОСНОВЕ ВОЛЬФРАМА
Композиции на основе вольфрама представляют собой смесь
порошкообразного вольфрама, хромата бария, перхлората калия
и диатомовой земли. Они разделены на три группы (табл. 1.14).
Таблица 1.14
Группа Интервал номинальных значений относитель- ного времени горения при начальной темпера- туре 25° С, сек/см
1 2 3 0,06—3,15 2—7,9 7,9—15,8
Размер частиц порошка вольфрама определяет скорость горе-
ния: с уменьшением размера частиц скорость горения увеличи-
вается. Ниже приведены средние размеры частиц для каждой
группы (табл. 1.15). Средневесовой размер частиц хромата бария
Таблица 1.1-5
Группа Средневесовой раз- мер частиц, ,нк Удельная поверх- ность, см2/г
1 1,5-2,5 1200—1400
2 7,0—10,0 650—750
3 7,0—10,0 650—750
составляет 5 мк и менее. Минимальная его чистота должна быть
равной 97,5%, причем не менее 95% порошка должно проходить,
через сито с диаметром отверстий 0,044 мм.
Фиг. 1.7. Относительное время горения смесей группы 1 в зависимости
от содержания вольфрама (температура окружающей среды 25° С).
Фиг. 1.8. Относительное время горения смесей группы 2 в зависимости
от содержания вольфрама (температура окружающей среды 25° С).
Фиг. 1.9. Относительное время горения смесей группы 3 в зависимости
от содержания вольфрама (температура окружающей среды 25° С).
Боевые пиротехнические средства
49
Таблица 1.16
Группа Содержание, % Диатомо- вая земля Относительное вре- мя горения, сек/см
W ВаСгО4 КСЮ;
1 58 32 5 5 0,394±0,078
2 49 41 5 5 3,94+0,394
3 27 58 10 5 15,75+3,94
В табл. 1.16 приведены примеры составов смесей и их относи-
тельное время горения.
На фиг. 1.7—1.9 представлены зависимости относительного
времени горения каждой из трех групп смесей (при начальной
температуре 25° С) от содержания вольфрама.
В табл. 1.17 представлены характеристики некоторых смесей,
используемых для изготовления зарядов замедлителей.
Таблица 1.17
Тип смеси Компоненты смеси Содер- жание, % Относи- тельное время горения, сек/см Воспламени- тельная смесь
На основе сплава | 70% Zr [-30% Ni 0,79 Нет пли F33B,
Zr — Ni, тип 1 30% Zr+70% Ni или ZF35Mg
КС1О4 14
BaCrO4 60
На основе сплава 70Zr + 30% Ni 1,97 F33B или ZF35Mg
Zr —Ni, тип 2 30% Zr%-70% Ni
KC1O4 14
BaCrO4 60
На основе сплава 70% Zr-j-30% Ni 3 4,72 То же
Zr —Ni, тип 3 30% Zi-4-70% Ni 23
К CIO.; 14
BaCrO4 60
На основе мар- Ain 43,8 1,18 Нет или F33B,
ганца PbCrO4 53,2 или ZF35Mg
BaCrO4 3,0
То же Mn 39 2,36 F33B пли ZF35Mg
PbCrO4 46
BaCrO4 15
4-.1088
41
Глава /
Продолжение табл. 1.17
Тип смеси Компоненты смеси Содер- жание, % Относи- тельное время горения, сек/см Воспламени- тельная смесь
На основе мар- Мп 32,4 4,72 F33B пли ZF35Mg
ганца РЬСгО4 35,6
ВаСгО4 32,0
На основе воль- W 58
фрама,группа 1 SiO2 (суперфлосс) 5 0,393 Нет или F33B,
КС1О4 5 или ZF35Mg
ВаСгО4 32
На основе воль- W 49 3,93 Z33B или ZF35Mg
фрама, группа 2 SiO2 (суперфлосс) 5
КС1О4 5
ВаСгО4 41
На основе воль- W 27 15,8 То же
фрама, группа 3 SiO2 (суперфлосс) 5
КС1О4 10
ВаСгО4 58
Боросодержащая, В (аморфный) 5 0,985 Нет
тип 1 ВаСгО4 95
Боросодержащая, В (аморфный) 10 0,197 »
тип 2 ВаСгО4 90
F33B Zr 41 0,69 »
Fe2O3 49
SiO2 (суперфлосс) 10
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ЭФФЕКТА
Большинство пиротехнических смесей состоит из хорошо
перемешанных порошков твердых веществ. Один или несколько
компонентов являются горючими, другие — окислителями. Горю-
чие и окислители могут быть простыми элементами или соедине-
ниями. Для достижения экзотермического эффекта реакции теп-
лота образования продуктов окисления должна превышать тепло-
ту образования начальных компонентов смеси.
Боевые пиротехнические средства
51
В табл. 1.18 представлены теплоты образования ряда наиболее
употребительных горючих и окислителей и их обычных продук-
тов сгорания.
Чаще всего используются следующие элементарные горючие:
алюминий, магний, титан, цирконий, железо, марганец, цинк,
никель, вольфрам, сурьма, сера, углерод, фосфор, бор, кремний,
селен и теллур. Сера, селен, теллур, бор, кремний и фосфор могут
быть использованы как горючее и как окислители и являются един-
ственными обычно используемыми элементарными окислителями.
Существует большое количество соединений, используемых
в качестве горючих. Наиболее важными являются высокомоле-
кулярные полимеры, галловая кислота, пикраты, углеводороды,
углеводы, сульфиды фосфора, мышьяка и сурьмы. В качестве
окислителей обычно применяются легко восстанавливаемые окислы
и перекиси металлов, нитраты, хлораты, перхлораты и хроматы.
При стехиометрическом соотношении компонентов пиротехни-
ческой смеси тепловой эффект реакции на единицу веса равен
разности сумм теплот образования продуктов реакции и теплот об-
разования начальных компонентов, деленной на полный вес смеси.
В качестве примера рассмотрим химическую реакцию между
окисью железа Fe2O:{ и алюминием:
Fe2O3 4- 2А1 -» А12О3 4- 2Fe.
В соответствии с табл. 1.18 молекулярный вес окиси железа
равен 159,7, а алюминия 26,97. Теплота образования окиси железа
равна 196,5 ккал/моль, а окиси алюминия 399,09 ккал/молъ. Теп-
лота образования всех элементов при нормальных условиях
принимается равной нулю; поэтому теплота образования железа
и алюминия равна нулю. Теоретическая плотность окиси железа
равна 5,24 а/сж3, а алюминия 2,702 г/см\
Три грамм-молекулы исходной смеси составляют 159,7 г 4-
4- 2 (26,97 а) -- 213,64 а.
Тепловой эффект реакции Fe2O34-2А1 —> А12О34-2Fe равен
399,09 ккал —196,5 ккал .
-------------------= 0,948 ккал/г.
213,64 г
Тепловой эффект на единицу объема смеси равен разности
суммы теплот образования продуктов реакции и суммы теплот
образования начальных компонентов, деленной на полный объем
; начальной смеси. Фактический объем смеси зависит от частных
(условий, однако объемное тепловыделение будет максимальным,
(если компоненты спрессованы до их теоретической плотности.
|Этот объем можно приближенно вычислить суммированием объемов
52
Таблица 1,18
Компоненты Молекуляр- ный вес Плотность, 0/СЛ13 Теплота обра- зования, ккал/моль Удельная теп темность ка(./моль град
Алюминий
А1 26,97 2,702 0 5,817
А12О3 101,94 3,5—3,97 399,09 18,88
Аммоний
NH4CIO4 117,50 1,95 69,42
NII4NO3 80,05 1,725 87,27 43,50
Барий
Ва(С1О4)2 336,27 2,74 192,80
ВаС12 ВаСгО4 208,27 253,37 3,856 4,498 205,56 341,30 18,00
Ba(NO3)2 261,38 3,24 237,06 36,10
ВаО ВаО2 153,36 169,36 5,72 4,96 133,40 150,50 11,34
Бор
В 10,82 3,33 0 2,86
в2о3 69,64 1,844 302,00 14,88
Водород
н2 2,016 0,0899 г/л 0 6,892
НС1 36,47 1,639 г/л 22,063 6,96
н20 18,02 1,000 68,317 17,996
Вольфрам
W 183,92 19,30 0 5,97
wo3 231,92 7,16 200,84 19,48
Железо
Fe 55,85 7,86 10 6,03
Fe2O3 Fe3O4 159,70 231,55 5,24 5,18 196,50 267,00 25,00
Калий
КС1О3 122,55 2,32 93,50 23,96
КС1О4 138,55 2,52 103,60 26,33
КС1 К2СгО4 74,55 194,20 1,984 2,732 104,175 330,49 12,31
53
Компоненты
Продолжение табл. 1.18
Молекуляр-
ный вес
Плотность,
г/см'Л
Теплота обра-
зования,
ккал/моль
Удельная
теплоемкость.
кал/мольград
Калий
К2СГ2О7 294,21 2,69 485,90
КМпО4 158,03 2,703 194,40 28,50
KNO3 101,10 2,109 117,76 23,01
к2о 94,19 2,32 86,40
Кобальт
Со 58,94 8,90 0 6,11
СоО 74,94 5,7—6,7 57,20
Кремний
Si 28,06 2,00 0 4,75
SiO2 60,06 2,20—2,65 202,50 10,60
Литий
LiC104 106,40 2,429 91,77
LiCl 42,40 2,068 97,70 12,20
LiNO3 68,95 2,38 115,279
Li2O 29,88 2,013 142,40
Магний
Mg 24,32 1,74 0 5,71
MgO 40,32 3,58 143,84 8,94
Марганец
Mn 54,93 7,20 0 6,29
MnO 70,93 5,43 92,00 10,27
MnO2 86,94 5,026 124,50 12,91
Медь
Cu 63,54 8,92 0 5,848
CuO 79,54 6,40 37,10 10,60
Cu2O 143,08 6,00 39,84 16,70
Натрий
NaC103 105,45 2,490 85,73 —
NaC104 122,45 2,536 92,18 24,10
NaCl 58,45 2,165 98,232 11,88
NaNO3 85,01 2,261 111,54 22,24
Na2O 61,99 2,27 99,40 16,30
54
Продолжение табл. 1.18
Компоненты Молекуляр- ный вес Плотность, 3/cAl3 Теплота обра- зования, ккал/моль Удельная теплоемкость, кал/мольград
Никель
Ni 58,69 8,90 0 6,21
NiO 74,69 7,45 57,80 10,60
Свинец
РЬС12 278,12 5,85 85,85 18,40
PbCrO4 323,22 6,30
Pb(NO3)2 331,23 4,53 107,35
Pb(N3)2 291,26 4,68—4,72 — 104,30
PbO 223,21 8,00 52,07 11,60
PbO2 239,21 9,375 66,12 15,40
Pb3O4 685.63 9,10 175,60 35,14
Селен
Se8 (серый) 631,68 4,28—4,82 0 5,95
SeO2 110,96 3,95 55,00
Сера
Sg 256,53 2,07 0 5,40
so2 64,07 2,927 г/л 70,96 9,51
Стронций
Sr(NO3)2 21 J,65 2,986 233,25 38,30
SrO 103,63 4,70 141,10 10,76
Сурьма
Sb 121,76 6,684 0 6,08
Sb2O3 291,52 5,2—5,67
Sb2S3 339,72 4,64 43,50
Теллур
Te2 255.22 6,00—6,25 0 6,15
ГеО2 159,61 5,67—5,91 77,69 15,89
Титан
Ti 17,90 4,50 0 6,01
TiO2 79,90 4,26 218,00 13,16
55
Продолжение табл. 1.18
Компоненты
Молекуляр-
ный вес
Плотность,
0/cAl3
Теплота обра-
зования,
ккал /моль
Удельная
теплоемкость,
кал/мольград
Углерод С. (графит) 12,01 2,25 0 2,066
СО 28,01 1,250 г/л 26,42 6,965
со2 44,01 1,977 г!л 94,26 8,874
Фосфор
Р4 (белый) Р4 (красный) Р4О10 (аморфный) P2Sj P4S7 123,92 123,92 283,92 222,29 348,39 1,82 2,20 2,39 2,03 2,19 0 17,60 734,00 5,55
Хром Сг СГ2О;{ 52,01 152,02 7,20 5,21 0 269,70 5,58 28,38
Цинк Zn ZnO 65,38 81,38 7.14 5,47—5,61 0 83,17 5,99 9,62
Цирконий Zr ZrO2 91,22 123,22 6,40 5,49—5,6 0 258,20
отдельных компонентов при их максимальной (теоретической)
плотности. Объемы отдельных компонентов определяются путем
деления веса каждого компонента на его теоретическую плот-
ность. Объем, занимаемый исходной смесью одного грамм-моля
Fe2O,4 и двух грамм-молей А1, равен
159,7 г , 53,94 г кл / / а
;--о--- .) -м—;-Г — эО,44 СМ6.
5,24 г/см6 2,702 г/см16 ’
Следовательно, объемное тепловыделение составляет 4,0 ккал/см^.
РАСЧЕТ МАКСИМАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ И ВЕСА ЗАРЯДА
При проектировании пиропатронов, используемых в качестве
источников газа, часто требуется вычислить максимальное давле-
ние или вес заряда для обеспечения заданного пика давления.
56
Глава 1
При относительно невысоких плотностях заряжания приемлемая
точность расчета максимального давления в замкнутом объеме
или в устройстве, где все топливо сгорает прежде, чем произойдет
заметное изменение начального объема, обеспечивается следующим
уравнением:
р ____ F
>
где РМакс — максимальное давление, ат\ F — сила пороха,
ат-см3/г; а — коволюм газа, см3/г; А — плотность заряжания,
г/см3.
Коволюм — параметр, связанный с собственным объемом моле-
кул, а плотность заряжания равна весу заряда, деленному на
объем, в котором расширяются продукты сгорания.
Таблица 1.19
Топливо Сила поро- ха F, ат • см^/г Коволюм a, cai3/0
Бездымный порох (SR-5066) 9980 1,24
Бездымный порох (SR-4990 и ти- 9490 1,24
па IMR)
Смесь 50/25/25 фирмы «Дюпон» 7380 1,18
Черный порох А-5 2870 0,99
Свинцовая соль фирмы «Дюпон» 2165 0,71
В табл. 1.19 приведены значения F и а для ряда веществ, чаще
всего используемых в пиропатронах.
Часто для определения приближенного значения максималь-
ного давления в процессе горения обычных топлив используется
модифицированное уравнение Нобеля — Абеля. Хотя это урав-
нение не является точным, оно достаточно для начальных оценок.
Это уравнение имеет следующий вид:
р________р
•с макс — । »
где Рмакс — максимальное давление газа, am; F — средняя сила
пороха, ат-см3/г; А — плотность заряжания, г/см3.
В случае пиропатрона с небольшим воспламенителем из чер-
ного пороха и основным зарядом из бездымного пороха удобно
включить вес воспламенителя в общий вес заряда с поправочным
коэффициентом в виде отношения силы пороха заряда воспла-
менителя к силе пороха основного заряда.
Боевые пиротехнические средства
57
Пример.
Определить максимальное давление газов в замкнутом объеме
2460 см\ образующихся при сгорании 90 г бездымного пороха
Фиг. 1.10. Зависимость максимального давления
от плотности заряжания и силы пороха.
(F =
марки Мб (F = 9660 ат-смЧг) и 6,5 г черного пороха
— 2925 ат-см3/г).
гч у у о . 2925 сип*см^/2
Эффективный вес заряда = 90 г + 6,3 г X ^,г =
УОО1' (ЦП • СМ 'у 2
= 92 г;
Д=2та=°’0374 г/“3’
э 9660 п7г
манс 1 /0,0374 -Г6 Z ° а1П'
Ниже в табл. 1.20 представлены средние значения силы пороха
|1ля ряда веществ, используемых в газогенерирующих устройствах,
g График на фиг. 1.10 может быть использован для оценки плот-
ности заряжания, по которой определяется пик давления в данной
конструкции. Полученные значения достаточно точны для первых
58
Глава 1
Таблица 1,20
Вещество Среднее значение силы пороха, ат • сл13/г
Черный порох Пироцеллюлоза Бездымный порох (Т8, Н8) Бездымный порох (М5) Бездымный порох (Мб) Бездымный порох (М10) Бездымный порох (IMR) Бездымный порох (Unique) Бездымный порох (Bullseye) Бездымный порох (№ 2400) Бездымный порох (Hivel № 2) Бездымный порох (Red Dot) Бездымный порох (Негсо) Бездымный порох (Hi Temp) Смесевое топливо (на основе перхло- рата аммония) 2 930 9 750 9 450 10 760 9 660 10 330 10 050 11 960 11 960 11 170 11 100 И 300 И 150 13 420 12 800
пробных испытаний. Методом интерполяции можно получить
данные для порохов, у которых значение F заключено в пределах
3050—12 200 ат-см3!г.
2
СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ ЖИДКОСТНЫХ
РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Кац Л. {Leonard Katz)
Зажигание жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) значи-
тельно сложнее, чем зажигание ракетных двигателей твердого
топлива (РДТТ), вследствие специфических нестационарных
условий, наблюдаемых при запуске жидкостного двигателя.
В это время компоненты топлива поступают из отдельных баков
в форсуночную головку и впрыскиваются в камеру сгорания.
При этом имеют место неустановившиеся процессы изменения
массового расхода топлива, давления и соотношения компонентов
(отношение весовых расходов окислителя и горючего), сопро-
вождающиеся изменением физико-химических параметров. Если
не происходит быстрого и надежного воспламенения компонен-
тов топлива, скапливающихся в камере сгорания, возникает
опасность жесткого запуска или взрывов, приводящих к раз-
рушению конструкций.
Систему зажигания ЖРД или других установок (газогенерато-
ров или рулевых двигателей) следует рассматривать как средство
быстрого и надежного воспламенения топлив, обеспечивающее
плавный, закономерный и воспроизводимый процесс в заданный
промежуток времени.
На фиг. 2.1 представлена схема типичной двигательной уста-
новки ЖРД. Топливо под давлением подается в газогенератор
и зажигается. Начальное давление подачи топлива обеспечивается
наддувом баков с помощью газогенераторов на твердом топливе
или, в некоторых случаях, за счет напора, создаваемого весом
топлива. Газообразные продукты сгорания из газогенератора
подаются в турбину, которая приводит в действие насосы, направ-
ляющие топливо в камеру сгорания и к газогенератору (для обес-
печения подачи компонентов при запуске). Цикл процесса зажи-
гания завершается воспламенением топлива в камере сгорания,
куда оно поступает из форсуночной головки. На фиг. 2.2 пред-
ставлена схема камеры сгорания с системой зажигания и форсу-
ночной головкой.
Процесс зажигания в ЖРД и других установках можно срав-
нить с разжиганием костра. Во-первых, должна быть спичка,
т. е. механизм начального инициирования, с помощью которого
зажигается запальный факел. Последний воспламеняет топливо.
Если топливо относительно легко воспламеняется и его сравни-
60
Глава 2
тельно немного, то можно ограничиться лишь начальным ини-
циатором (спичкой). Например, некоторые РДТТ запускаются
непосредственно с помощью воспламенителя, выполняющего
роль начального инициатора. Для более крупных двигателей
Ф и г. 2.1. Схема типичной двигательной установки ЖРД.
или в случае трудновоспламеняемого топлива используется вос-
пламенительное устройство пирогенного типа (соответствующее
запальному факелу), которое зажигается с помощью небольшого
воспламенителя. Количество элементов или ступеней в цепи
зажигания определяется характеристиками системы. Небольшие
ЖРД можно запускать непосредственно с помощью пиротехниче-
ского воспламенителя, искровой свечи и т. д. без применения
промежуточной ступени зажигания. Если размеры двигателя
и, следовательно, расход топлива, поступающего в камеру сгора-
ния, достаточно велики, то может потребоваться ступенчатый
запуск, при котором в камеру сгорания вначале подается пуско-
вой расход компонентов, а затем уже обеспечивается подача
Системы зажигания ЖРД
61
топлива с полным расходом. Начальную фазу запуска с пусковым
расходом компонентов можно уподобить запальному факелу.
При проектировании системы зажигания необходимо выбрать
интенсивность и продолжи-
тельность действия пускового
факела.
Система зажигания со-
стоит из одного или не-
скольких зажигательных ус-
тройств, а также устройств
для их проверки и включе-
ния, контроля зажигания
и ряда специальных меха-
низмов (клапанов, трубопро-
водов и др.), которые обеспе-
чивают соответствующее
функционирование системы.
Как это будет показано
в последующих разделах,
в эффективных системах за-
жигания используются пи-
ротехнические средства, ка-
Ф и г. 2.2. Разрез камеры сго-
рания с системой зажигания
и форсуночной головкой.
1 — форсунки со сталкивающимися
струями для иодачи горючего и оки-
слителя, размещенные но всему ди-
аметру форсуночной головки (количе-
ство и размеры форсунок зависят от
расходов горючего и окислителя,
а также от перепада давления); 2,4 —
коллектор горючего: з — коллектор
окислителя; .5 — форсунка для подачи
горючего, идущего на охлаждение сте-
нок камеры сгорания (пленочное ох-
лаждение); в — зажигательное ус-
тройство; 7 — неохлаждаемый уча-
сток камеры сгорания.
талитические эффекты, самовоспламеняющиеся компоненты
жидких топлив, искровые свечи, проволочные сопротивления
и горячие газы. Конструкция системы зажигания зависит от
многих параметров. Необходимо уделить особое внимание следую-
щим характеристикам, рабочим параметрам и эффектам:
составу топлива;
температуре топлива;
динамическим характеристикам подачи топлива и расходу
компонентов;
62
Глава 2
разновременности подачи компонентов топлива;
давлению окружающей среды;
рабочим характеристикам двигателя;
соотношению компонентов топлива;
требованиям повторного запуска;
характеристикам форсуночной головки;
периоду задержки воспламенения;
контролю зажигания;
надежности;
безопасности.
СОСТАВ ТОПЛИВА
Состав топлива оказывает большое влияние на выбор системы
зажигания. Воспламеняемость и рабочие характеристики топлив
являются определяющими факторами при выборе методов зажи-
гания. Для самовоспламеняющихся компонентов топлива (напри-
мер, ингибированная красная дымящая азотная кислота и несим-
метричный диметилгидразин) специального источника зажигания
не требуется. В этом случае форсуночная головка, распыляющая
компоненты топлива и обеспечивающая плавное воспламенение,
одновременно выполняет функции зажигательного устройства.
Можно также добавлять соответствующее вещество к одному
из компонентов топлива, чтобы сделать его самовоспламеняю-
щимся при контакте с другим компонентом.
Топлива с высокой температурой воспламенения, очень низкой
рабочей температурой или с узким интервалом пределов воспла-
меняемости требуют большего притока энергии и более длитель-
ного действия источника зажигания, чем легковоспламеняемое
топливо. Топлива на основе жидкого кислорода и горючего RP
(углеводородное горючее, аналогичное керосину), имеющие тем-
пературу воспламенения около 230° С, относятся к легковоспла-
меняемым топливам. Криогенные топлива на основе водорода
и кислорода хуже воспламеняются и имеют температуру воспла-
менения, равную примерно 620° С.
ТЕМПЕРАТУРА ТОПЛИВА
В общем случае снижение начальной температуры топлива
приводит к сужению его пределов воспламеняемости и затрудняет
его зажигание. Криогенные (низкокипящие) жидкие топлива
могут подводиться к источнику зажигания при температурах
на несколько сот градусов ниже, чем высококипящие топлива.
Для воспламенения низкотемпературных топлив (например, при
—180° С) требуется значительно больший приток энергии. Для
обеспечения надежного воспламенения эта энергия должна под-
держиваться в течение более длительного периода времени.
Системы зажигания ЖРД
63
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОДАЧИ ТОПЛИВА
И РАСХОД КОМПОНЕНТОВ
С увеличением скорости потока топлива и сопровождающей
это явление турбулентности увеличивается потребная энергия
воспламенения. При больших расходах топлива следует таким
образом выбирать метод зажигания, интенсивность и направлен-
ность источника, чтобы предотвратить ослабление его действия
или повреждение элементов конструкции.
РАЗНОВРЕМЕННОСТЬ ПОДАЧИ КОМПОНЕНТОВ
ТОПЛИВА
По-видимому, невозможно обеспечить одновременную подачу
окислителя и горючего в форсуночную головку. При поджигании
некоторых типов топлив и запуске ряда двигательных установок
может потребоваться или оказаться более эффективным опереже-
ние впрыска окислителя или горючего. При значительных откло-
нениях параметров системы запуска двигателя невозможно гаран-
тировать определенную последовательность поступления компо-
нентов в камеру сгорания. В условиях такой’ неопределенности
система зажигания должна быть эффективной независимо от того,
какой из компонентов поступит раньше, или по крайней мере
должна обеспечить приемлемые характеристики при опережении
подачи любого компонента.
РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ
При проектировании системы зажигания должны учитываться
все известные или расчетные рабочие характеристики двигателя.
Выше уже говорилось о роли температуры топлива, его состава,
расхода компонентов, опережения подачи одного из компонентов.
Необходимо также принимать во внимание нижеследующие фак-
торы.
ЗАДЕРЖКА ЗАПУСКА
Температура конструкции двигателя и его элементов при
запуске может оказать существенное влияние на процесс запуска.
Длительные периоды задержки запуска двигательной установки
на криогенном топливе приводят к снижению температуры кон-
струкции и затруднению зажигания (периодом задержки за-
пуска называется время, в течение которого топливо из баков
подведено к рабочим клапанам, двигатель находится в стартовой
готовности, но запуск откладывается по каким-либо причинам).
Если двигатель установлен внутри хвостовой части ракеты, то
температура его конструкции может заметно отличаться от темпе-
ратуры при открытом расположении двигателя.
64
Глава 2
ПРОДУВКА МАГИСТРАЛЕЙ
Продувка магистралей (с помощью инертных газов под давле-
нием) до запуска двигателя может вызвать разбавление компо-
нентов и усложнить запуск.
ВЫСОТНЫЙ ЗАПУСК
Система зажигания обычно проектируется для функциониро-
вания на уровне моря, и ее нормальная работа зависит от атмо-
сферного давления. Если требуется запустить двигатель на боль-
ших высотах, то необходимо компенсировать разность давлений
на уровне моря и высоте. Для повышения давления до требуемого
уровня могут быть использованы герметизирующие мембраны.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОСЛЕ ЗАЖИГАНИЯ
Рабочая температура и давление после зажигания могут
оказаться слишком высокими и вызвать изменение характеристик
и даже разрушение зажигательного устройства. Конструкция
зажигательного устройства должна выдержать эти экстремаль-
ные условия, причем утечка нагретых газов, выброс крупных
осколков и другие эффекты, способные нарушить нормальную
работу двигателя, не допустимы.
Если при работе зажигательного устройства образуются твер-
дые остатки, которые могут усложнить последующий запуск,
то необходимо предусмотреть рационально организованную про-
дувку системы инертным газом. Например, при функционирова-
нии некоторых систем химического зажигания возможно образо-
вание твердых остатков, которые накапливаются и забивают
небольшие каналы. При применении зажигательных устройств
повторного действия необходимо учитывать изменения их состоя-
ния после отключения двигателя. Так, например, при использо-
вании углеводородных горючих искровые свечи могут оказаться
загрязненными сажей. Для постоянного поддержания системы
зажигания в удовлетворительном состоянии необходима ее про-
чистка или продувка.
ФАЗА ЗАЖИГАНИЯ
Система зажигания должна быть приспособлена к каждой
в отдельности и всей совокупности операций запуска ракетного
двигателя. Она должна рассматриваться как часть двигатель-
ной установки с учетом особенностей ее функционирования,
а не просто как придаток к ней. (В большинстве случаев последо-
вательность операций запуска более или менее определена назна-
Системы зажигания ЖРД
65
чением двигателя, его характеристиками или окружающими
условиями; система зажигания должна быть приспособлена к суще-
ствующей последовательности операций и характеристикам дви-
гателя.) Вследствие этих ограничивающих условий в ряде случаев
конструкция системы зажигания обладает очень малой проектной
гибкостью. Во время работы системы зажигания расходы компо-
нентов, давление, соотношение компонентов и, возможно, после-
довательность подачи компонентов должны быть подобраны в пре-
делах допусков для данного двигателя таким образом, чтобы
дать проектировщику как можно больше свободы для организа-
ции процесса на фазе зажигания топлива. На этой фазе должно
произойти быстрое, эффективное и надежное воспламенение топ-
лива при использовании минимальной дополнительной системы
трубопроводов. Обычно на этой фазе топливо подается как можно
ближе к зажигательному устройству. Иногда зажигательное
устройство размещается в форкамере, где и образуется запальный
факел, который затем служит источником зажигания топлива
в основной камере сгорания.
После воспламенения топлива фаза зажигания завершается
и начинается следующая операция запуска двигателя. Заверше-
ние фазы зажигания обычно обнаруживается по сигналам, кото-
рые фиксируют требуемые характеристики процесса зажигания.
В установках меныпего размера с более простыми камерами
сгорания, таких, как газогенераторы и небольшие двигатели,
фаза зажигания обычно не выделяется. В некоторых камерах
сгорания предусматривается уменьшение пускового расхода
топлива и давления, благодаря чему зажигание осуществляется
гораздо проще, чем при подаче расчетного расхода топлива при
расчетном давлении. 13 других случаях запуск начинается сразу
же при полном расходе компонентов.
Таблица 2.1
Газогенератор Основная камера сгорания
Тип двига-* толя пусковой расход, кг/сем полный расход, кг/сек пусковой расход, КЗ/СвК полный расход, не/сен
А 0,91 7,26 1,13 318
В 4,54 77 5,44 2720
С 0,68 4,54 0,91 ИЗ
В табл. 2.1 представлены пусковые и полные расходы компо-
нентов для газогенераторов и основных камер сгорания некото-
рых типичных ракетных двигателей.
5-1088
66
Глава 2
СООТНОШЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА
Соотношением компонентов, как уже упоминалось ранее,
называется весовое отношение расходов окислителя и горючего.
Это очень важный рабочий параметр, определяющий температуру
Соотношение компонентов топлива
ф и г. 2.3. Зависимость расчетной удельной тяги от соотношения
компонентов топлива кислород — водород при равновесном составе
продуктов сгорания.
Рс/ра = 1000, где рс — давление в камере сгорания. — давление окру-
жающей среды (равно давлению на срезе сопла).
продуктов сгорания и существенно влияющий на рабочие харак-
теристики двигателя. На фиг. 2.3 представлена зависимость удель-
ной тяги двигателя от соотношения компонентов топлива кисло-
род — водород. Следует отметить, что оптимальную удельную
Системы зажигания ЖРД
67
тягу имеет обогащенная горючим смесь. На фиг. 2.4 показано
влияние соотношения компонентов этого же топлива на темпера-
туру в камере сгорания. Хотя воспламенение проще всего обеспе-
чить при соотношении компонентов, близком к стехиометриче-
скому, обычно считается, что воспламенение должно произойти
до установления заданного соотношения компонентов.
ф и г. 2.4. Зависимость расчетной температуры в камере сгорания от соот-
ношения компонентов топлива кислород — водород (при равновесном составе
продуктов сгорания).
Рс/Ра = Ю00.
Соотношение компонентов на фазе зажигания изменяется
очень быстро. Например, если вначале в камеру сгорания посту-
пает окислитель, то соотношение компонентов быстро падает
от очень высоких значений. При опережении подачи горючего
соотношение резко возрастает от очень малых значений. Па каком-
то временном интервале этой фазы реализуется соотношение ком-
понентов, выходящее за пределы воспламеняемости топлива.
Зажигательное устройство должно быть достаточно эффективным
для обеспечения воспламенения по достижении пределов вос-
пламеняемости компонентов. Благодаря этому сокращается период
задержки воспламенения, а накопление компонентов топлива,
способное вызвать жесткий запуск, сводится к минимуму.
5*
68
Глава 2
ТРЕБОВАНИЯ ПОВТОРНОГО ЗАПУСКА
Одним из преимуществ жидкостного ракетного двигателя
является возможность его многократного запуска. Для осуще-
ствления повторного запуска не требуется дополнительной раз-
борки и сборки двигателя между запусками. Условия повторного
запуска, даже при стендовых испытаниях, могут существенно
отличаться от условий повторного запуска в натурных условиях.
При проектировании системы зажигания двигателя с повторным
запуском в космическом пространстве следует не только преду-
смотреть возможность повторного включения зажигательного
устройства, но также учесть изменения параметров окружающей
среды в условиях глубокого вакуума и длительных полетов в кос-
мосе с выключенным двигателем.
Часто в процессе длительного полета в космосе с выключенным
двигателем температура элементов конструкции значительно
понижается. Это может потребовать введения в систему зажига-
ния подогревательных устройств для обеспечения ее надежного
функционирования. Возможно, что и давление станет очень
низким. Кроме того, может изменяться положение космиче-
ского аппарата, поэтому функционирование системы воспламене-
ния не должно зависеть от положения двигателя. Если подготовка
к повторному запуску включает продувку магистрали, которая
оказывает влияние на процесс зажигания, то необходимо преду-
смотреть соответствующие меры. Конструкция системы зажигания
должна надежно функционировать во всех возможных условиях
работы.
Система зажигания двигателя с многократным запуском
должна удовлетворять требованию надежного действия при пов-
торных запусках, осуществляемых без использования тяжелых
или сложных механических или электромеханических устройств.
Использование для повторных запусков блока зажигательных
устройств, каждый из которых рассчитан на однократный запуск,
обычно приводит к снижению надежности. Для обеспечения пов-
торных запусков без какой-либо переделки зажигательного
устройства при проектировании последнего должны быть учтены
соответствующие характеристики повторного запуска. Напри-
мер, электроискровое устройство значительно более приспособле-
но для повторных запусков, чем блок из нескольких пиротехниче-
ских воспламенителей. Хотя введение в систему двигательной
установки дополнительного бачка с самовоспламеняющимся
жидким компонентом под давлением связано с использованием
специальных клапанов, такой метод также пригоден для осуще-
ствления повторного запуска.
Системы зажигания ЖРД
69
ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОРСУНОЧНОЙ ГОЛОВКИ
Размер и тип форсуночной головки влияют на конструкцию
системы зажигания. Для больших головок может потребоваться
несколько источников зажигания, надежно обеспечивающих рас-
пространение фронта пламени. Если форсуночная головка раз-
делена на секторы, то могут потребоваться источники зажигания
в каждом секторе. Источники зажигания должны размещаться
с учетом симметрии форсуночной головки.
ПЕРИОД ЗАДЕРЖКИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ
Периодом задержки воспламенения жидкого топлива обычно
называется промежуток времени между начальным моментом
подачи импульса энергии от зажигательного устройства к топливу
и моментом его воспламенения. Это определение несколько отли-
чается от принятого для твердых топлив, но оно обусловлено
относительно большей сложностью процесса запуска ЖРД.
Период задержки воспламенения твердого топлива обычно опре-
деляется как промежуток времени от момента подачи импульса
энергии на воспламенитель до достижения в камере сгорания дав-
ления, составляющего некоторую долю нормального рабочего
давления.
В связи со специфическими особенностями запуска ЖРД часто
отдается предпочтение зажигательным устройствам, функциони-
рующим в течение довольно длительного периода времени перед
поступлением компонентов топлива в камеру сгорания. Пиро-
технические воспламенители, искровые свечи, свечи с элемен-
тами накаливания и т. д. могут выделять энергию в течение
нескольких секунд до момента непосредственного ее использова-
ния. Учет этого времени работы при расчете периода задержки
воспламенения дал бы неправильное представление об истинной
величине этого периода.
Обычно гораздо проще обеспечить работу зажигательного
устройства с запасом по времени, чем сократить допуски па время
срабатывания элементов двигательной установки при ее запуске.
Время работы зажигательного устройства должно перекры-
вать ожидаемое время воспламенения топлива. Например, если
известно, что максимальное время открытия клапанов и поступ-
ления топлива составляет 600 мсек, а минимальное — 100 мсек,
то желательно, чтобы зажигательное устройство работало в тече-
ние 1 сек до ожидаемого момента поступления топлива в камеру
сгорания и в течение 2 сек после ожидаемого момента завершения
фазы зажигания, что в полной мере компенсирует задержку сигна-
лов или задержку срабатывания клапанов и подачи топлива.
70
Глава 2
Выбор нулевого момента времени обычно связан с подачей
топлива. Это либо момент открытия клапана, либо подъема
давления подачи топлива. Определение момента воспламенения
обычно связывается с давлением или температурой в камере сго-
рания.
Система зажигания должна работать в течение довольно про-
должительного периода времени, перекрывающего возможную
длительную задержку подачи топлива, и должна выделять доста-
точное количество энергии для обеспечения минимального периода
задержки воспламенения. Как общий критерий, и особенно для
обеспечения требуемой последовательности операций запуска
двигателя, период задержки воспламенения должен быть вос-
производимым от запуска к запуску.
Период задержки воспламенения определяется с высокой
точностью не только для проверки эффективности самой системы
зажигания, но и, что более важно, для проверки системы двига-
тельной установки и ее элементов. Длительная или невоспроиз-
водимая задержка воспламенения может свидетельствовать
о неудовлетворительном функционировании клапанов, изменении
давления подачи топлива, засорении подающих магистралей,
дефектах изготовления форсунки или других отклонениях.
КОНТРОЛЬ ЗАЖИГАНИЯ
При работе жидкостных ракетных двигателей, в которых сме-
шанные, но еще не воспламенившиеся компоненты топлива могут
создавать опасность взрыва, контроль зажигания является важ-
нейшим средством обеспечения безопасности работы. В ЖРД
специального назначения, особенно при использовании их па
пилотируемых летательных аппаратах, контроль зажигания ста-
новится такой же важной частью системы зажигания, как и сам
механизм зажигания. Хотя конструктивно ЖРД сложнее РДТТ,
контроль его рабочих параметров проще, и, если они не соответ-
ствуют заданным, двигатель можно выключить. Контроль зажи-
гания означает больше, чем простое наблюдение за эффектив-
ностью системы зажигания. Хорошо спроектированная система
контроля зажигания определяет соответствие начальных усло-
вий заданным. Если это соответствие удовлетворительное, то
подается сигнал на выполнение следующей операции запуска.
Система контроля следит за эффективностью запального факела.
При удовлетворительном выполнении этой операции подается
сигнал на выполнение следующей. Затем контролируются осталь-
ные операции запуска и подаются соответствующие сигналы.
Посредством системы контроля осуществляется наблюдение
за работой системы зажигания, измерение периода задержки
Системы зажигания ЖРД 71
1и оценка эффективности зажигания, а также наблюдение за рас-
ходом топлива и факторами, влияющими на процесс запуска.
'i Оптимальная система контроля зажигания должна обнаружи-
вать возникновение основного пламени, а не только пламени
начального инициатора и запального факела. Для большинства
ЖРД контроль процесса запуска включает операцию своевремен-
ного отключения подачи топлива, скорость подачи которого
может быть настолько велика, что сигнал отключения поступает
лишь после того, как происходит опасное скопление компонентов
топлива в камере сгорания. В связи с этим целесообразно, чтобы
рабочий сигнал подавался по завершении контроля па фазе
запального факела.
Контроль зажигания обычно включает также операцию про-
верки готовности системы зажигания. Так, например, контроль
системы зажигания с искровой свечой означает, что искровая
свеча дает искру и действительно готова к работе в системе зажи-
гания. Устройства для контроля готовности системы зажигания
являются частью системы, обеспечивающей соблюдение заданной
последовательности операций запуска, и дополняются устрой-
ствами для контроля зажигания топлива.
Если требования к безопасности или надежности системы
не слишком жестки, часто оказывается достаточным простой
контроль на фазе первичного воспламенения. Например, можно
проверить мостик накаливания в пиротехническом воспламени-
теле на отсутствие обрыва в цепи. Если сигнал на запуск подан,
то обрыв цепи свидетельствует о срабатывании электрозапала.
Эго связано с некоторым риском, поскольку нет полной гаран-
тии надежного срабатывания запала или других элементов цени
воспламенения.
Иногда используется другая фаза контроля — проверка функ-
ционирования ,чишь запального факела. Примером может служить
контроль воспламенения пиротехнического состава. Этот метод
даст дополнительную гарантию того, что сработал не только
электрозапал, по также воспламенился пиротехнический заряд.
Иногда в качестве метода контроля используется проверка подачи
самовоспламеняющегося жидкого компонента. Таким способом
определяется лишь присутствие самовоспламеняющихся ком-
понентов и их расход; воспламенение этим методом не контро-
лируется.
Метод контроля па фазе запального факела часто используется
в системах зажигания небольших устройств — камер сгорания
газогенераторов или рулсвык двигателей. Эти устройства харак-
теризуются относительно низким расходом топлива и обычно
не требуют введения специальной фазы зажигания. Воспламене-
ние происходит на первом этапе последовательности операций
72
Глава 2
запуска двигательной установки. При поступлении контрольного
сигнала от запального факела открываются топливные клапаны,
топливо подается в камеру сгорания, где оно воспламеняется,
и двигатель начинает работать.
Если требования к надежности ракеты и двигательной уста-
новки очень высоки, то должна контролироваться окончательная
стадия зажигания компонентов топлива в основной камере. Для
разделения стадий зажигания запального факела и воспламенения
основного топлива метод контроля должен использовать условия,
связанные только с воспламенением основного топлива. После
воспламенения значительно повышаются температура и давление.
Один из этих параметров может быть использован для подачи
сигнала. Например, размыкание реле давления по достижении
заданного давления газа на входе в турбину вследствие нор-
мальной работы газогенератора может служить сигналом на выпол-
нение очередной операции запуска. При отсутствии этого сигнала
в течение заданного интервала времени производится отключение
двигателя.
Устройство для контроля системы зажигания может и не быть
частью конструкции зажигательного устройства, однако его сиг-
налы характеризуют функционирование системы зажигания при
выполнении последовательности операций запуска двигателя.
Методы контроля зажигания и конструкции соответствующих
устройств могут быть основаны на изменении оптических и акусти-
ческих свойств, а также давления, температуры или электриче-
ских параметров. Для двигателей с повторным запуском зача-
стую трудно разработать приемлемую систему контроля. Нередко
размещение устройства в соответствии с его чувствительностью
оказывается неприемлемым в виду возможного повреждения кон-
струкции в процессе работы двигателя. Ниже описаны некоторые
методы контроля зажигания.
Оптические. Самым простым оптическим детектором является
глаз наблюдателя. До сих пор применяется визуальный метод
контроля зажигания. Другие оптические устройства могут фикси-
ровать пламя, образующееся при воспламенении, с помощью
фотоэлемента или датчиков инфракрасного излучения.
Акустические. Для обнаружения звуковых эффектов, сопро-
вождающих работу системы зажигания, используются микро-
фонные устройства. Характерный звук при срабатывании искро-
вой свечи можно контролировать до момента воспламенения топ-
лива. Также можно зарегистрировать звуковые эффекты в начале
воспламенения и установившегося горения.
По регистрации давления. Датчики давления пли реле давле-
ния могут эффективно использоваться для обнаружения измене-
ния давления в камере сгорания, свидетельствующего об уста-
Системы зажигания ЖРД
73
новлении процесса горения. Эти устройства должны быть доста-
точно чувствительными, чтобы отличить давление в начальный
момент подачи топлива от рабочего давления.
Температурные. Для обнаружения изменения температуры,
сопровождающего процесс воспламенения, могут применяться
термопары или другие термочувствительные устройства. Труднее
всего обеспечить быстродействие таких устройств. Во многих
случаях характеристики самых совершенных из имеющихся
устройств такого типа не удовлетворительны.Обычно применяются
устройства с плавкими элементами, у которых при воспламене-
нии или распространении пламени в камере сгорания происходит
разрыв цепи.
Электрические. Самым распространенным электрическим мето-
дом является контроль мостика накаливания в зажигательных
устройствах с электрозапалом. В некоторых системах с искровой
свечой контролируется появление искры на концах электродон
свечи.
НАДЕЖНОСТЬ
Надежность системы достигается соответствующим контролем
ее качества, а также рациональным проектированием, точным
изготовлением и аккуратным использованием. Очень трудно осу-
ществить проверку надежности или годности зажигательных
устройств, в особенности изделий одноразового действия, которые
сгорают или разрушаются в процессе работы. С помощью ста-
тистических методов контроля качества и приемки по выборочной
партии можно обеспечить заданную высокую надежность таких
устройств.
Если партия состоит из х изделий, то для обеспечения требуе-
мой надежности могут понадобиться испытания 10?б изделий
от всей партии. При более высокой требуемой надежности испы-
тываются 20 или 50% изделий, а в некоторых предельных слу-
чаях — почти вся партия. Следует отметить, что метод выбороч-
ного контроля и приемки по выборочной партии обеспечивает
лишь расчетную надежность. Для проверки надежности необхо-
димо проводить испытания изделий в действительных условиях.
Одним из методов увеличения надежности всей системы являет-
ся применение там, где это возможно, дублированной системы за-
жигания. В этом случае вместо одной используются две пол-
ностью независимые системы. Во время испытаний при отработке
используется только одна система, по поочередно, то первая,
то вторая, чтобы проверить, что системы полностью независимы
и лишь дублируют друг друга. Там, где это возможно, предусмат-
ривается исследовательская программа контроля надежности в за-
висимости от условий и срока хранения изделий.
74
Глава 2
БЕЗОПАСНОСТЬ
Зажигательное устройство должно быть безопасным при сборке,
транспортировке, проверке, монтаже и эксплуатации в полевых
условиях.
Полевые условия, особенно с точки зрения возникновения
случайных потенциалов, блуждающих токов и воздействия радио-
частотных полей, заметно изменились за последние несколько
лет. Создание больших стартовых комплексов, электронное обо-
рудование ракет и использование телеметрической аппаратуры
-содействовали усилению влияния этих факторов и увеличили
трудность контроля за ними.
С появлением ракетных полигонов были разработаны мини-
мальные требования техники безопасности к электровзрывным
устройствам в разрабатываемых системах. Согласно этим требо-
ваниям (которые следует рассматривать как минимальные тре-
бования к проекту), система не должна срабатывать при воздей-
ствии тока 1 а в течение 5 мин, мощности 1 вт в течение 5 мин
или радиочастотного поля интенсивностью 100 вт/м2.
Электрические провода, ведущие к зажигательному устройству,
должны быть скручены и экранированы; недопустимо срабатыва-
ние устройства при разряде статического электричества; длина
проводов должна быть минимальной; провода должны быть шунти-
рованы в течение всего времени хранения вплоть до момента
запуска.
На корпусе зажигательного устройства должны быть нанесены
отметки, указывающие класс взрывоопасности. На основании этих
отметок выбираются методы и условия обращения с такими
устройствами, их транспортировки, хранения и размещения.
Укупорка должна не только защищать зажигательное устрой-
ство от механических повреждений, но и свести к минимуму воз-
можность его случайного срабатывания. Так, например, зажи-
гательные устройства, помещенные внутри металлических контей-
неров, эффективно защищены от токов наведения благодаря
экранирующему эффекту Фарадея.
Обращение с системой, контроль ее и порядок установки на
изделие должны быть полностью описаны в технической докумен-
тации. Следует также указать характер опасности при обращении
с такой системой, рекомендовать меры предосторожности при
выполнении работ, перечислить оборудование и установки, кото-
рые предполагается использовать. Следует предусмотреть спе-
циальную инструкцию обращения с несработавшими при запуске
зажигательными устройствами.
При проектировании системы зажигания, выборе методов
обращения с ней и дополнительного оборудования необходимо
Системы зажигания ЖРД
75
руководствоваться правилом: «Если нарушение может произойти,
оно произойдет». Все меры предосторожности должны неукосни-
тельно выполняться. Каждого человека из обслуживающего персо-
нала следует считать потенциальным виновником неосторожного
обращения с изделиями.
МЕТОДЫ ЗАЖИГАНИЯ
Ниже перечисляются основные методы зажигания жидкостных
ракетных двигателей или специальных устройств.
1. Пиротехническое зажигание.
2. Самовоспламенение.
3. Электрическое зажигание.
4. Зажигание с помощью дополнительного источника нагре-
того газа.
5. Зажигание с помощью химических добавок.
6. Каталитическое зажигание.
ПИРОТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАЖИГАНИЕ
Пиротехнические зажигательные устройства благодаря их
простоте и пригодности для любой конструкции используются для
зажигания топлива в камерах сгорания ЖРД с момента зарожде-
ния ракетной техники до настоящих дней. Часть двигателей или
систем каждой космической ракеты, запущенной до сего времени,
обязательно имела пиротехнические зажигательные устройства.
Типичное пиротехническое зажигательное устройство имеет
вид прессованного столбика из тонкого порошка металла (обычно
бора, алюминия, магния, а также смеси этих или подобные
им металлов), окислителя типа перхлората калия и связую-
щих. Пиротехнический состав обычно воспламеняется электро-
запалом. При горении пиротехнической смеси образуются нагре-
тые раскаленные частицы и высокотемпературные газы, которые
воспламеняют жидкие топлива. На фиг. 2.5 показаны конструк-
ции пиротехнических зажигательных устройств для газогенера-
тора и камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя.
Первые конструкции зажигательных устройств для ЖРД
обычно монтировались на довольно примитивных деревянных
опорах и вставках. Пламя от зажигательного устройства направ-
лялось к плоскости форсуночной головки, и после начала работы
двигателя газообразные продукты сгорания выбрасывали само
устройство, электрические провода и крепежные элементы.
Такое зажигательное устройство было пригодным для камер
сгорания с прочными стенками, которые не получали заметных
повреждений от выбрасываемых осколков. При появлении легких
76
Глава 2
трубчатых камер сгорания возникла потребность в предохране-
нии их стенок от разрушения или деформации остатками за/Ки-
гательного устройства.
Желательно, чтобы пламя от зажигательного устройства
покрывало почти вето плоскость форсуночной головки. Этому
требованию удовлетворяют конструкции зажигательных устройс ib,
Фпт. 2.5. Пиротехнические заданательные устропства для газоте-
нератора и камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя.
а — за/клгагельпое устройство для газогенератора; б — заяшгателыюе
устройство для камеры сгорания ЖРД.
которые создают пламя в виде плоского диска, параллельное пло-
скости форсуночной головки и покрывающее значительную ее
часть. В первых двигателях ракеты «Редстоун» иногда использо-
вались пиро технические зажигательные устройства, укрепленные
в четырех ножках вертушки, имеющей конфигурацию свастики.
При срабатывании устройств создавался вращательный эффект,
который обеспечивал образование фронта пламени в 360°. Другой
особенностью этой конструкции было использование системы
контроля зажигания по разрыву провода, который происходил
после нескольких оборотов вертушки. Одной из трудностей, свя-
занных с использованием вертушек, является необходимость
одновременного воспламенения всех пиротехнических элементов
для поддержания пламени при заданной скорости вращения в пло-
Системы зажигания 7КРД
77
скости, перпендикулярной оси вращения вертушки и параллель-
ной плоскости форсуночной головки.
Необходимость создания плоских симметрично распределен-
ных по плоскости форсуночной головки очагов пламени привела
к разработке парных и групповых зажигательных устройств,
заключенных в один корпус. Эти устройства создавали очаги
пламени, перекрывающие друг друга, обеспечивая распростра-
нение пламени по всей поверхности форсуночной головки. Неко-
торые типы зажигательных устройств состояли из двух элементов,
направлявших форс пламени навстречу друг другу с обра-
зованием широкого отраженного фронта пламени. Усовершен-
ствованный вариант этой конструкции зажигательного устрой-
ства успешно использовался в ранних модификациях двигатель-
ных установок ракет «Тор», «Юпитер», «Атлас» и «Сатурн». Это
зажигательное устройство с радиальным форсом пламени (ROFI)
имеет два противолежащих пиротехнических элемента, при горе-
нии которых образуются потоки газов, направленные навстречу
друг другу. В результате получается круглый плоский фронт пла-
мени. Нафиг. 2.5,6 показано поперечное сечение такого зажигатель-
ного устройства. Следует отметить, что в данной конструкции
имеется 4 электрозапала для воспламенения пиротехнической
смеси: один является основным, а остальные три обеспечивают
надежность воспламенения. Другая особенность этого устрой-
ства — применение мембраны из фольги, которая обеспечивает
герметизацию, а также служит в качестве элемента системы кон-
троля зажигания. При срабатывании только электрозапалов
давления образующихся газов недостаточно для прорыва мем-
браны, имеющей электрическую связь. При воспламенении
пиротехнических элементов образующиеся газы и пламя разру-
шают фольгу, обеспечивая очаг пламени для воспламенения топ-
лива и подачу сигнала о завершении фазы зажигания. Элементы,
названные на фигуре пиропатронами, представляют собой стол-
бики пиротехнической смеси. Следует отметить, что эти элементы
горят навстречу друг другу. Результирующее кольцевое пламя
параллельно плоскости форсуночной головки (его ось совпадает
с осью зажигательного устройства). Зажигательное устройство
ввертывается в форсуночную головку, что исключает потреб-
ность в дополнительных опорных или переходных элементах.
Зажигательное устройство связано с источником питания легкой
электропроводкой, проходящей через сопло камеры сгорания.
При запуске двигателя электрические провода выбрасываются,
а остальная часть устройства сгорает без образования опасных
осколков. Время работы зажигательного устройства составляет
около 4 сек в условиях запуска на уровне моря. Чтобы обеспечить
воспламенение в случае затяжного запуска, на зажигательное
78
Глава 2
устройство подается сигнал приблизительно за V2 сек до подачи
топлива (зажигательное устройство для газогенератора, изобра-
женное на фиг. 2.5,а создает осевое пламя, которое распростра-
няется по плоскости форсуночной головки газогенератора).
Конструкция пиротехнического зажигательного устройства
должна по возможности отвечать следующим основным требова-
ниям:
1. Высокая эффективность воспламенения. Обеспечивается
соответствующим выбором формы пламени, его температуры, соста-
ва продуктов сгорания (в частности, раскаленных частиц) и про-
должительностью действия.
2. Герметичность. Зажигательное устройство должно быть
герметичным для обеспечения длительного хранения как в склад-
ских, так и полевых условиях.
3. Прочность конструкции. В вынесенных за пределы камеры
сгорания зажигательных устройствах не должно быть утечки
газов из устройства или из камеры сгорания через это устройство
во время их работы. Для этого следует пропустить все электриче-
ские выводы через термостойкие уплотнения из стекла и металла
или керамики и металла. Конструкция зажигательного устройства
и монтажных узлов должна быть такова, чтобы свести к минимуму
образование осколков, которые могут повредить элементы дви-
гателя.
4. Безопасность. Зажигательное устройство должно быть
безопасным в обращении, транспортировке, монтаже, использова-
нии и демонтаже в любых неблагоприятных условиях эксплуа-
тации.
5. Надежность. Надежность зажигательного устройства должна
устанавливаться и подтверждаться жестким статистическим
контролем качества и проверкой по выборочным партиям.
Преимущества пиротехнических зажигательных устройств
обусловлены возможностью их использования в жидкостных
ракетных двигателях в разных условиях. Эти устройства обеспе-
чивают высокие энергетические характеристики и, следовательно,
служат хорошим источником воспламенения; они могут работать
в широком диапазоне параметров окружающей среды и использо-
ваться для большинства сочетаний компонентов топлива. Кроме-
того, устройства этого типа относительно дешевы, сохраняют рабо-
тоспособность в течение длительного срока хранения в складских
и полевых условиях и срабатывают от обычных источников энер-
гии. К недостаткам пиротехнических зажигательных устройств
относится потребность в довольно сложных механизмах для
обеспечения повторного запуска. Кроме того, для крупных фор-
суночных головок могут понадобиться многоэлемептные пиротех-
нические устройства, обеспечивающие распространение пламени
Системы зажигания ЖРД
79
по всей поверхности форсуночной головки. При низких темпера-
турах (в случае использования криогенных топлив) может про-
изойти недопустимое отклонение параметров зажигания пиротех-
нических устройств с электрозапалом и их рабочих харак-
теристик.
САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ
При контакте самовоспламеняющихся компонентов они само-
произвольно воспламеняются. Для обеспечения такого воспла-
менения не требуется внешнего источника энергии, так как энер-
гия образуется при химическом взаимодействии компонентов.
К самовоспламеняющимся веществам часто относят воспламеняю-
щиеся на воздухе пирофорные вещества. Некоторые сочетания
жидкого окислителя и горючего являются самовоспламеняющими-
ся и не требуют специального зажигательного устройства. Вос-
пламенение обеспечивается смешением самовоспламеняющихся
компонентов топлива у плоскости форсуночной головки. Это
значительно упрощает конструкцию двигательной установки.
В табл. 2.2 приведены некоторые сочетания компонентов, обра-
зующие самовоспламеняющиеся топлива.
Таблица 2.2
Окислитель
Горючее
Ингибированная красная дымящая
азотная кислота
Перекись водорода
Жидкий фтор
Трифторид хлора
Смеет, жидкого кислорода с жидким
фтором
Жидкий кислород
Четырехокись азота
Анилин, фурфуриловый спирт, три-
этиламип, несимметричный ди-
метилгидразин
Гидразин
Аммиак, водород, гидразин и др.
Гидразин, пентаборап, аммиак или
метиловый спирт
RP-1
Борогидрид лития
Апилип, этилен, ксилидин, гидразин
Преимущества некоторых топливных самовоспламеняющихся
систем иногда снижаюся за счет других их характеристик. Обра-
щение со многими топливами, например соединениями фтора,
очень сложно, кроме того, они могут иметь пониженную удель-
ную тягу по сравнению с требуемой величиной.
В двигателях, работающих на несамосвоспламеняющихся
компонентах топлива, можно организовать процесс самовоспла-
менения за счет введения дополнительного (пускового) компо-
нента, образующего самовоспламеняющуюся смесь с одним
80
Г л а в а 2
из основных компонентов. Жидкий кислород,'1 используемый
в качестве окислителя во многих ЖРД, образует самовоспла-
меняющиеся смеси в сочетании с триэтил алюминием (ТЭА)
и смесью триэтилалгоминия с триэтил бораном (ТЭА Б). При
использовании ТЭАБ период задержки воспламенения умень-
шается и образуется менынее количество конденсированных
продуктов; кроме того, ТЭАБ имеет более низкую точку замерза-
ния, чем ТЭА. Водород воспламеняется при контакте с трифтори-
дом хлора и фтором.
При проектировании системы зажигания необходимо правиль-
но выбрать пусковой компонент топлива и разработать способы
его хранения, обращения и подачи в соответствующий момент для
обеспечения плавного воспламенения с основными компонентами.
Эти способы разнообразны, и конструктор может выбрать любой
из них. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки.
Основным критерием при выборе должна быть простота системы.
Широко использовался способ подачи пускового компонента
из отдельного бачка, откуда он под давлением поступает в камеру
сгорания и смешивается с основными топливными компонентами
у форсуночной головки. Более целесообразно залить пусковой
компонент в магистраль основного компонента топлива, в смеси
с которым эта жидкость не воспламеняется. Основной компонент
вытесняет пусковую жидкость в камеру сгорания, где при ее кон-
такте с другим компонентом происходит спонтанное воспламе-
нение.
Способ подачи пускового компонента из бачка под давлением
имеет ряд преимуществ, обеспечивая контролируемое воспла-
менение и возможность повторных запусков. К его недостаткам
относятся повышенная сложность системы и необходимость
введения в двигательную установку дополнительного бачка под
давлением, а также дополнительной системы трубопроводов
и клапанов.
Применение пускового топлива в ЖРД с большими форсу-
ночными головками дает значительные преимущества. Для дости-
жения плавного выхода на режим такого двигателя обычно тре-
буются многоэлементные источники зажигания. Применяя пуско-
вое топливо, нетрудно обеспечить его равномерное поступление
через несколько точек в форсуночной головке, что позволяет
одновременно получить несколько очагов воспламенения.
Самый простой метод использования пусковых компонен-
тов топлива, который успешно применялся в свое время, состоит
в следующем. Простой цилиндр заполняют пусковым компонен-
том, закрывают с обоих концов разрывными мембранами и поме-
щают его в магистраль с компонентом топлива, который не воспла-
меняется в контакте с данным веществом. Когда давление в маги-
Системы зажигания ЖРД
81
страли достигает заданного уровня, мембраны прорываются
и пусковой компонент вытесняется из цилиндра. Спонтанное
воспламенение, происходящее при контакте пускового и второго
основного компонентов, является источником воспламенения
смешивающихся основных компонентов топлива. Дополнительное
преимущество данного способа состоит в том, что воспламенение
К форсунке
Смесь 15% трцэтилалюминия
К форсунке
Разрывная мембрана
Подача
горючего
Разрывная мембрана
(р —35 ат)
ф и г. 2.6. Капсула с пусковым компонентом для жидкостного
ракетного двигателя.
происходит очень близко к форсуночной головке, вследствие
чего сводится к минимуму возможность возникновения обратных
вспышек.
Таким образом, если в качество пускового компонента для
двигательной установки, работающей на жидком кислороде,
выбран триэтила л юминий, то его можно залить в цилиндриче-
скую капсулу, изображенную на фиг. 2.6, которая вмонтирована
в магистраль горючего. Требуемое количество триэтилалюминия
определяется размерами двигателя и расходом горючего. Объем
пускового компонента должен превышать объем магистрали
за капсулой. Разрывное давление мембран в капсуле определяет-
ся давлением в магистрали, которое ожидается в требуемый
момент подачи пускового компонента. Следует отметить, что
использование давления в магистрали как сигнала начала воспла-
менения позволяет считать систему зажигания данного типа эле-
6-1088
82
Глава 2
ментом двигателя. Систему самовоспламенения целесообразнее
всего использовать для двигателей с программированным изме-
нением давления. В таком двигателе путем контроля давления
на разных этапах запуска (при срабатывании зажигательного
устройства, выходе на режим и рабочем режиме) можно полу-
чить сигналы о завершении каждого этапа. По достижении соот-
Клапан
горючего
системы
запуска.
Капсула,
с пусковым
горючим
X Клапан
основного
горючего
ветствующего давления
поступает сигнал о воз-
можности продолжения
программированного за-
пуска. Если такой сигнал
не поступает в течение
заданного интервала вре-
мени, производится от-
ключение подачи топлива.
Выбор мембраны, разру-
шающейся при заданном
давлении, обеспечивает
функционирование систе-
мы зажигания на требу-
емом рабочем уровне.
На фиг. 2.7 показана
схема системы запуска
с пусковым компонентом
в цилиндрической капсу-
ле, использование которой
Ф и г. 2.7. Схема системы за-
пуска с пусковым компонен-
том в цилиндрической капсуле.
значительно облегчает операции монтажа и демонтажа. При
запуске двигателя с программированным изменением давления
один компонент обычно подается с полным расходом, а второй,
в магистрали которого находится капсула с пусковым компонен-
том, с малым расходом. Пусковой компонент вытесняется в камеру
сгорания и воспламеняется при контакте с основным компонен-
том топлива. С момента поступления сигнала на главный клапан
начинается подача второго компонента с полным расходом.
С помощью герметизации и системы трубопроводов исключается
вероятность выброса самовоспламеняющегося вещества (если
оно является пирофорным) в воздух до осуществления его кон-
такта с соответствующим основным компонентом.
Системы зажигания ЖРД
83
Нередко используется устройство, контролирующее присут-
ствие верхней разрывной мембраны. Этот контроль позволяет
установить, что соответствующим образом заполненная, подготов-
ленная и установленная цилиндрическая капсула находится
на месте. Если окажется, что мембрана разрушена, то сигнал
о готовности двигателя будет отменен. Системы с капсулой, запол-
ненной пусковым компонентом, имеют следующие преимущества:
1. Обеспечивают многоочаговое воспламенение.
2 Обеспечивают воспламенение в непосредственной близости
к плоскости форсуночной головки.
3. Характеризуются очень высокой скоростью выделения
энергии.
4. Отличаются простотой в обращении и хранении (эти капсулы
могут перевозиться и храниться как обычные горючие материалы).
5. Хранятся в течение длительного времени (допустимый
период хранения в полевых условиях обычно составляет около
двух лет).
6. Отличаются простотой конструкции (капсула представляет
собой цилиндр с заштампованными торцами).
7. Имеют очень высокую надежность.
8. Нс требуют переборки и проверки.
Недостатки этих систем:
1. Трудность обеспечения повторного запуска (этот метод
наиболее эффективен для одноразового использования; если
необходимы повторные запуски, то следует объединить в одип
блок несколько капсул; капсулы должны быть изолированы от воз-
действия обратных выбросов давления и температуры, вследствие
чего требуется сложная система клапанов и трубопроводов).
2. Относительно высокая температура замерзания, затрудняю-
щая использование этих систем в установках с криогенными ком-
понентами или в условиях космоса, вследствие чего необходимо
предусматривать обогревающее устройство.
3. Возможность засорения топливных магистралей твердыми
отложениями самовоспламеняющихся жидкостей.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЗАЖИГАНИЕ
Для зажигания могут применяться искровые свечи и свечи
с элементом накаливания.
СВЕЧИ С ЭЛЕМЕНТОМ НАКАЛИВАНИЯ
Свеча с элементом накаливания представляет собой устрой-
ство, имеющее проволочку с большим сопротивлением, которая
сильно раскаляется при прохождении тока. Выделяющегося при
этом тепла достаточно для зажигания некоторых топливных
6*
84
Глава 2
систем. Свечи с элементом накаливания применялись на первых
ракетных двигателях. Их основные преимущества — низкая стои-
мость и простота конструкции. К недостаткам таких систем отно-
сятся сравнительно длительное время достижения температуры
воспламенения; элемент накаливания довольно быстро охлаж-
дается при подаче низкотемпературных топлив; свеча представ-
ляет локальный источник зажигания и может обеспечить лишь
относительно невысокую температуру и энергию воспламенения.
ИСКРОВОЕ ЗАЖИГАНИЕ
Запуск ЖРД можно обеспечить путем воспламенения топлив-
ной смеси электрической искрой. Система искрового зажигания
создает искру путем накопления электрической энергии в конден-
саторе п последующего ее разряда через разрядный промежуток
с образованием мощной электрической дуги. Энергия искры слу-
жит источником зажигания компонентов топлив, подводимых
в окрестность разрядного промежутка. На фиг. 2.8 представлен
Системы зажигания ЖРД
85
типичный блок искрового зажигания, состоящий из искровой свечи,
кабеля и конденсатора системы возбуждения.
Искру можно также получить индукционным способом,
используя катушки, магнето и другое электрическое оборудова-
ние, как в обычных двигателях внутреннего сгорания. Однако
с помощью емкостных искровых устройств обеспечивается более
концентрированный источник энергии зажигания.
Самым важным параметром при искровом методе зажигания
является минимальная энергия разряда, т. е. полная энергия,
выделяемая минимальным разрядом, который обеспечивает вос-
пламенение данной горючей смеси. Минимальная энергия разряда
зависит от следующих факторов: расстояния между электродами;
оптимальной продолжительности искрового разряда; частоты
разряда; положения разрядного промежутка; скорости подачи
компонентов топлива; температуры; давления.
Расстояние между электродами оказывает сильное влияние
на минимальную энергию разряда. Для каждой конфигурации
электродов существует критическое расстояние. Если расстояние
больше критического, то минимальная энергия разряда остается
приблизительно постоянной. При критическом или меньшем
расстоянии между электродами возникает эффект гашения, что
вызывает рост минимальной энергии разряда. Замена материала
электрода не оказывает существенного влияния на энергию разряда
емкостной искровой системы.
Оптимальная продолжительность искрового разряда. Как
правило, чем меньше продолжительность искрового разряда,
тем эффективнее зажигательное устройство. Если энергия, выде-
ляемая системой зажигания, расходуется за более короткое время,
то опа действует как более концентрированный точечный источ-
ник зажигания. Соотношение между энергией и мощностью
искрового разряда имеет вид W == J,t, где W — мощность, вт,
t — время разряда, сек, и J — энергия, дж. Ясно, что чем меньше
время действия искры при заданной энергии разряда, тем выше
ее температура.
Частота разряда. Частота разряда (количество искровых
разрядов в сек) является важным фактором обеспечения опти-
мального зажигания. Теоретически чем больше частота разряда,
тем легче осуществить зажигание. На практике, однако, установле-
но, что с увеличением частоты разряда значительно увеличивается
вес системы возбуждения. Выбранная частота искрообразова-
ния должна быть достаточно высока, чтобы исключить нежела-
тельное или опасное накопление компонентов топлива в промежу-
ток времени между двумя разрядами. Потребность выбора более
высокой частоты определяется предельным отклонением парамет-
ров системы. Установлено, что частота 50 гц обеспечивает надеж-
86
Глава 2
ное воспроизводимое зажигание в двигательной установке при
допустимом весе системы возбуждения. Если для надежности
применяется более чем одна искровая свеча, то они обычно
электрически не связаны друг с другом. Это означает, что в наи-
худших условиях (все свечи срабатывают одновременно) макси-
мальный промежуток времени между разрядами будет равен
20 мсек. Если свечи будут работать со сдвигом по фазе, то проме-
жутки времени между разрядами, естественно, будут более корот-
кими. Если система спроектирована правильно, то воспламенение
топлива должно произойти при первом или втором разряде. При
частоте разряда 50 гц это соответствует максимальному периоду
задержки воспламенения порядка 40 мсек. Если не удастся обеспе-
чить надежное и устойчивое воспламенение топлива до третьего
разряда, то это означает, что система находится на границе надеж-
ного режима или вообще не пригодна к эксплуатации.
Положение разрядного промежутка. Положение разрядного
промежутка в зоне смешения камеры сгорания играет суще-
ственную роль. При соотношении компонентов топлива, близком
стехиометрическому, топливная смесь обычно проще воспламе-
няется, требуя пониженной минимальной энергии разряда.
Поэтому желательно возбуждение искры в зоне стехиометриче-
ского соотношения компонентов. В общем случае рабочее соотно-
шение компонентов значительно ниже стехиометрического. Опти-
мальное положение разрядного промежутка обычно зависит
от характеристик камеры сгорания и форсуночной головки.
Характеристики на фазе воспламенения часто бывают нестацио-
нарными. Соотношение компонентов в непосредственной близо-
сти от электрода искровой свечи, вероятно, будет отличаться от
общего соотношения компонентов. Отбор проб газа в различных
зонах для отыскания наиболее эффективного положения разряд-
ного промежутка связан со значительными трудностями. Отбор
должен производиться во время переходных процессов с помощью
коллекторов, которые сами влияют на соотношение компонентов
в отобранной пробе. Более практичным методом является эмпири-
ческое подтверждение аналитически выбранного положения путем
измерения периода задержки воспламенения, характеристик
камеры сгорания и срока службы искровой свечи.
Срок службы заслуживает специального упоминания ввиду
того, что температура в оптимальной зоне воспламенения может
оказаться слишком высокой, так что длительное пребывание
в ней искровой свечи становится недопустимым. В выбранной
зоне должно не только осуществляться зажигание при минималь-
ной энергии разряда, но и поддерживаться относительно низкая
температура, чтобы увеличить срок службы искровой свечи.
Иногда необходимо предусмотреть охлаждение горючим электро-
Системы зажигания ЖРД
87
дов искровой свечи. При использовании такого охлаждения
не должно быть чрезмерных задержек зажигания или изменения
характеристик работы камеры сгорания.
Скорость подачи компонентов топлива. С увеличением скоро-
сти иодачи компонентов топлива увеличивается необходимая для
его воспламенения энергия разряда. Теоретически показано, что
поток топлива искривляет искру, увеличивая ее длину и соот-
ветственно уменьшая ее эффективное сечение. Если нельзя
уменьшить скорость подачи компонентов топлива, то необходимо
повысить энергию разряда для приведения ее в соответствие
с высокой скоростью потока топлива.
Температура. Чем выше температура находящегося в газо-
образном состоянии топлива, тем ниже минимальная энергия
разряда. При выборе вероятной температуры газа, однако, необ-
ходимо принять во внимание возможность длительных задержек
запуска и утечек из клапанов, которые могут существенно пони-
зить температуру поступающего топлива и окружающих кон-
структивных элементов.
Давление. Высокое давление может погасить искру. При дан-
ном давлении для пробоя разрядного промежутка требуется
определенная энергия. С ростом давления окружающей среды
возрастает и энергия, необходимая для пробоя разрядного про-
межутка. Поскольку с увеличением энергии разряда увеличи-
ваются размеры системы возбуждения и кабелей, существует
верхний предел давления в камере сгорания ЖРД, при котором
могут работать системы зажигания с искровой свечой. Во многих
системах давление до воспламенения равно давлению окружаю-
щей среды. В таких случаях не требуется большого расхода энер-
гии. Гапгенио искры, которое может произойти при повышении
давления после воспламенения топлива, представляет только
академический интерес, поскольку при надежном воспламенении
дополнительной энергии не требуется.
В некоторых двигательных установках для раскрутки турбо-
насосных агрегатов, продувки магистралей и выполнения других
операций запуска в камеру сгорания подаются газы высокого
давления. В этих случаях давление может быть достаточно высо-
ким, чтобы вызвать гашение искры, и должно учитываться при
проектировании искровой системы зажигания.
Типы искровых свечей. В ЖРД используются два основных
типа искровых свечей: низковольтные полупроводникового типа
и высоковольтные с воздушным зазором. В свечах первого типа
между концами электродов находится полупроводниковый эле-
мент, благодаря которому электрический разряд образуется при
сравнительно низких разностях потенциалов (меньше 1000 в).
Система возбуждения, создающая напряжение приблизительно
88
Глава 2
2000 в, обеспечивает необходимую разность потенциалов для
зажигания разряда. (Энергия разряда конденсатора определяется
энергией, накопленной в системе возбуждения, и выражается
уравнением Е = 1/2 СТ2, где Е — накопленная энергия, дж;
С — емкость конденсатора, ф; V — напряжение на клеммах
конденсатора, в. Приблизительно 20% накопленной энергии
высвобождается на электродах в виде энергии разряда.) Свечи
с полупроводниковым элементом имеют одно важнейшее достоин-
ство, заключающееся в том, что зажигание разряда можно кон-
тролировать путем регистрации изменения силы тока. Отсутствие
искры в некоторых случаях (образование внутренней дуги и т. п.)
обязательно отразится на этом изменении.
Свечи с полупроводниковым элементом подвержены воздей-
ствию тепловых ударов, возникающих при использовании крио-
генных топлив. Тепловые удары приводят к образованию зазора
между полупроводником и электродом, что влияет на проводи-
мость. Этот недостаток ограничивает область использования
свечей с полупроводниковым элементом лишь топливными систе-
мами некриогенного типа.
Свечи с зазором обычно имеют воздушный зазор или элемент
из керамики. Конденсаторы системы возбуждения обеспечивают
разрядное напряжение около 25 000 в и энергию разряда (0,5 дж},
достаточную для воспламенения криогенных топлив. Свечи
с зазором не так чувствительны к тепловым ударам. Однако при
использовании таких свечей нельзя контролировать зажигание
разряда.
Разработка и производство искровых свечей, особенно для
ЖРД, выполняется специализированными фирмами. Искровые
свечи должны отвечать спецификации, которая наряду с обыч-
ными условиями на изделия гарантированного качества требует
соблюдения следующих дополнительных условий.
1. Получения удовлетворительных рабочих характеристик
в цепи с выбранным конденсатором системы возбуждения, обеспе-
чивающей минимальное и максимальное выходное напряжение,
заданные накопленную энергию разряда и частоту искровых
разрядов в требуемом интервале температур и давления; характе-
ристики проверяются путем измерения энергии между концами
электродов свечи.
2. Отсутствия загрязнений.
3. Обеспечения удовлетворительного рабочего цикла и дли-
тельного срока службы в заданных окружающих условиях,
включая воздействие максимальных вибрационных нагрузок.
4. Проверки электрических характеристик для обеспечения
необходимого диэлектрического уровня, минимальных утечек
и приемлемых величин радиошумов.
Системы зажигания ЖРД
89*
ФОРСИРОВАННОЕ ИСКРОВОЕ ЗАЖИГАНИЕ
Запуск некоторых типов двигательных установок вследствие
их значительных размеров и (или) специфических особенностей
подачи топлива весьма сложен, а в ряде случаев возможен даже
жесткий запуск. Для уменьшения вероятности возникновения
подобных условий предусматриваются дополнительные очаги
Подача
окислителя
Подача
«орючеео
Тангенциальный
распыл зорючеео
Искровая
свеча
Сталкиваю-
щиеся потоки
окислителя
Фиг. 2.9. Форсированное искровое зажп i ателыгое устройство.
воспламенения п увеличение энергии зажигания. Другим более
эффективным методом является подвод компонентов топлива
непосредственно к электродам искровой свечи. Это обеспечивает
требуемое соотношение компонентов у электродов свечи, а также
передачу энергии горючей смеси за минимально возможное время.
Искровые зажигательные устройства, снабженные специаль-
ной системой подачи топлива, получили название форсированных
искровых зажигательных устройств. На фиг. 2.9 изображено
зажигательное устройство такого типа. Сталкивающиеся потоки
окислителя образуют распыленную завесу, которая при встрече
с потоком горючего создает легковоспламеняемую смесь у элек-
тродов свечи. В реальных условиях форсированные искровые
зажигательные устройства обычно применяются на фазе зажи-
гания (выполняя функции запального факела). Система контроля
зажигания на этой фазе обеспечивает поступление сигнала на
DO
Глава 2
открытие главных клапанов подачи компонентов топлива и после-
дующее воспламенение топлива в основной камере ЖРД. Интерес-
но отметить, что форсированное искровое зажигательное устрой-
ство фактически представляет собой небольшой ракетный двига-
тель.
Эти устройства должны выдерживать длительные запуски;
затем они либо продолжают непрерывно функционировать во вре-
мя работы двигателя, либо в зависимости от устройства двига-
тельной установки выключаются в некоторый момент после выхода
двигателя на рабочий режим. Функционирование форсирован-
ного искрового зажигательного устройства после воспламенения
топлива в камере сгорания двигателя облегчает работу системы
клапанов и упрощает последовательность включения агрегатов.
Выключение зажигательного устройства после выхода двигателя
на рабочий режим, хотя и создает дополнительные трудности,
в то же время имеет определенные преимущества. Его выключе-
ние осуществляется путем отключения подачи окислителя при
сохранении подачи горючего, являющегося одновременно охла-
дителем. Это резко снижает рабочие температуры и позволяет
продлить срок службы устройства п искровой свечи.
В обоих случаях подача энергии на искровую свечу прекра-
щается сразу же после воспламенения топлива в каморе сгорания
двигателя. Период подачи энергии на свечу должен быть мини-
мальным для увеличения срока службы свечи и системы зажига-
ния. Это требование применимо как к форсированным, так
и к простым искровым зажигательным устройствам.
ПРЕИМУЩЕСТВА ИСКРОВОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ
Основным преимуществом искровой системы зажигания сле-
дует считать ее способность обеспечивать многократные запуски
без дополнительного обслуживания в периоды между запусками
(иногда при использовании некоторых типов горючего на элек-
тродах свечи образуется отложение углерода, от которого можно
частично избавиться с помощью продувки).
Продувка двигателя или его отключение но оказывают влия-
ния на искровую систему зажигания.
Искровые зажигательные устройства имеют длительный срок
службы и способны работать в широком интервале температур;
они относительно нечувствительны к низким температурам
и применяются в двигательных установках с криогенными топ-
ливами.
Искровая система зажигания абсолютно безопасна. В ней
не используются воспламеняющиеся взрывоопасные горючие или
токсичные вещества и она не подвержена воздействиям блуж-
Системы .зажигания ЖРД
91
дающих токов, случайных потенциалов или радиолокационных
полей.
Эта система не требует специальных способов обращения, транс-
портировки, хранения и монтажа.
Длительный срок службы и общие рабочие характеристики
позволяют подавать питание на искровую свечу до поступления
компонентов топлива в камеру сгорания, что упрощает операцию
запуска двигателя.
НЕДОСТАТКИ ИСКРОВОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ
Искровая система зажигания — более тяжелое и сложное
устройство, чем практически необходимо для ЖРД однократного
запуска. (Поскольку опа но требует специального обслуживания,
ото в какой-то мере компенсирует указанный недостаток.)
Требуются специальные способы изготовления и контроля
свечей для обеспечения длительного срока службы в тяжелых
условиях вибрации и тепловых ударов.
Искровая система зажигания обеспечивает относительно
низкий выход энергии.
Если не предусмотрены повторные и многократные запуски,
стоимость искровой системы зажигания следует считать отно-
сительно высокой.
ЗАЖИГАНИЕ С ПОМОЩЬЮ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ИСТОЧНИКА
НАГРЕТОГО ГАЗА
Воспламенение топлива в камере сгорания можно осуще-
ствить, подавая нагретые газы к плоскости форсуночной головки.
В этом случае источник нагретого газа должен быть автономным
и выполнять какие-либо другие функции.
Некоторые из описанных выше зажигательных устройств
создают поток нагретых газов, способных вызвать воспламенение,
по они по относятся к группе устройств, использующих энергию
нагретых газов от дополнительного источника.
Воспламенение нагретым газом обычно является вспомога-
тельной операцией. Газы образуются в действующей камере сго-
рания, которая одновременно выполняет другие функции в дви-
гательной установке. Большинство двигательных установок имеет
газогенератор, приводящий в действие турбонасосный агрегат
(фиг. 2.1). Газы из этого генератора можно направить в камеру
сгорания ракетного двигателя или к другим газогенераторам,
рулевым двигателям и т. д. для обеспечения воспламенения топ-
лива в указанных агрегатах. Основным преимуществом системы
зажигания с помощью дополнительного источника нагретого
газа является уменьшение общего количества элементов и источ-
92
Глава 2
ников зажигания в системе запуска. К ее недостаткам относятся
следующие. Во-первых, работа системы зависит от минимального
уровня температуры нагретого газа при поступлении в камеру
сгорания. При резком снижении температуры возможен жесткий
запуск либо вообще не произойдет воспламенения топлива. Для
удовлетворительного функционирования такой системы необхо-
димы короткие термоизолированные, специально сконструирован-
ные газоводы. Дополнительные газоводы и уплотнения могут
привести к росту утечек нагретого газа. Во-вторых, из-за пере-
падов давления между действующими камерами сгорания пли
из-за каких-либо других условий работы системы может потребо-
ваться изоляция камеры сгорания от источника нагретых газов
после воспламенения топлива. Это связано с применением обрат-
ных клапанов или других устройств, которые усложняют систему
и снижают надежность ее работы.
ЗАЖИГАНИЕ С ПОМОЩЬЮ ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК
Существуют химические соединения, при добавлении которых
к одному из компонентов топлива происходит самовоспламенение
в процессе смешения компонентов. Такие добавки участвуют
в реакции и поэтому не могут рассматриваться как катализаторы.
В табл. 2.3 приведены примеры добавок в сочетании с соответ-
ствующими компонентами топлива.
Таблица 2.2
Топливо
Жидкий кислород — горючее
RP-1
Жидкий кислород — жидкий
водород
Амгниак — азотный тетраксид
Добавка
Фтор (добавляется к жидкому кислороду)
Дпфторид озона (добавляется к жидкому
кислороду)
Литий в твердом состоянии (добавляется
к аммиаку)
Применение добавок часто связано с определенными трудно-
стями. Соединения фтора, например, усложняют проблему
совместимости компонентов топлива с материалом бака. В этом
случае необходимо пассивировать стенки бака и применять спе-
циальные уплотнительные материалы.
Преимущества химических добавок очевидны. Использование
самовоспламеняющихся компонентов топлива исключает необхо-
димость в зажигательном устройстве. Путем соответствующего
подбора конструкции форсуночной головки обеспечивается смеше-
ние компонентов топлива и быстрое плавное воспламенение.
Системы зажигания ЖРД
93
КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ЗАЖИГАНИЕ
Каталитическое зажигание происходит в результате действия
реагента, ускоряющего реакцию взаимодействия топливных ком-
понентов или их разложение. Этот реагент не изменяется и не рас-
ходуется в процессе реакции. Как отмечалось ранее, при добавле-
нии некоторых веществ к компонентам топлива последние при-
обретают свойства самовоспламеняющихся материалов. Эти реа-
генты принимают участие в реакции и в связи с этим относятся
к химическим добавкам. Следует отметить также, что самовос-
пламеняющиеся жидкости, по определению, не входят в разряд
каталитических соединений, так как принимают участие в хими-
ческой реакции.
Катализаторы могут быть жидкими и твердыми. Жидкие ката-
лизаторы обычно используются в распыленном виде. Жидкость
подается под давлением для обеспечения смешения или контакта
с соответствующим компонентом. Твердые катализаторы могут
иметь вид таблеток, проволочек, сеток и т. д., причем компо-
нент поступает через пакет катализатора.
Самый простой случай каталитического зажигания имеет
место при использовании однокомпонентного топлива с катализа-
тором. В этом случае необходимо лишь обеспечить контакт топ-
лива с катализатором. Примером однокомпонентной топливной
системы с жидким катализатором является перекись водорода
с перманганатом калия, которая применялась в первых конструк-
циях ЖРД. Катализатор действует па перекись водорода, вызы-
вая се разложение с образованием водяного пара и свободного
кислорода. Для этой же комбинации было исследовано влияние
твердого катализатора. Таблетки из пористого бетона или кера-
мики погружают в раствор перманганата калия, где они находят-
ся до тех пор, пока катализатор не адсорбируется на поверхности
пор. Затем таблетки помещают в капсулу, расположенную таким
образом, чтобы поток перекиси водорода контактировал с ними.
Описанные системы могут использоваться в сочетании с углеводо-
родными горючими. В двухкомпонентном топливе перекись водо-
**рода — керосин или горючее RP-1 перекись водорода разлагается
при контакте с катализатором и образующийся свободный кисло-
род смешивается с непрерывной струей горючего. Температура
продуктов каталитического разложения достаточна, чтобы
вызвать плавное воспламенение топливной смеси горючее — кис-
лород. В тех случаях, когда в качестве катализатора применяют-
ся металлические элементы (из платины, серебра и т. д.), они
используются в виде проволочных сеток или губок. В табл. 2.4
приведены некоторые сочетания топлив и катализаторов. Катали-
заторы просты, не создают никаких неудобств при эксплуатации
94
Глава 2
Таблица 2.4
Топлиго Катализатор
Перекись водорода Гидразин Жпдкпй кислород — водород Перманганат калия, пермапгапат кальция (подается в виде жидкой струп или нанесен на керамическую подложку). Сетка из серебра или кобальта. Двуокись марганца, двуокись алюминия на под- ложке Железо, никель, кобальт на керамической подложке (требуется предварительный нагрев). Медь, кобальт на подложке Платиновая проволока, губка; палладий на керами- ческой подложке
и обеспечивают возможность повторного запуска. Применение
твердых катализаторов различной формы (пакеты, губки, таб-
летки и т. д.) максимально упрощает последовательность опера-
ций запуска ЖРД. При повторных запусках часто бывает целесо-
образно использовать жидкий катализатор и систему наддува.
Хотя твердый катализатор, казалось бы, более прост в эксплуа-
тации, нередко высокие температуры в камере сгорания вызывают
повреждение пакета катализатора.
ПРИМЕРЫ ВЫБОРА СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ
Существует много доводов за и против, которые необходимо
учитывать при выборе соответствующих систем зажигания ЖРД.
В качестве примера рассмотрим гипотетическую установку, для
которой ориентировочно выберем и оценим систему зажигания.
Двигательная установка состоит из газогенератора, основной
камеры сгорания и рулевого двигателя. В качестве компонентов
топлива используются жидкий кислород и горючее RP-1. Повтор-
ный запуск установки в полете не требуется.
ЗАЖИГАНИЕ 1’, КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОГЕНЕРАТОРА
Прежде всего должен быть запущен газогенератор (газы,
образующиеся в камере сгорания газогенератора, приводят в дей-
ствие турбонасосный агрегат, используемый для подачи основных
компонентов топлива). При оценке необходимо учесть следующие
факторы. Компоненты топлива не самовоспламеняются. Для
осуществления воспламенения можно ввести добавки к ком-
понентам топлива, использовать отдельный источник зажигания
или катализаторы. Чтобы сделать рассматриваемую топливную
систему самовоспламеняющейся, к жидкому кислороду можно
добавить фтор или его соединения. В данном примере предполагает-
Системы, зажигания ЖРД
95
ся, что в конструкции двигательной установки используются стан-
дартные уплотнения, насосы и конструкционные материалы (все
они подвержены химическому воздействию фтора). Это исключает
применение фтора. Ввиду отсутствия апробированного катализа-
тора для топлива жидкий кислород — горючее RP-1 приходится
отказаться от каталитического зажигания. Можно использовать
искровое или пиротехническое зажигательные устройства либо
пусковой самовоспламеняющийся компонент. В последнем слу-
чае необходим дополнительный источник давления. Применение
и использование такого источника усложняет систему зажигания
и установку в целом. В тех конструктивных схемах, где для
раскрутки турбонасосного агрегата применяются баллоны сжа-
того газа, обеспечиваемое ими давление обычно непригодно для
подачи самовоспламеняющейся жидкости из капсулы. Это исклю-
чает применение системы с пусковым компонентом. При выборе
между искровым и пиротехническим методами зажигания в усло-
виях одноразового запуска следует отдать предпочтение пиро-
техническому устройству ввиду того, что оно выделяет больше
энергии. Таким образом для газогенератора целесообразно исполь-
зовать пиротехническую систему зажигания.
ЗАЖИГАНИЕ В ОСНОВНОЙ КАМЕРЕ СГОРАНИЯ
Следует иметь в виду, что нагретые газы из газогенератора
могут быть использованы для системы зажигания топлива в основ-
ной камере сгорания. Подвод нагретого газа в камеру сгорания
исключает необходимость в дополнительной системе зажигания,
по при этом увеличивается количество газоводов, уплотнений
и клапанов. Кроме того, температура, создаваемая источником
зажигания вблизи форсуночной головки, может оказаться крити-
ческой. Пиротехническое зажигание предпочтительнее по сравне-
нию с искровым по тем же причинам, что ив случае газогенератора.
Можно использовать метод зажигания с помощью пускового
компонента. Давление компонентов топлива, поступающих из
турбонасосного агрегата, достаточно для функционирования кап-
сулы с пусковым компонентом. Преимущества этого метода
запуска описаны в разд. {(Самовоспламенение» (стр. 79). Таким
образом, для основной камеры сгорания можно рекомендовать
метод самовоспламенения.
ЗАЖИГАНИЕ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ РУЛЕВОГО
ДВИГАТЕЛЯ
При выборе системы зажигания для рулевого двигателя сле-
дует руководствоваться теми же соображениями, что и при выборе
системы зажигания для основной камеры сгорания. Следова-
тельно, вывод будет таким же, как и в предыдущем случае.
3
СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАКЕТНЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
Крамер Ф. (Frank В. Cramer)
Первоначально методы воспламенения ракетных двигателей
твердого топлива были заимствованы из артиллерии. Появление
к концу второй мировой войны ракетных двигателей с высокими
энергетическими характеристиками привело к заметному измене-
нию геометрических параметров зарядов, большему разнообразию
типов топлив, условий их использования и меныпему отклонению
от поминала рабочих характеристик.
Воспламенение в РДТТ представляет собой совокупность
последовательных процессов, протекающих за очень короткий
период времени. Эти процессы обычно начинаются с подачи
электрического импульса на воспламенитель. Энергия этого
импульса воспринимается инициирующим зарядом. Затем воспла-
меняется передаточный заряд, который в свою очередь воспламе-
няет основной заряд воспламенителя. Энергия, выделяемая при
горении основного заряда воспламенителя, является источником
воспламенения заряда твердого топлива двигателя, обеспечивает
быстрое распространение пламени по поверхности заряда и влияет
на рост давления в камере сгорания при запуске двигателя. После
распространения пламени по всей поверхности заряда и достиже-
ния номинального расчетного давления в камере сгорания про-
цесс воспламенения считается завершенным.
Выход на режим большого двигателя может происходить
в течение нескольких сотен миллисекунд. Во многих ракетных
системах допустимый период выхода на рабочий режим составляет
лишь несколько миллисекунд, что определяется назначением
двигателя. Кроме требований, предъявляемых к периоду выхода
двигателя на режим и величине энергии воспламенения, часто
задается максимальный уровень перегрузок, которые не вызы-
вают разрушения или заметной деформации заряда и корпуса
ракетного двигателя. Кроме того, как и для других бортовых
систем, задаются ограничения по весу системы воспламенения.
В этой главе будут рассмотрены требования к системам вос-
пламенения различных РДТТ и описаны разные типы воспламе-
нителей с анализом их преимуществ и недостатков.
Системы воспламенения РДТТ
97
ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ
Воспламенением можно назвать такой процесс, при котором
происходит локальное выделение тепла за счет экзотермической
реакции в количестве, достаточном, чтобы тепловыделение превы-
шало потери энергии в окружающую среду. В настоящее время
принято считан., что при стационарном горении твердого топлива
основное количество тепла выделяется в результате реакций,
происходящих в газовой фазе. Воспламенение частично связано
с геми начальными экзотермическими реакциями, которые ком-
пенсируют потери тепла в окружающую среду и, таким образом,
приводят к увеличению локальной температуры, а следовательно,
к ускорению этих реакций до состояния установившегося горения.
Условия, при которых происходит это явление в случат1 смесевых
твердых топлив, пока еще не установлены. Если принять, что
процессы, протекающие в конденсированной фазе, определяют
реакции воспламенения, то следует считать, что в этой фазе про-
исходят экзотермические реакции с большими скоростями тепло-
выделения, чем теплопотерь. Хикс разработал наиболее полную
математическую модель процесса воспламенения, обусловленного
экзотермическими реакциями в конденсированной фазе. Его метод
основан на работах Д. А. Франк-Каменецкого и других исследова-
телей проблемы теплового взрыва.
Пока еще не выяснен вопрос, могут ли протекать такие реакции
со скоростью, необходимой для воспламенения заряда РДТТ,
или артиллерийских зарядов, тем не менее обычно принимается,
что в случае топлив на основе нитратов подобные экзотер-
мические реакции происходят в конденсированной фазе и могут
играть определяющую роль в процессе воспламенения. Это было
обнаружено во время исследований процесса медленного само-
воспламенения при изучении стабильности горения топлив такого
тина.
Предположение о том, что подобные реакции могут играть
определяющую роль при воспламенении обычных смесовых топлив
па основе перхлората аммония, отвергается большинством иссле-
дователей. Обычно принимается, что экзотермическим реакциям
разложения должна предшествовать эндотермическая сублимация
перхлората аммония.
Мнение большинства исследователей процесса воспламенения
твердых топлив сводится к тому, что критические экзотермические
реакции, приводящие к развитию процесса воспламенения, про-
исходят либо в газовой фазе непосредственно у поверхности
твердого топлива, либо на границе раздела газовой и конденси-
рованной фаз. Согласно имеющимся экспериментальным дан-
ным, период задержки воспламенения зависит от плотности
7—1088
98
Глава 3
теплового потока, состава газов у поверхности топлива, давления
газа над поверхностью топлива и скорости газового потока
у поверхности топлива. Действительный период задержки вос-
пламенения в значительной степени зависит от времени, необхо-
димого для повышения температуры поверхности топлива. Тепло-
вой поток, поступающий к поверхности топлива, не только обеспе-
чивает прогрев поверхностного слоя топлива, но и компенси-
рует теплопередачу внутрь топлива, а также эндотермические
реакции разложения его компонентов в газовой фазе, протекаю-
щие с большим поглощением тепла. Согласно газофазной теории
воспламенения, поверхность топлива должна прогреться до
такой температуры, при которой скорость газификации допу-
скает возникновение самоподдерживающепся экзотермической
реакции, обеспечивающей стационарное горение топлива. Соглас-
но теории воспламенения, основанной на предположении об
определяющей роли реакций на поверхности топлива, температу-
ра поверхности элементов горючего должна достичь такого уровня,
при котором реакции с газообразным окислителем происходят
со скоростью, обеспечивающей преобладающую роль тепловыде-
ления над теплопотерями.
При экспериментальном определении энергии воспламенения
используются два метода: метод нагрева образцов топлива излу-
чением и метод нагрева горячим газом. Для исследования воспла-
менения образцов топлива при сравнительно невысоких тепловых
потоках их помещали в трубчатую печь; для получения более
высоких тепловых потоков использовали дуговые отражательные
печи. Метод нагрева горячим газом применялся для случаев непод-
вижной атмосферы и обдува потоком со скоростью до М — 0,5.
Исследования второго типа выполнялись в ударных трубах
и модельных двигателях с прозрачной камерой на инертных газах,
газообразных окислителях и реальных продуктах сгорания топлив.
Для большинства твердых топлив минимальная энергия вос-
пламенения составляет от 2 до 10 кал’см1. Если требуется суще-
ственно сократить период задержки воспламенения, то необходи-
мы тепловые потоки порядка 50—200 кал!смг• сек. Например,
для воспламенения топлива с минимальной энергией воспламе-
нения, равной 5 кал/см2, при данных условиях в течение 10 мсек
может потребоваться тепловой поток 200 кал/см1 сек. Обычно
если давление превышает атмосферное, то оно оказывает относи-
тельно небольшое влияние на минимальную энергию воспламе-
нения топлива, но при давлении ниже атмосферного минимальная
энергия воспламенения существенно повышается. Если конвек-
ция нагретого газа является основным способом переноса тепла
к поверхности топлива, давление окружающей среды оказывает
значительное влияние на период задержки воспламенения.
Системы воспламенения РДТТ
99
ВОСПЛАМЕНЕНИЕ В РАКЕТНОМ ДВИГАТЕЛЕ
ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
В ракетном двигателе твердого топлива под периодом воспла-
менения понимается не просто отрезок времени, необходимый
для нагревания топливного заряда до температуры воспламенения
топлива, а полный период времени между моментом подачи сиг-
нала на воспламенитель и моментом, когда внутрибаллистические
параметры двигателя достигают заданного уровня. В качестве
таких параметров часто произвольно задают давление в камере
сгорания или уровень тяги, соответствующий 75% поминального
значения. Полное время воспламенения суммируется из затрат
времени на срабатывание воспламенителя, передачу энергии
от продуктов сгорания к поверхпости заряда в количестве, доста-
точном для воспламенения топлива, распространения пламени
но поверхности заряда и повышения давления в камере сгорания
РДТТ до расчетного рабочего уровня.
Очень трудно на основе измеряемых обычными методами пара-
метров выделить отдельные стадии процесса воспламенения.
Относительная продолжительность каждой из этих стадий должна
быть установлена с помощью высокочастотных измерений давле-
ния в камере двигателя. Период времени от подачи сигнала
на электрозапал до первого пика давления обычно определяется
как время срабатывания воспламенителя; некоторое время спустя
начинается воспламенение поверхности топлива. Анализ изме-
нения наклона кривой давления в функции времени необходимо
проводить с учетом образования и расхода продуктов сгорания
воспламенителя, а также относительной скорости распростра-
нения пламени но поверхности заряда. Распространение пламени
по поверхности заряда определяется главным образом массовой
скоростью потока газов, генерированных воспламенителем, и про-
дуктов сгорания уже воспламенившейся части заряда.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЯ
В этом разделе рассматриваются типичные конструктивные-
элементы и пиротехнические смеси, которые используются в вос-
пламенителях. Приведено описание применявшихся ранее кон-
струкций и современных воспламенителей.
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЯ
Во всех воспламенителях используется запал, который пре-
образует начальный сигнал (электрический, механический или
тепловой) в первичный импульс горения или детонации, после
7*
100 Глава 3
чего процесс распространяется по всем элементам воспламенителя,
а затем начинается воспламенение топливного заряда. В подав-
ляющем большинстве воспламенителей РДТТ используется элек-
трический сигнал, который создает начальный тепловой импульс,
инициирующий реакцию горения некоторых типов чувствитель-
ных пиротехнических смесей.
Электрические запалы для воспламенителей могут быть двух
основных типов: пироэлектрозапалы и пиропатроны. Оба типа
запалов состоят из одинаковых основных элементов, однако
отличаются по конструкции и областям применения.
Электрическая схема
Ф и г. 3.1. Электрозапал МК-2.
7 — позолоченный металлический корпус; 2 — уста-
новочная втулка; 3 — инициирующая смесь; 4 — пере-
даточный заряд; 5 — основной заряд; 6 — мостик нака-
ливания; 7 — выводные концы.’
Примечание. Все размеры даны в миллиметрах.
Пироэлектрозапалы широко используются вследствие их
доступности и дешевизны. Типичный пироэлектрозапал состоит
из каучуковой или пластмассовой втулки с проводниками (изго-
товленной заливкой массы в форму с находящимися в ней про-
водниками) и тонкой металлической или пластмассовой оболочки,
содержащей химически активные компоненты (фиг. 3.1). Эго
устройство обычно помещается в массе передаточного заряда из
порошкообразной или таблетированной смеси, обеспечивающего
усиление форса пламени воспламенителя. Такие электрозапалы
использовались в первых типах конструкций воспламенителей
(в виде мешочков, коробок, пластмассовых оболочек или руло-
нов) (фиг. 3.2).
Пиропатрон непосредственно ввертывается в корпус воспла-
менителя, обеспечивая надежную герметизацию. Обычно он
состоит из оболочки (нержавеющая сталь) с электродом, проходя-
щим через уплотнение из материала с хорошими диэлектрическими
свойствами (плавленое стекло или керамика). Запал такого типа
обеспечивает надежную герметизацию при высоких давлениях;
его часто размещают в воспламенителе или ракетном двигателе
Системы воспламенения РДТТ
101
таким образом, чтобы его можно было легко удалить при демон-
таже или замене. Конструкция типичного пиропатрона показана
на фиг. 3.3.
К выпускаемым фирмами электрозапалам обычно прилагается
паспорт с указанием времени действия, допустимых диапазонов
Фиг. 3.2. Коробочный воспламенитель.
1 — заряд воспламенителя; 2 — корпус; 3 — электрозапал; 4 — гай-
ка; 5 — закатка; 6 — короткая втулка; 7 — крышка; 8 — отбор-
товка; 9 — заглушка; 10 — hona воздействия давления.
температур и давлений, в которых они нормально функционируют,
давлении, создаваемом в замкнутом пространстве, надежности
и указываются два уровня энергии, обеспечивающие 100%-ное
Ф и г. 3.3.
мостиками
Пиропатрон
накаливания
электродом.
с двумя
и одним
рабатывание запалов и 100%-ный отказ. Электрический сигнал
обычно преобразуется в тепловой импульс с помощью одной
из пяти систем: мостика накаливания (проволочного), графитового
мостика, токопроводящей смеси, взрывающегося мостика и раз-
рядного промежутка. Благодаря простоте конструкции мостик
102
Глава 3
накаливания используется чаще всего. При выборе мостика
накаливания необходимо принимать во внимание совместимость
материала проволоки с компонентами пиротехнической смеси,
величину подводимой энергии и температуру инициирования.
Диаметры мостика накаливания могут быть равными от 0,025
до 0,1 мм. Проволочки изготавливаются обычно из нихрома,
нихрома V, сплавов платины с иридием, платины с родием,
а также различных хромоникелевых сплавов. При прохождении
тока температура проволочки повышается и тепло передается
окружающей смеси, повышая ее температуру до температуры
воспламенения. Если теплопотери мостика накаливания в окружа-
жающую среду становятся равными притоку энергии к нему
до достижения температуры воспламенения, то запал не срабаты-
вает. Поскольку теплоотдача в окружающую среду является
функцией времени, то при более быстром выделении энергии
в мостике накаливания требуется меньшее количество энергии для
обеспечения 100%-ного срабатывания воспламенителя при данных
параметрах его конструкции.
При умейьшении скорости поступления энергии в запал воз-
растают теплопотери мостика накаливания, и если не использо-
вать кратковременный импульс с большой амплитудой, то очень
трудно обеспечить необходимое соотношение между массой и под-
водимым теплом в соответствии с основным уравнением энергии.
Даже в тех случаях, когда энергия подается на мостик в течение
5 мсек, ее потери составляют более 2/3. Если не применяется
пиковая подача энергии, например, с помощью разрядного кон-
денсатора, то обычно при проектировании пользуются величиной
подводимой энергии на единицу поверхности мостика накалива-
ния. Необходимо обеспечить такую удельную энергию, при кото-
рой мостик накаливания сможет функционировать. Если задана
сила тока на входе, то удельную энергию можно увеличить путем
уменьшения размера проволочки или повышения ее удельного
сопротивления. Если задано напряжение на входе, то удельную
энергию можно увеличить либо путем увеличения диаметра про-
волочки, либо путем уменьшения ее длины или удельного сопро-
тивления. Используется следующее уравнение для удельной
энергии:
W _ E2nD п
А 2,47£>3 ~
где W — мощность, вт\ А — площадь, см2\ I — сила тока, а;
К — удельное сопротивление, ом-см’, D — диаметр, см\ Е —
э. д. с., в’, I — длина, см.
Если энергия поступает на запал с очень высокой скоростью,
например осуществляется пиковая подача энергии с большой
Системы воспламенения РДТТ 103
амплитудой в течение короткого периода времени, то можно
воспользоваться основным уравнением энергии для получения
соотношения между подводимой мощностью и размерами системы:
+ L = Д , (3.2) *)
где АГ — прирост температуры, °C; L — падение температуры, °C;
Q — тепловой эффект, кал", М — вес, г; Ср — удельная теплоем-
кость материала проволоки, кал/г - град\ С — емкость, ф‘ о —
удельный вес материала проволоки, г/см3', t — время, сек.
При проектировании системы с мостиком накаливания и обес-
печении ее надежности следует иметь в виду, что даже незначи-
тельные дефекты могут привести к серьезным последствиям.
Разрыв мостика легко обнаруживается по разрыву цепи. Однако
перекручивание проводника или мельчайшие дефекты, не заме-
ченные при контроле, могут вызвать изменение рабочих харак-
теристик.
Мостик из углерода или графита образуется путем нанесения
полоски суспензии коллоидного графита в летучем растворителе
на изолированную поверхность между двумя электрическими
проводниками. Такой элемент может работать при очень низком
уровне энергии. Так, например, для инициирования свинцовой
соли стифниновой кислоты достаточно энергии 10 эрг. Чрезвы-
чайно высокая чувствительность требует строжайшего соблюде-
ния правил техники безопасности, которые надо учитывать при
проектировании системы. Высокая чувствительность является
результатом обратной зависимости удельного сопротивления
углерода от температуры, благодаря использованию подобного
мостика накаливания нагреваемая масса уменьшается до мини-
мума, сопротивление мостика в процессе его нагрева снижается
а сила тока возрастает. Вследствие этого температура воспламе-
нения достигается при очень малых уровнях подводимой энер-
гии. Вместе с тем проектирование такой системы с обеспечением
эффективного контроля условий, при которых запалы не сраба-
тывают, представляет значительную трудность.
Можно сделать электропроводным инициирующий заряд
путем использования смеси коллоидного углерода с взрывчатым
веществом. В таком случае заряд одновременно выполняет функ-
ции подогревателя, а путь прохождения тока определяется фор-
мой заряда. Для надежного инициирования таких систем обычно
требуется сила тока, равная по крайней мере 2 а. При использова-
нии углеродного мостика и электропроводной горючей смеси
х) Формула справедлива при {НО}2 — — Прим, перев.
104
Глава 3
отпадает потребность в операции сварки или пайки мостика нака-
ливания, что является преимуществом этих систем.
В связи с разработкой в последние годы устройств с взрываю-
щимися мостиками были созданы высоковольтные электроза-
палы, относительно нечувствительные к блуждающим низковольт-
ным токам, которые могут возникнуть в зоне крупных ракет
или снарядов. Типичные характеристики таких систем:
100% -пое срабатывание
100%-ный отказ
Напряжение 36 в постоянного тока
Напряжение 114 в постоянного тока
Напряжение 250 в постоянного тока
Напряжение 500 в постоянного тока
Напряжение 9000 в постоянного тока
Напряжение постоянного тока
2000 в мф
Короткое замыкание электродов
или заземление одного электрода
Источник с полным сопротивле-
нием м,1 ОЛ1
Источник с силой тока 20 а
Источник с силой тока 30 а
Источник 1 мф>
Источник 500 лкф
Система с взрывающимся мостиком работает по принципу
испарения мостика с образованием плазмы для инициирования
относительно малочувствительного вещества запального устрой-
ства. Такие системы, очевидно, гораздо безопаснее, чем системы,
срабатывающие при подводе энергии в несколько эргов.
ИНИЦИИРУЮЩИЕ ЗАРЯДЫ
Размещенные в непосредственном контакте с мостиком накали-
вания высокоэнергетические и чувствительные к тепловым воз-
действиям смеси быстро и надежно воспламеняются при воздей-
ствии инициирующего импульса. Для инициирующего заряда
обычно используются свинцовая соль стифниновой кислоты, азид
свинца, мононитрорезорцинат свинца, тетразен, гремучая ртуть
диазодипитрофенол, черный порох и пиротехнические смеси, содер-
жащие цирконий и окислитель (табл. 3.1).
Разработан ряд методов изготовления зарядов из этих смесей
с заключенным в них мостиком накаливания.
Бисерный метод. Короткими мазками кисточки на мостик
нанизывается бисерообразная капелька из приготовленной на
нитроцеллюлозном лаке пастообразной пиротехнической смеси.
Таким методом трудно обеспечить постоянные размеры капель
и высокую плотность пиротехнического инициирующего заряда.
Метод заливки. Полость, где находится мостик накаливания,
заполняется жидкой пастой аналогичного состава, что и в пре-
дыдущем случае. Важно, чтобы смесь полностью высохла перед
Системы воспламенения РДТТ
105-
Таблица 3.1
Компонент № 1 Компонент № 2 Компонент № 3
вещество со- дер- жа- ние, % вещество со- дер- жа- иие, о/ /0 вещество СО- дер- жа- ние, %
Черный порох 100
Тетранитрат пен- 33 1 Цирконий 1 33 4 Ba(NO3)2 33 4
таэритрита
(ТЭП)
Гранулированный 50 Свинцовая соль 25 КС1О3 25
бездымный по-
рох
Диазодинитрофе- 20 Древесный уголь 15 КС1О3 60
НОЛ
Pb(SCN)2 32 Древесный уголь 18 КС1О3 40
Бор 25 KNO3 75
Черный порох Э Цирконии Ц NII4CIO4 1)
Бор 25 КСЮ3 75
Цирконий 10 Алюминий 40 Ba(NO3)2 50
Бор 10 ВаСгО4 90
KN()3 36 PR-1201Q 31 Цирконий 30
Pb(SCN)2 32 KCK);i 40 Древесный 18
уголь
*) Процентный состав не указан.
герметизацией. Следует соблюдать меры предосторожности во
избежание повреждения мостика.
Метод засыпки порошка. Порошкообразная пиротехническая
смесь просто засыпается в полость, где находится нагреватель-
ный элемент. Этот метод не обеспечивает тесного контакта между
нагревательным элементом и веществом заряда.
Прессование. Прессование зарядов из порошка под давлением
350—1400 ат обеспечивает тесный контакт пиротехнической
смеси с нагревательным элементом. Мостик накаливания должен
иметь плоскую поверхность, опирающуюся на изолированное
основание, чтобы выдержать высокие нагрузки при изготовлении.
Метод прессования зарядов обеспечивает точный их контроль
и высокую плотность заряжания. Поскольку мостик накаливания
находится в контакте с изолятором, теплопотери этой системы
выше, чем в тех случаях, когда проволока со всех сторон окружена
инициирующей смесью.
106
Глава 3
ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ
Пиротехнические смеси, из которых изготавливается основной
заряд воспламенителя, являются главным источником энергии
воспламенения заряда ракетного топлива, начального повышения
давления в камере сгорания и потока газов, от которого зависит
скорость распространения пламени по поверхности заряда
ракетного топлива.
Инициирующий импульс воспламенителя создается непосред-
ственно одним зарядом или набором пиротехнических зарядов.
Такие заряды могут быть самых разных размеров и весить от
нескольких миллиграммов (вес бусинки на мостике накаливания)
до нескольких килограммов (основной заряд воспламенителя
в экспериментальных крупных РДТТ).
Воспламенительные смеси можно классифицировать в соот-
ветствии с их назначением в блоке воспламенителя, геометриче-
ской формой элементов или частиц и химическим составом.
Химические и физические свойства многих смесей создают
определенные ограничения на форму и размеры изготовляемых
из них зарядов. В общем случае любой состав можно использо-
вать в виде порошка, гранул, таблеток или прессованных зарядов.
Благодаря этому для каждого конкретного состава имеется воз-
можность выбора в широком диапазоне характеристик: энергии,
скорости горения, скорости тепловыделения и других параметров.
Порошки или гранулы используются в тех случаях, когда
требуется быстрое выделение энергии и распространение пламени.
В виде порошков и гранул изготавливаются основные заряды
-системы воспламенения небольших тактических ракет или пере-
даточные заряды более крупных систем воспламенения, пред-
назначенные для передачи теплового импульса от запала к основ-
ному заряду из таблеток или прессованных шашек. В целом можно
наблюдать тенденцию к отказу от основных зарядов воспламени-
теля в виде порошков или гранул вследствие слишком быстрого
Таблица 3.2
Металл Окислитель Металл Окислитель
Алюминий Алюминий Бор Бор Бор Магний Хромат бария Перхлорат калия Хромат бария Нитрат калия Перхлорат калия Нитрат бария Магний Магний Магний Титан Цирконий Нитрат калия Перхлорат калия Тефлон Перхлорат калия Перхлорат калия
Системы воспламенения РДТТ
107
повышения давления и бризантного действия. Чаще всего исполь-
зуется черный порох и смеси металла с окислителями. В табл. 3.2
представлены типичные компоненты смесей, содержащих металл
и окислитель.
Основные заряды воспламенителей среднего и крупного раз-
меров часто изготавливаются в виде прессованных таблеток.
Небольшие таблетки включаются в передаточные заряды круп-
К
Ф и г. 3.4. Типичные размеры двояковыпуклых
таблеток пиротехнической смеси.
Тип 0 Л , Л!Л1 В, Л!Л! С, мм 1{, Л! ЛЬ
I 9,5 3,05 1,17 11,7
11 9,5 3,80 2,80 22,6
III 9,5 1,78 0,76 22,6
IV 9,5 2,90 1,02 11,7
V 6,35 2,54 0,51 5,45
VI 9,5 2,54 0,51 11,7
ных воспламенителей, благодаря чему обеспечивается удоб-
ный контроль геометрических характеристик, а следовательно,
и характеристик горения. Диаметр таблеток составляет обычно
6,35 и 9,5 мм (фиг. 3.4). Для воспламенителей очень крупных
РДТТ применялись таблетки диаметром до 76,2 мм.
Варьируя размеры и форму заряда при проектировании вос-
пламенителя, можно обеспечить требуемые величины потоков
энергии и массы, а также времени работы. В табл. 3.3 приведены
типичные комбинации компонентов смесей металлов и окислите-
лей, из которых изготавливают таблетки, и теплоты их сго-
рания.
108
Глава 3
Таблица 3.3
Металл Окислитель Теплота сгорания, кал/г
Бор ВаСгО4 200—300
Бор РЬСгО4 400—500
Бор — алюминий РЪСгО4 500—600
Сплав циркония и никеля КС1О4, Ва(ХО3)2 1000—1100
Бор Ba(NO3)2 1300—1400
Бор KNO.3 1450—1550
Сплав циркония, никеля, бора КС1О4 1500—1600
и алюминия
Алюминий КС1О4 2300—2500
Скорость тепловыделения и массоприхода зависит в основном
от состава, размера таблеток, их формы и плотности. Другие
влияющие факторы связаны с процессами производства пиротех
нических смесей. К ним относятся смазки, связующие компо-
ненты, растворители, размер частиц и химическая активность
компонентов.
В последнее время в связи с разработкой очень болыпих воспла-
менителей для современных крупных РДТТ наметилась тенден-
ция к изготовлению воспламенителя в виде топливных зарядов,
применяемых в ракетных двигателях. При использовании обычных
пиротехнических смесей в состав вводится минимальное количе-
ство связующего для обеспечения необходимых механических
характеристик. Нередко обычные пиротехнические смеси заме-
няются смесевыми твердыми топливами. Такие крупногабарит-
ные воспламенители представляют, по сути дела, небольшие
РДТТ.
Обычные смесевые твердые топлива, разработанные для РДТТ,
по своим внутрибаллистическим характеристикам превосходят
большинство даже лучших пиротехнических смесей. По згой
причине многие специалисты по проектированию воспламените-
лей считают, что расчетные баллистические характеристики легче
обеспечить путем изготовления основного заряда разрабатывае-
мого воспламенителя из смесового твердого топлива. Тем не
менее следует иметь в виду, что характеристики теплоотдачи про-
дуктов сгорания многих пиротехнических смесей значительно
лучше, чем у большинства ракетных топлив. Таким образом,
для обеспечения повышенной надежности, по-видимому, следует
тщательно исследовать баллистические свойства пиротехнических
смесей, разработанных для воспламенителей.
Системы воспламенения РДТТ
109
ТИПЫ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЕЙ
Самым простым и элементарным воспламенителем является
небольшой мешочек или легкая картонная коробка с навеской
черного пороха. В середину порохового заряда помещен электро-
запал. Таким образом, при минимальных затратах времени
и средств можно создать систему, которая считается эффективной
для небольших ракетных двигателей без жестких требований
к пусковым характеристикам. Вместе с тем имеются строгие
ограничения но обращению с подобными системами в нолевых
условиях и но их стабильности при хранении. Вследствие край-
ней простоты изготовления и дешевизны подобные воспламени-
тели продолжают использоваться в условиях лабораторных
экспериментов.
Гораздо совершеннее воспламенители коробочного типа
с более постоянными характеристиками, фиксированным положе-
нием при установке и стабильностью при хранении (по сравне-
нию с воспламенителем мешочного типа); в то же время они почти
столь же просты и дешевы. Коробки обычно заполняются черным
порохом или смесью черного пороха и магния. В качестве иниции-
рующего элемента используются электрозапалы, которые нередко
дублируются для обеспечения надежности при воспламенении.
Торцовая крышка воспламенителя обычно герметизируется
путем соединения закаткой, однако нередко применяются раз-
рывные или срываемые ободки в центральной части стенки короб-
ки. Заглушка обычно выбрасывается пли разрывается при доста-
точно низком постоянном давлении, обеспечивая равномерную
подачу тепловой энергии к заряду топлива. Типичный коробоч-
ный воспламенитель представлен на фиг. 3.2.
В 1946—1952 гг. было разработано несколько небольших
ракет для стрельбы с самолета и для стрельбы с земли по самолету.
Для обеспечения управления пуском таких ракет требовалось очень
быстрое воспламенение заряда. Эта проблема была разрешена
благодаря разработке воспламенителя, который может разме-
щаться непосредственно в канале заряда ракетного двигателя
и закладывается туда через сопло непосредственно перед уста-
новкой сопловой герметизирующей заглушки. Воспламенители
изготовляются путем напыления равномерного покрытия из пиро-
технической смеси, содержащей металл и окислитель, на легкий
прямоугольный пластиковый лист, который затем свертывается
в рулон. В центре рулона устанавливается один или несколько
запалов, после чего рулон плотно обертывается в нескольких
местах лентой. Это устройство получило название рулонного вос-
пламенителя. Такая конструкция воспламенителя позволяет
заполнить переднее днище РДТТ топливом и обеспечить макси-
110
Глава 3
мальный коэффициент заполнения камеры сгорания топливом,
что является несомненным преимуществом такой системы. Вос-
пламенитель закладывается в канал заряда через сопловый блок
и может удерживаться на месте сопловой заглушкой. Кроме
того, как уже указывалось выше,
такая конструкция обычно
обеспечивает очень быст-
рое воспламенение заряда
РДТТ. Основные недостат-
ки системы воспламенения
этого типа — ее бризант-
ные свойства и ограни-
ченные возможности кон-
троля.
Разработка более круп-
ных РДТТ и разнообразие
составов твердого топлива
потребовала ужесточения
контроля уровня началь-
ной энергии,расхода газов
и нередко увеличения про-
должительности работы
воспламенителя. Первым
, основным шагом в этом
Фиг. 3.5. Типичные воспла-
менители корзиночного типа.
1 — запал; 2 — проволочная кор-
зинка; 3 — таблетки воспламени-
тельной смеси диаметром 6,35 juju;
4 — трубка запала; 5 — гранули-
рованная смесь; 6 — корпус;
7 — переходник; 8 — запал;
9 — таблетки воспламенительной
смеси; 10 —корзинка.
направлении явилась разработка таблеток пиротехнической
смеси. В связи с этим потребовались корпуса воспламенителей
другой формы, обеспечивающие более эффективное использование
таблетированной воспламенительной смеси по сравнению с короб-
ками для порошкообразных смесей или гранул. Новые воспла-
менители имеют корпус в форме корзинки. Этот тип воспла-
менителя за прошедшие несколько лет стал одним из широко
распространенных в РДТТ (фиг. 3.5).
Такой воспламенитель состоит из запала, передаточного заряда
и основного заряда, который размещается в проволочной корзин-
Системы воспламенения РДТТ 111
ке, выступающей в передний торец канала топливного заряда.
Обычно на корзинку надета герметизирующая пластиковая пленка,
которая служит для предохранения заряда от влаги при хранении
и монтажных работах, а также для обеспечения начального повы-
шения давления и, следовательно, ускорения воспламенения
основного заряда в корзинке. Воспламенители корзиночного типа
имеют различные размеры в зависимости от размеров основного
заряда, вес которого колеблется от 0,03 до 0,50 кг и более.
Более активное регулирование расходных характеристик вос-
пламенителя, особенно на ранней стадии его работы, можно
обеспечить путем его размещения в полузамкнутом объеме с задан-
ной ограниченной площадью проходных сечений у выпускных
отверстий, варьируя которую можно изменить условия горения
заряда воспламенителя. Для этой цели использовались вначале
перфорированные трубки, а дальнейшее развитие этого принципа
привело к разработке проектов больших воспламенителей для
крупных РДТТ, которые представляют собой небольшие ракетные
двигатели, а их внутрибаллистические характеристики по суще-
ству пе зависят от окружающих условий в камере РДТТ. Такие
системы начали широко использоваться в крупных РДТТ, а так-
же в условиях затрудненного воспламенения на больших высотах.
В тех случаях, когда начальный диаметр канала заряда мал,
применение воспламенителя с трубчатым перфорированным кор-
пусом позволяет ограничить проходное сечение отверстий для
продуктов сгорания и обеспечить сравнительно большой вес
заряда воспламенителя. Такие системы имеют отношение длины
к диаметру до 30 в зависимости от диаметра канала заряда и потреб-
ного массового расхода основного заряда воспламенителя. Эти вос-
пламенители часто содержат передаточный заряд в виде порошка
или мелких гранул и центральную пламераспределительную трубку
для обеспечения быстрого распространения пламени по всей длине
воспламенителя. Основной заряд обычно состоит из таблеток
состава «Алкло» или бора в смеси с нитратом калия (фиг. 3.6).
Дальнейшее совершенствование конструкции воспламенителя
связано с созданием критического отношения давлений между
камерой сгорания воспламенителя и каналом заряда на протяже-
нии всего периода работы воспламенителя. В результате горение
пиротехнической смеси происходит в среде, параметры которой
совершенно не зависят от параметров в камере сгорания ракет-
ного двигателя. Так, например, если расчетное давление в ракет-
ном двигателе составляет около 70 ат, то расчетное давление
в камере сгорания воспламенителя должно несколько превышать
140 ат. Независимость давления в камере сгорания воспламени-
теля от давления в камере крупного РДТТ в процессе воспла-
менения иллюстрируется графиком на фиг. 3.7. Использование
Ф и г. 3.6. Воспламенители с трубчатым перфорированным корпусом.
1 — запал; 2 — таблетки воспламенительной смеси № 2А; з — таблетки;
4 — перфорированная стальная трубка с герметизирующим пластиковым
покрытием; .5 — пламераспределительная трубка; 6 — корпус; 7 — кольце-
вое уплотнение; 8 — уплотнение; а — таблетки диаметром 6,35 мм, толщи-
ной 2,54 ai.w; io — перфорированная трубка с герметизирующим пластиковым
покрытием; 11 — втулка; 12 — вкладыш; 13 — корпус.
| /25
S ti
О
150
Ф п г. 3.7. Давление в камере сгорания крупного РДТТ и в камере воспла-
менителя пирогенного типа.
1 — давление у переднего днища двигателя; 2 — давление в камере пирогенного
воспламенителя.
Системы воспламенения РДТТ
113
этого принципа дает большие преимущества при проектировании
систем воспламенения, поскольку отработка их внутренней бал-
листики и оценка характеристик могут производиться независимо
от работы ракетного двигателя. Воспламенители этого типа иног-
да имеют вид перфорированной трубки, в которой суммарная
Фиг. 3.8. Воспламенитель пирогенного типа.
1 •— таблетки передаточного заряда; 2 — заряд топлива;
3 — разрывная диафрагма; 4 — электрозапал.
площадь отверстий достаточно мала по сравнению с площадью
поверхности горения таблеток воспламенителя, так что обеспечи-
вается критический перепад давления на всех стадиях работы.
В общем случае воспламенители данного типа по внешнему виду
1 — переходник; 2 - - инициирующий заряд; з — электрозапал; 4 — передаточный
заряд; 5 - камера сгорания; в — изоляция; 7 — таблетки.
больше напоминают небольшие ракетные двигатели с одним или
нескольким’сопловыми отверстиями, которые направлены обычно
к поверхности горения заряда.
Разработка воспламенителей в виде ракетных двигателей
обычно осуществляется по двум направлениям. В одних случаях
в качестве основного заряда используются модифицированные
ракетные топлива (фиг. 3.8), в других — таблетки пиротехниче-
ской смеси разных размеров (фиг. 3.9). Воспламенители с заря-
дом твердого топлива рассмотренного типа часто относят к классу
пирогенных воспламенителей. При разработке крупных РДТТ
8-1088
114
Глава 3
фирма «Тиокол» использует различные системы данного типа.
Фирма «Аэроджет дженерал» чаще применяет таблетированный
воспламенитель типа ракетного двигателя. Такая система вос-
пламенения названа «Алклоджет». При установке воспламените-
лей у переднего днища ракетного двигателя необходимо принять
соответствующие меры, чтобы струя продуктов сгорания из вос-
пламенителя была направлена непосредственно к поверхности
заряда твердого топлива. Поскольку в продуктах сгорания боль-
шинства эффективных пиротехнических смесей, как правило,
содержится большое количество конденсированных веществ,
то струя, истекающая из сопел воспламенителя, имеет относитель-
но небольшую степень расширения по сравнению со струей газов,
истекающих из основного двигателя. В связи с этим при нерацио-
нальном проектировании могут возникнуть такие условия, когда
струя, истекающая из сопла воспламенителя, отдает поверхности
заряда лишь малую долю тепловой энергии, вынося ее почти
целиком через сопло ракетного двигателя. Предложены два
варианта решения этой проблемы: многосопловые воспламенители
с наклоном сопел в сторону поверхности заряда или струйные
дефлекторы, находящиеся непосредственно за выходным отвер-
стием сопла воспламенителя. Если требуется высокая скорость
воспламенения, то следует отдать предпочтение струйному деф-
лектору, который в первую очередь обеспечивает воспламенение
передней части поверхности заряда, а это особенно важно в свя-
зи с тем, что распространение фронта пламени в сторону перед-
него днища камеры сгорания, где расположена застойная газовая
зона, происходит крайне медленно.
Расположенная вне камеры сгорания система воспламенения
пирогенного типа имеет значительные преимущества при запуске
крупных ускорителей. В этом случае вес системы воспламенения
уже не является лимитирующим фактором при проектировании
заряда РДТТ. Однако воспламенители, остающиеся на стартовой
позиции после запуска, почти всегда расположены со стороны
соплового блока, что связано со сложными гидродинамическими
проблемами, если требуется быстрое воспламенение заряда основ-
ного двигателя, так как распространение пламени в переднюю
часть камеры сгорания затруднено из-за наличия там застойной
зоны холодных газов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Н i с k s В. L., J. Chem. Phys., 22, 414, 1954.
2. Ф ранк-Каменецкий Д. А., «Диффузия и теплоотдача в хими-
ческой кинетике», изд-во АН СССР, М.— Л., 1947; имеется второе издание:
изд-во «Наука», М., 1967.
4
ПИРОЭНЕРГОДАТЧИКИ
Линч Р. (Pobert W. Lynch')
Пиропатронами первоначально называли группу устройств,
содержащих заряд топлива, при горении которого образуется
рабочее тело — газ, и выполняющих ряд функций в системах
катапультирования кресла пилота из самолетов. В связи с раз-
работкой крупных и сложных по конструкции ракет устройства
указанного типа стали применяться для многих других целей.
13 связи с этим в 1960 г. термин «пиропатрон» был заменен терми-
ном «пироэнергодатчик» (ПЭД).
В данной главе пироэнергодатчиком называется устройство,
принцип действия которого основан на использовании источника
энергии типа пиропатрона, причем продукты сгорания топлива
не истекают через сопло с критическим перепадом давления.
Это определяет различие между ПЭД и газогенератором. Скорости
горения заряда топлива в ПЭД могут изменяться в широких
пределах вплоть до скорости детонации.
Дель данной главы — познакомить читателя с типичными
конструктивными схемами ПЭД и рассмотреть основы внутрибал-
листического расчета подобных устройств.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПИРОЭНЕРГОДАТЧИКОВ
ТЯГОВЫЕ УСТРОЙСТВА
Почти во всех конструкциях пироэнергодатчиков использует-
ся рабочее усилие, возникающее при воздействии на поршень
газа высокого давления, образованного при горении топлива
в замкнутом объеме. Определение газоприхода и выбор основных
рабочих параметров системы осуществляются с помощью внутри-
баллистического расчета.
Наиболее простая и типичная схема ПЭД представлена на
фиг. 4.1. При срабатывании пиропатрона давление в камере
повышается и возникает сила, действующая на поршень.
8*
116
Глава 4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕСА ЗАРЯДА
Вес заряда, необходимый для обеспечения заданного давления
в камере, можно приближенно рассчитать с помощью уравнения
F
(V/tp)~ 1
(4.1)*)
где Р — давление, ати; F — сила пороха, ат'СмЧг', w — вес
заряда, г\ V — полный объем камеры, см3.
Фиг. 4.1. Схема иироэнерго датчика.
1 — пиропатрон; 2 — корпус; 3 — поршень.
Полный объем камеры включает объем собственно камеры
и объем свободного пространства в патроне. Если поршень в на-
чальном положении вплотную примыкает к патрону, объем поло-
сти внутри патрона рассматривается как полный объем камеры.
Следует подчеркнуть, что формула (4.1) является приближенной.
При высоких значениях плотности заряжания необходимо вводить
поправку
Р (V/w) — n ’
где п имеет размерность см3!г. При больших отношениях V/w
указанная поправка обычно не требуется.
В табл. 4.1 приведены типичные значения силы пороха F для
топлив, обычно применяемых в пиропатронах. Следует отметить, что
сила пороха F изменяется даже в пределах группы порохов одно-
го и того же типа. Требуемое для расчетов значение величины F
либо сообщается фирмой-изготовителем, либо определяется по фор-
муле (4.2) с использованием экспериментального значения макси-
мального давления в камере известного объема. При экспери-
ментальном определении величины F следует учитывать влияние
Это же уравнение, но в другом виде приводится в гл. 1 на стр. 56.—
Прим, перев.
Пироэнергодатчики
117
Таблица 4.1
Топливо F, ат см^/г
Бездымный порох 8900—9950
Черный порох 2100—2800
Пистолетный порох 8900
Пироцеллюлоза 7170
Смесевое твердое топливо на основе 9350
перхлората аммония
многих факторов (скорости горения пороха, размера ого частиц,
материала и формы камеры, состояния ее поверхности, характе-
ристик датчика давления). Для получения результатов с мини-
мальным разбросом параметров рекомендуется использовать стан-
дартные камеры и контрольно-измерительные приборы.
При проектировании ПЭД важным фактором является скорость
нарастания давления. Об интервале скоростей нарастания давле-
ния в существующих конструкциях ПЭД можно судить по дан-
ным, представленным фирмой «Дюпон» (табл. 4.2). При испыта-
Таблица 4.2
Тип заряда dP/dT, ат/сек
Смесь 50/25/25 фирмы «Дюпон» 1,33-106
Бездымный порох SR-4990 0,196-106
Свинцовая соль 0,07-106
Черный порох А-5 0,021-106
пиях прессованных зарядов на основе циркония и перхлората
аммония зафиксирован рост давления до 1260 ати за 300 мксек „
т. е. скорость нарастания давления равна 0,42-107 ат/сек.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
При проектировании простого ПЭД, обеспечивающего заданное
рабочее усилие, необходимо определить его размеры и баллисти-
ческие характеристики пиропатрона. Конструктор должен увя-
зать размеры элементов конструкции и внутрибаллистические
характеристики для обеспечения заданных веса, габаритов и стои-
мости устройства. Нередко выбор ограничивается располагаемым
118
Глава 4
объемом (т. е. заданы размеры системы) или использованием
готовых пиропатронов, которые устанавливают уровень рабочего
давления. В любом случае выбор проектных параметров огра-
ничен. Вместе с тем при проектировании необходимо расчетным
путем оценить оптимальные параметры пиропатрона (в данном
случае под оптимальными понимаются минимальный вес, габа-
риты или стоимость). Проблему выбора параметров усложняет
то обстоятельство, что минимальные вес и габариты не всегда
имеют место при одинаковом рабочем давлении.
Один из применяемых методов оптимизации заключается
в использовании соотношения между размерами, весом и рабочим
давлением. Изменяя давление, можно проанализировать его
влияние на размеры и весовые характеристики устройства. Неред-
ко подобный подход обеспечивает практически приемлемый мини-
мум.
Для иллюстрации рассмотрим простой пример оптимизации.
Хотя здесь приводится очень упрощенный метод, он может быть
дополнен и приспособлен для более сложных пироэнергодатчиков,
применяемых в действительных условиях.
Принимается, что усилие F (фиг. 4.1) постоянно и создается
рабочим давлением Р, действующим на поршень площадью А, т. е.
F = nRlP, (4.3)
где /?• — внутренний радиус камеры. В рассматриваемом упро-
щенном случае принимается, что стенки цилиндра относительно
тонкие (менее 0,1 радиуса) и поэтому окружные напряжения в стен-
ке цилиндрического корпуса практически постоянны по ее тол-
щине, а напряжениями изгиба можно пренебречь. Это допущение
может привести к ошибке, однако в любом случае оно позволяет
оценить оптимальные параметры. Для дальнейшего уточнения
оптимальных параметров используются более точные уравнения.
'Связь между толщиной стенки t цилиндрического корпуса, рабо-
чим давлением Р, окружным напряжением S, внутренним и наруж-
ным радиусами цилиндра и Ro выражается соотношением
Из формулы (4.3) следует
Ro — RiA~t,
(4.4)
(4.5)
а так как
Пироэнергодатчики
119
из уравнений (4.4) и (4.5) получим
(4.6)
Вес устройства (ir) на единицу длины равен сумме объема
стенок цилиндрического корпуса на единицу длины, умножен-
ного на удельный вес материала цилиндра р15 и объема поршня
Фиг. 4.2. Зависимость веса пироэнергодатчпка,
а также наружного и внутреннего радиусов камеры
от рабочего давления.
на единицу длины, умноженного на удельный вес материала
поршня р2. С использованием параметров Р, S, /?0 и /?г получим
следующее выражение:
[г> = ^пРр1/Л?_
Пос.че установления основных соотношений между наружным
диаметром корпуса, весом и рабочим давлением рассмотрим сле-
дующий простой пример. Для пироэнергодатчика, изображенного
на фиг. 4.1, определим минимальные весовые и габаритные харак-
теристики при следующих условиях: 1) заданное рабочее усилие
4530 кг; 2) допустимое напряжение материала стенки цилиндра
3500 кг/сж2; удельный вес материала стенки 8,3 г/сж3; 3) удельный
вес материала поршня 2,77 г/сж3; 4) максимально допустимое
рабочее давление 700 ати.
Прежде всего по формуле (4.3) вычислим внутренний радиус RT
при нескольких значениях давления. После определения Ri
120
Глава 4
в функции давления по формуле (4.4) вычислим Ro при тех же зна-
чениях давления. Затем по формуле (4.7) можно найти зависи-
мость между весом устройства и рабочим давлением. Результаты
расчета представлены на фиг. 4.2. По графику видно, что мини-
мальный вес будет получен при давлении около 365 ати. При этом
наружный диаметр корпуса равен 44,7 мм, а толщина стенки
2,54 мм. С увеличением рабочего давления размеры устройства
продолжают уменьшаться, причем оптимальному, т. е. мини-
мальному, наружному диаметру корпуса соответствует давление,
которое выше заданного предельного уровня 700 ати. Описан-
ный здесь теоретический метод определения оптимальных харак-
теристик пиропатронов разработан Хеддином. В соответствии
с полученной им формулой, учитывающей напряженное состояние
толстостенного цилиндра, для обеспечения минимальных разме-
ров необходимо, чтобы рабочее давление было равно частному
от деления допускаемого напряжения на 2,414 или в рассматри-
ваемом здесь случае — 1450 ати.
УСКОРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
В рассмотренных выше тяговых устройствах ход поршня мал
и поэтому объем рабочей камеры и давление в ней относительно
постоянны. Устройства, которые предназначены для сообщения
Фиг. 4.3. Схема ппроэпергодатчика ускори-
тельного типа.
1 — пиропатрон; 2 — рабочая камера; 3 — кольце-
вое уплотнение; 4 — ускоряемая масса; 5 — поршень.
заданной скорости определенной массе, имеют большой ход пор-
шня. Вследствие изменения давления появляется необходимость
в генерировании газа во время хода поршня. Система ускоритель-
ного типа схематически изображена на фиг. 4.3. В некоторых
случаях, например в ПЭД для тормозных парашютов, можно
П ироэнергодатчики
121
считать, что скорость сообщается лишь массе поршня. В других
случаях поршень может быть связан с элементами, масса которых
значительно превышает массу поршня.
Существуют две основные схемы ПЭД ускорительного типа:
с генерированием рабочего газа перед ходом и во время хода
поршня.
ГЕНЕРИ РОВ\НИК ГАЗА ПЕРЕД ХОДОМ ПОРШНЯ
Некоторые проблемы катапультирования трудно разрешить,
если время хода поршня составляет 50 мсек или менее, а генери-
рование газа должно происходить во время хода поршня. Огра-
ничения. обусловленные максимально возможными скоростями
горения топлива и соответствующими им недопустимо топкими
сводами заряда, значительно ухудшают надежность конструкции.
Задача существенно упрощается, если применяется метод генери-
рования газа перед ходом поршня. В этом случае ПЭД имеет
большой начальный объем рабочей камеры; поршень неподвижно
фиксируется в ней с помощью срезающихся штифтов, стопоров,
защелок и т. д. до момента достижения минимального рабочего
давления. При повышении давления в начальном свободном
объеме до заданного уровня поршень освобождается и, переме-
щаясь за счет расширения газов в замкнутом объеме, ускоряет
рабочую массу до требуемой скорости.
Для систем этого типа обычно применяются топлива, имеющие
большую силу пороха. Для расчета веса заряда используется
уравнение (4.1). Расчет производится таким же образом, как
и в рассмотренном выше случае тяговой системы с фиксирован-
ным объемом.
Принимая, что размеры ПЭД определены при расчете опти-
мальных характеристик или на основе других соображений,
можно достаточно точно вычислить требуемое начальное давление.
Для этого вычисляется кинетическая энергия массы, ускоряемой
до заданной скорости, и определяется потребная работа для
выполнения этой функции. По известным начальному и конеч-
ному свободным объемам цилиндра, а также производимой рабо-
те можно вычислить начальное давление в камере в предположе-
нии изэнтропического расширения газа:
где Pi— начальное давление в рабочей камере, ата; w — про-
изводимая работа или кинетическая энергия массы, кг-см; к —
отношение удельных теплоемкостей газа; Vi — начальный объем
рабочей камеры, см3; V2— конечный объем рабочей камеры, см3.
122
Глава 4
Если задано максимальное ускорение, то часто бывает необ-
ходимо определить начальное давление
Р, ^акс. , (4.9)
где т — масса поршня, а — ускорение. В этом случае формула
(4.8) применяется для определения конечного объема камеры
и, следовательно, полного хода поршня и длины пироэнерго-
датчика.
В уравнении изэнтропического расширения газа пренебрегает-
ся изменениями потенциальной энергии массы, кинетической
энергией продуктов сгорания, потерями энергии на трение и теп-
лообмен. Из указанных факторов существенную роль играют
только трение и теплообмен.
ГЕНЕРИРОВАНИЕ ГАЗА ВО ВРЕМЯ ХОДА ПОРШНЯ
Для определения внутрибаллистических параметров пиро-
энергодатчика с генерированием газа во время хода поршня
необходимо решить сложную систему нелинейных дифферен-
циальных уравнений. В связи с этим был разработан ряд упро-
щенных методов решения, которые указаны в конце этой главы.
Однако прежде всего следует оценить проблему в целом.
ПЭД с генерированием газа во время хода поршня должен
содержать наряду с навеской из пороха для быстрого начального
повышения давления в свободном объеме заряд или заряды для
поддержания горения во время хода поршня. Программа генери-
рования газов при горении «маршевого» заряда зависит от его
геометрических характеристик. При расчете параметров горения
топливного заряда допускается, что топливо горит параллельными
слоями. Если в процессе горения заряда площадь его поверхности
увеличивается, то это заряд прогрессивного горения, если умень-
шается — дегрессивного горения. Если поверхность горения сохра-
няется постоянной, то горение называется нейтральным. Участки
поверхности заряда, которые не должны гореть, имеют бронирую-
щее покрытие. На фиг. 4.4 представлено несколько типичных
зарядов и законы изменения их поверхности горения в процессе
работы. Характеристики зарядов с прогрессивной или дегрес-
сивной поверхностью горения зависят от удлинения заряда,
поскольку наклон кривой давление — время определяется отно-
шением поверхности горения с торцов к поверхности горения
на цилиндрическом участке заряда. Газоприход в единицу вре-
мени w можно вычислить по формуле
w = 5гр,
(4.10)
Пироэнергодатчики
123
где S — поверхность горения заряда, см2\ г — скорость горения
топлива, см/сек', р — удельный вес топлива, г/см*.
Скорость горения топлива зависит от давления и начальной
температуры. Экспериментальные данные д.чя большинства топ-
лив соответствуют следующему выражению:
г = сРп,
(4.11)
где п — показатель в законе скорости горения (влияющий на наклон
кривой скорости горения), а с — коэффициент. Параметр <тр харак-
теризует температурную чувствительность топлива и является тем-
пературным коэффициентом скорости горения, устанавливающим
Количество сгоревшего топлива, °/о
Фиг. 4.4. Типы топливных зарядов и диаграммы их горения.
а — бескапальный заряд, дегрессивное горение; б — однованальный заряд,
слабо дегрессивное горение; в - однокапальвый заряд с бронирующим покры-
том но торцам, нейтральное горение; г — многоканальный заряд, прогрес-
сивное горение.
изменение скорости горения (в %) при отклонении начальной
температуры на 1° и заданном уровне давления. При выбранном
уровне давления
При разработке ПЭД нередко удобнее пользоваться эксперимен-
тальной зависимостью скорости горения от давления для выбран-
ного топлива. На фиг. 4.5 представлены типичные кривые ско-
рости горения при различных начальных температурах. В дан-
ном случае температурный коэффициент <тр равен 0,07% /град,
при изменении начальной температуры от —12 до 54° С и давле-
нии 70 ата. Температурный коэффициент топлив изменяется
124
Глава 4
в широких пределах от значений, близких к нулю, до 0,26%/граЭ
и более. Кривые скорости горения некоторых топлив имеют
плато, т. е. участок, на котором скорость горения, но существу,
остается постоянной. Кривые скорости горения на фиг. 4.5 имеют
плато при давлении около 180 ата.
Фиг. [4.5. Типичные зависимости скорости горения топлива от
давления при различных начальных температурах.
Кроме соотношений для скорости горения топлива, при про-
ектировании ПЭД используются еще три дополнительных урав-
нения.
Расстояние X, которое проходит поршень за интервал вре-
мени t, равно
X = votat2, (4.13>
где v0—скорость поршня в начальный момент и а — среднее уско-
рение за период t.
Согласно закону Ньютона,
F = PA— Ff — u?sin0—— а, (4.14)
где р _ среднее давление; А — площадь поршня; Ff — средняя
сила трения; w — вес ускоряемого груза; 0 — угол направления
перемещения груза по отношению к горизонтали; g — ускорение
силы тяжести.
Пир о энерго датчики
125
Для совершенного газа существует приближенное соотноше-
ние между давлением, объемом и температурой, которое за-
писывается в виде
Г>\’М л Гх
Wp ~~ 84800Г ' (4.15)
где wp— вес сгоревшего топлива, кг; Р — среднее давление, ата;
V — объем, см3; М — средний молекулярный вес продуктов сго-
рания топлива; Т — средняя температура газа, °К.
Следует помнить, что основным условием точного решения
поставленной задачи при проектировании ПЭД является правиль-
ная оценка средней температуры газа Т. Сложность задачи можно
оценить из рассмотрения уравнения баланса энергии для ПЭД.
Затраты энергии рабочим газом равны: 1) потерям на теплообмен
газов со стенками ПЭД, 2) кинетической энергии ускоряемой
массы (полезная работа), 3) потерям энергии на трение, 4) кине-
тической энергии рабочего газа (продуктов сгорания топлива)
и 5) потенциальной энергии ускоряемой массы
WpCv (7\ — 7’) — ЛЬмасса + (?тепл + 7* 4~ КРГ&3 4- WX sin 0,
где Сг— средняя удельная теплоемкость рабочего газа при
постоянном объеме; Tv—температура продуктов сгорания в зоне
пламени; Т — действительная температура рабочего газа; ()ТСШ1
потери энергии на теплообмен и X — расстояние, пройденное
поршнем.
При определении температуры газа возможна небольшая ошиб-
ка, если принять кинетическую энергию газов равной нулю.
При проектировании ПЭД обычно считается, что сила трения
составляет 10% от силы, действующей на поршень. Теплопотери
можно рассчитать по уравнениям теплообмена. Однако на прак-
тике тепловые потери обычно связывают с величиной полного
тепловыделения при горении топлива. Типичное значение к. п. д.
для тяговых ПЭД составляет 10%. Относительную величину силы
трения и относительные теплопотери обычно определяют эмпи-
рически по результатам измерения скорости и на основе диаграмм
давление — время.
Специалисту, впервые приступившему к проектированию ПЭД,
следует рекомендовать начать проведение расчета с разбивки
полного времени работы ПЭД на небольшие интервалы и вычисле-
ния для каждого интервала величин силы, давления, ускорения,
скорости перемещения, скорости горения, массового расхода
топлива, поверхности горения топлива. Нижеследующий пример
иллюстрирует постановку задачи в простейшем виде и помогает
выбрать основные соотношения. Выполним расчет телескопиче-
126
Глава 4
ского пироэнергодатчика. Требуется определить размеры заряда
и ход поршня для обеспечения рабочего усилия, линейно возра-
стающего за 70 мсек от нуля до 2808 кг, с обеспечением после-
дующего постоянного усилия, равного 2808 кг, в течение 60 мсек.
Вес катапультируемого груза 174 кг, площадь поршня 58 см2.
1. Подготовка таблицы, аналогичной табл. 4.3. Полное время
работы разбивается на небольшие интервалы. В каждом интерва-
ле берется средняя точка, для которой затем вычисляются пере-
менные.
2. По заданной зависимости рабочего усилия от времени
вычисляется средняя сила F для каждого интервала времени.
3. Вычисляется средняя сила трения Ff. Обычно предполагает-
ся, что Ff — 0,\F.
4. По известным средней силе и массе катапультируемого
груза с помощью закона Ньютона определяется среднее ускорение
для каждого интервала времени:
5. Определяется путь, пройденный поршнем [по уравнению
(4.13)1.
6. Вычисляется средняя скорость катапультирования путем
деления пройденного пути на интервал времени.
7. По известным пройденному расстоянию и площади поршня
вычисляется приращение объема камеры путем умножения прой-
денного пути на площадь поршня.
8. По формуле (4.14) определяется среднее давление для
каждого интервала времени. '
9. По среднему давлению с помощью экспериментальных зави-
симостей скорости горения от давления определяется средняя
скорость горения топлива.
10. По формуле (4.15) вычисляется вес израсходованного топ-
лива за данный интервал времени. При этом точность расчета
рабочих характеристик зависит от правильности выбора основного
определяющего фактора — средней температуры газа.
11. Расчетом средней площади поверхности горения по фор- ‘
муле (4.10) завершается определение средних значений парамет-
ров для данного интервала времени.
Для большей наглядности ниже представлены расчеты для
интервала времени от 0,01 до 0,02 сек.
2. Средняя сила F равна
400+ 800 _ 1200 _
2 2
кг.
Таблица 4.3
Время t, сек Резуль- тирую- щая сила, кг Сила F, кг Сила кг Ускоре- ние <2 , U CPJl- Переме- щение поршня X, с 11 Скорость V, м/сек Прира- щение объема V, с из Давление Р, а т и Скорость горения г, см/сек Вес из- расходо- ванного топлива wp, кг Поверх- ность горения 8, СМ%
0,000 0 200 20,0 11,1 0,056 0,056 3,25 6,7 1,30 0,9-10-5 0,44
0,010 400 600 60,0 33,8 0,225 0,225 13,0 14,4 1,32 0,72-10-4 3,47
0,020 800 1000 100,0 56,3 0,507 0,507 29,4 21,9 1,35 2,42-10-4 11,48
0,030 1200 1402 140,2 79 0,902 0,902 52,3 29,6 1,50 0,57-Ю-з 24,3
0,040 1603 1800 180,1 101,5 1,409 1,409 81,7 37,6 1,65 1,12-10-3 43,2
0,050 2000 2202 220,2 124 2,029 2,029 117,7 44,7 1,80 1,92-Ю-з 67,8
0,060 2404 2606 260,6 146,8 2,76 2,76 160,1 52,4 1,96 3,04-Ю-з 99,0
0,070 2808 2808 280,8 158,2 3,55 3,55 205,9 56,2 2,01 4,23-Ю-з 134,0
0,080 2808 2808 280,8 158,2 4,34 4,34 251,7 56,2 2,01 0,515-10-2 163,0
0,090 2808 2808 280,8 158,2 5,13 5,13 296,5 56,2 2,01 0,61-10-2 193,0
0,100 2808 2808 280,8 158,2 5,92 5,92 343,3 56,2 2,01 0,70-10-2 222,0
0,110 0,120 2808 2808 2808 280,8 158,2 6,7 6,7 388,6 56,2 2,01 0,79-10-2 252,0
0,130 2808 2808 280,8 Хо 158,2 д поршня 7,49 41,018 ел 7,49 i 434,4 56,2 2,01 0,89-10-2 283,0
128
Глава 4
3. В предположении, что Ff = О,IF (вместо проведения более
строгого анализа), найдем среднюю силу трения
/> = 0,1-600 = 60,0 кг.
4. По закону Ньютона
- ~F 600-9,81 ээ Q , 2
а — — ~ — = 33,о м/сек2,
w 174
5. Вычислим перемещение поршня
= 0,056-0,01 + 33’8-О,ООО1 ^0^0()225 ^=0>225 см.
Li Li
6. Определим среднюю скорость катапультирования
v = = 22,5 см!сек — 0,225 м!сек.
7. Приращение объема камеры составляет
В = ЛХ = 58-0,225 = 13,0 см\
8. По формуле (4.14) вычислим среднее давление в камере:
_ + + + 60,04-174
Р = —---------------=----------=5--------= 14,4 ати.
71 Do
9. При давлении 14,4 ати и начальной температуре 20° С
скорость горения равна 1,32 см!сек (по экспериментальной кри-
вой, которая здесь не приводится).
10. По формуле (4.15) вычислим вес израсходованного топлива.
В рассматриваемом примере средняя температура газа принята
равной 830° К, а средний молекулярный вес продуктов сгорания
равен 25,3
= РУМ = (14,4 + 1,0) 13,0-25,3 __ 0 72., 0-4 к?
р ШТ 84 800-830 U’
11. По формуле (4.10) определим площадь поверхности горения
(удельный вес топлива равен 1,58 г/сж3):
W
7р
0,072
0,01-1,32-1,58
= 3,458 см2.
Проведение аналогичных расчетов для каждого интервала
времени позволяет определить ход поршня и поверхность горе-
ния заряда в функции времени. По этим данным определяются
размеры заряда. Этот метод применим и для обратной задачи,
Пироэнергодатчики
129
если заданы форма и размеры заряда и требуется вычислить
рабочие характеристики. Когда проанализированы основные соот-
ношения, определяющие процесс, то для дальнейших прикидок
можно рекомендовать упрощенные методы.
КОНСТРУКЦИИ ПИРОЭНЕРГОДАТЧИКОВ
Пироэнергодатчики являются легкими, компактными и очень
надежными источниками энергии. При обеспечении контроля ско-
рости генерирования, общего количества рабочего газа и времени
его генерирования пироэнергодатчики могут выполнять любую
механическую работу. Области использования таких источников
энергии не ограничены.
Ниже будут приведены типичные конструктивные схемы пиро-
энергодатчиков, разработанных для самолетов и ракет. Эти конст-
рукции представляют лишь некоторые области использования
ПЭД.
ПИРОРЕЗАКИ
Пирорезаки выполняют разнообразные работы, связанные
с резкой. Пирорезаки, служащие для рубки небольших рифо-
вых строп, трубопроводов, электропроводки и стальных про-
водов, применяются в системах сбрасывания грузов с самолетов,
системах перерезания строп и системах разделения ступеней.
Ф и г. 4.6. Пирорезак для
резки кабеля.
1 — пиропатрон; 2 — кольцевое
уплотнение; 3 — кабель; 4 — кор-
пус; .5 — наковальня; 6 — пор-
шень-резак; 7 — начальный объем
рабочей камеры.
На фиг. 4.6 схематически изображен типичный пирорезак для
резки кабеля. При срабатывании пиропатрона повыщается давле-
ние в камере, под действием которого поршень с резаком переме-
щаются вправо, и резак разрубает кабель, опирающийся на нако-
вальню. По конструкции пирорезак относится к простым устройст-
вам. При его проектировании для обеспечения максимальных рабо-
чих характеристик и надежности рекомендуется выполнять сле-
дующие требования:
1. Выбирать быстро горящее топливо. Скорость повышения
давления в камере порядка 0,7-105 am/сек можно обеспечить,
9-1088
130
Глава 4
используя смеси циркония и перхлората аммония, гранулирован-
ный гексоген, смеси марки 50/25/25 фирмы «Дюпон» и многие
Другие.
2. Обеспечить минимальный свободный объем за поршнем.
3. Фиксировать положение поршня таким образом, чтобы виб-
рации и внешние ударные нагрузки не могли сместить поршень
Ф и г. 4.7. Пирорезак фирмы «Маккормик селф ассо-
шиэйтс».
7 — индикатор до срабатывания; 2 — индикатор после сра-
батывания; 3 — нож резака; 4 — срезающийся штифт;
5 — наковальня; в — кабель; 7 — пиропатрон. Lock —ис-
ходное (предохранительное) положение; unlock — рабочее
(пусковое) положение.
вдоль цилиндра или вызвать его вращение. Часто для обеспече-
ния этого требования применяются срезающиеся штифты или
буртики.
4. Выбирать оптимальную форму резака из закаленной стали.
5. Выбирать относительно мягкий материал для наковальни
во избежание повреждения резака, при котором невозможно его
повторное использование, если оно требуется. Кроме того, нако-
вальня должна поглощать энергию движущегося поршня после
разрезания кабеля. Резак, который после рабочего хода не погру-
зился глубоко в наковальню, имеет недостаточную энергию при-
вода.
Более сложную конструкцию имеет изображенный на фиг. 4,7
резак 3620 фирмы «Маккормик селф ассошиэйтс». С его помощью
можно разрезать многожильный кабель (7 X 19) из нержавеющей
стали диаметром до 9,5 мм. Корпус пирорезака изготовлен из стали
марки AISI-4130. Основные элементы пирорезака: нож, наковаль-
ня, пламегасители, клапан-предохранитель и два пиропатрона,
каждый из которых способен привести резак в действие. Клапан-
предохранитель может поворачиваться на 90°, занимая рабочее или
предохранительное положение. Когда клапан находится в предо-
Пироэнергодатчики
131
хранительном положении, то при случайном срабатывании пиро-
патронов образующиеся газы выбрасываются через пламегасители
в окружающую атмосферу. Если клапан находится в рабочем
положении, то газы направляются к ножу, разрезающему кабель.
Пламегасители позволяют применять пирорезак во взрывоопасной
среде.
ПИРОКЛАПАНЫ
Для клапанов одноразового действия наиболее эффективен
пироэнергопривод. Небольшой заряд топлива может обеспечить
лучшие рабочие характеристики, чем системы с приводом от элект-
родвигателя или соленоида. На фиг. 4.8 показан клапан подобного
отверстие
а
Фиг. 4.8. Схема пироклапана, закрытого в исходном положении (конструк-
ция фирмы «Конекс»).
а — до срабатывания; б — после срабатывания.
Выпускное
отверстие £) F
& отверстие
типа, выпускаемый фирмой «Конекс». В исходном положении
клапан закрыт. Его герметизация обеспечивается сплошной метал-
лической диафрагмой Е, которая является частью корпуса клапа-
на. При срабатывании пиропатрона, находящегося в полости А,
головка В, на конце плунжера вырезает диафрагму. Вырезанный
кусок металла зажимается между головкой D и заглушкой F.
Конический элемент головки В плунжера прижимается к седлу С
с силой, достаточной для того, чтобы деформировать металл и
обеспечить эффективное уплотнение. Метод герметизации, исполь-
зуемый в клапанах, закрытых в исходном положении, столь
же эффективно применяется также и в клапанах, открытых
в исходном положении (фиг. 4.9).
На фиг. 4.10 представлена другая конструктивная схема клапа-
на, который в исходном положении закрыт. Этот клапан, разра-
ботанный фирмой «Локхид эйркрафт», обеспечивает надежную гер-
метизацию при хранении в течение многих месяцев при давлении
азота в магистрали 400 ати. Пироклапан состоит из пяти элемен-
тов: корпуса, поршня, впускного патрубка, заглушки и пиропат-
рона. Впускной патрубок имеет металлическое уплотнение в виде
9*
Впускное отверстие
Выпускное
отверстие
Ф и г. 4.9. Схема пироклапана, открытого в исходном по-
ложении.
а — до срабатывания; б — после срабатывания.
Фиг. 4,11. Схема пироклапана, закрыто-
го в исходном положении,
1 — впускной патрубок; 2 — выпускной патру-
бок; з — корпус; 4 — кольцевое уплотнение;
5 — пиропатрон.
Фиг, 4.10. Схема пирокла-
пана, закрытого в исходном
положении (конструкция фир-
мы «Локхид эйркрафт»).
1 — впускной патрубок; 2 — коль-
цевое уплотнение; з — заглушка;
4 — поршень; 5 — выпускной
патрубок; 6 — пиропатрон.
Пироэнергодатчики
133
тонкостенного элемента, исключающее какие бы то ни было утечки.
При срабатывании пиропатрона поршень перемещается и срезает
тонкостенный уплотняющий элемент во входном патрубке. В перед-
ней части поршня имеется упорный выступ, который входит
в канавку А в заглушке, благодаря чему клапан удерживается
в открытом положении. Клапан срабатывает при рабочем давлении
менее 14 ати. На фиг. 4.11 представлен вариант конструкции,
в которой впускной патрубок имеет ослабленное сечение. Под
действием напряжений, вызванных повышением давления продук-
тов сгорания в кольцевом канале А, элемент Б отделяется и пере-
мещается вдоль канала, в конце которого имеется канавка В, куда
входит упорный выступ. Недостатком этой конструкции является
возможность загрязнения, вызванного продуктами сгорания заря-
да пиропатрона.
Время срабатывания клапанов такого типа составляет менее
5 мсек. Подобные характеристики было бы трудно обеспечить дру-
гим приводом. Разработаны стандарты на размеры, время сраба-
тывания, потребную энергию и допустимые утечки газов из пиро-
клапанов. Вследствие простоты и прочности конструкции пиро-
клапаны имеют удовлетворительные технико-экономические харак-
теристики и высокую надежность срабатывания. Принципы проек-
тирования, рекомендуемые для пирорезаков кабелей, применимы
и для пироклапанов.
ПИРОАККУМУЛЯТОРЫ ДАВЛЕНИЯ СИСТЕМ ПОДАЧИ
Разработан ряд эффективных систем подачи кратковременного
одноразового действия, в которых используются пироаккумулято-
ры давления. Наиболее широкое применение получил пироакку-
ф и г. 4.12. Схема пироакку-
мулятора для передавливания
электролита.
1 — пиропатрон; 2 — крышка;
.3 — кольцевое уплотнение; 4 —
поршень; 5 — корпус; 6 — элек-
тролит.
мулятор для передавливания электролита из резервуара в аккуму-
ляторную батарею в бортовых источниках питания ракет. На
фиг. 4.12 схематически изображена конструкция такого акку-
134
Глава 4
мулятора. Поршень перемещается вдоль камеры под давлением
продуктов сгорания заряда пиропатрона и вытесняет электролит
в аккумуляторную батарею.
Аналогичная система может также использоваться для подачи
гидравлических жидкостей в разнообразных механических приво-
дах. Преимущество этого источника энергии кратковременного
действия в гидравлической системе подачи можно иллюстрировать
на примере гидравлического аккумулятора с пироприводом, изоб-
раженного на фиг. 4.13.
Это устройство надежно
срабатывало в качестве
основного привода си-
стемы выбрасывания
тормозного парашюта
при аварийном ката-
пультировании кресла
пилота из самолета. В те-
чение нескольких мил-
лисекунд оно способно
подать 1150 см3 жид-
кое
Фиг. 4.13. Схема гидрав-
лического аккумулятора
с пироприводом.
1 — заряд топлива; 2 — вклю-
чение с помощью пневматиче-
ских, электрических или ме-
ханических (вытяжного шну-
ра) средств.
Примечание. Все разме-
ры даны в миллиметрах.
кости при давлении 210 ати. В качестве источника энергии ис-
пользуется заряд твердого топлива на основе нитрата аммония
с низкой температурой продуктов сгорания.
Скорость горения топлива определяется давлением газа за
поршнем. Давление газа зависит от давления в гидравлической
системе. Регулирующее действие этого типа (в отличие от регули-
рования с помощью отверстия со сверхкритическим перепадом
давления) обеспечивает приспособление системы к соответствую-
щим изменениям температуры и требуемой механической работы.
При низких температурах, например, скорость горения топли-
ва при данном давлении значительно меньше. При использовании
регулирования с помощью отверстия со сверхкритическим пере-
падом давления понижение начальной температуры сопровождает-
П up оэ нер го датчики
135
ся уменьшением давления в газогенераторе. Если же работа систе-
мы регулируется сопротивлением движению поршня, выполняю-
щего механическую работу, то давление остается постоянным
и уменьшается лишь скорость подачи. На фиг. 4.14 представлено
изменение давления газа и жидкости в зависимости от времени
перемещения поршня при предельных значениях начальной тем-
пературы. При испытаниях в качестве нагрузки использовалось
ф и г. 4.14. Изменение давления газа и жидкости во время работы
пироаккумулятора.
д конец хода поршня;----------начальная температура —53° С; — • — • —
начальная температура 20° С; ----- начальная температура 74° С; объем
масла -—1150 ми3, свободный объем, заполненный воздухом, — 25 см3 (с уста-
новленным пиропатроном).
противодавление 140 ати. Основное преимущество такой саморе-
гулируемся системы заключается в ее приспособляемости к раз-
личным условиям. Если, например, по какой-либо причине возра-
стет механическое сопротивление в приводе, т. е. потребуется
более высокое давление в гидравлической системе, то процесс
горения топлива автоматически к этому приспосабливается и обес-
печивает более высокое давление. Увеличенный расход энергии
в этом случае достигается за счет предусмотренной гарантийной
толщины свода топливного заряда, так что по достижении поршнем
крайнего положения топливо продолжает гореть, если условия
работы системы были номинальными. После завершения хода
поршня при нормальной скорости горения топлива давление газа
повышается вплоть до момента полного выгорания топлива. Пло-
щадь между кривой давления и номинальным рабочим давлением
соответствует гарантийному запасу энергии, которая не использу-
ется. Для иллюстрации автоматического использования этой
накопленной энергии обратимся к диаграмме давления газа,
изображенной на фиг. 4.14. Время полного хода поршня при
136
Глава 4
начальных температурах 20 и 74° С составляет от 1,6 до 1,7 сек.
При начальной температуре —53° С вследствие уменьшения скоро-
сти горения топлива время полного хода поршня возрастает
приблизительно до 2,5 сек. Увеличенные теплопотери и затраты
энергии на трение при низких температурах автоматически ком-
пенсируются из запаса рабочей энергии. Сравнение максимальных
значений давления после завершения хода поршня при низких
и высоких начальных температурах показывает, что около
40% гарантийного запаса топлива расходуется при работе систе-
мы в условиях низких температур.
МИКРОТЯГОВЫЕ УСТРОЙСТВА
Привод с деформируемым элементом (фиг. 4.15,а) представ-
ляет собой микротяговое устройство, в котором продукты сгора-
ния пиротехнической смеси действуют на вогнутую металличе-
скую крышку, деформируя ее с образованием выпуклости. Форма
После срабатывания После срабатывания
в
Фиг. 4.15. Схемы мпкротяговых устройств.
а — привод с деформируемым элементом; б — поршневой
привод; е — сильфонный привод.
деформированного элемента и его положение сохраняются после
срабатывания устройства даже при снижении давления газа.
Микротяговое устройство с деформируемым элементом использует-
ся для привода микровыключателей, освобождения защелок и для
Пироэнергодатчики
137
выполнения других операций, при которых требуется создать
линейное перемещение порядка 1,5 мм или меньше.
Поршневой привод (фиг. 4.15,6) представляет собой простое1
устройство, в котором продукты сгорания пиротехнической смеси
перемещают поршень, связанный с нагрузкой. Обычно в подоб-
ной системе ход поршня равен 6 мм при нагрузке 9 кг. Не пред-
ставляет труда обеспечить большее усилие и перемещение поршня.
Поршневой привод может быть тянущего или тол кающего типа,
что расширяет область его применения.
Третий тип микротяговых устройств представляет собой уст-
ройство с металлическим сильфоном, который при наддуве газами
растягивается. К характерным особенностям этого устройства отно-
сится способность сильфона совершать перемещение по криволи-
нейной траектории. Микротяговое устройство этого тина рассчита-
но на линейное перемещение порядка 25 мм при усилии до' 9 кг.
УСТРОЙСТВА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ БОЛЬШИЕ
ТЯГОВЫЕ УСИЛИЯ
Разработаны тяговые устройства, создающие рабочее усилие-
при относительно коротком ходе поршня. Устройство такого типа
состоит из цилиндра, поршня и пиропатрона. В отличие от пиро-
устройств, используемых в системах катапультирования и сбрасы-
вания, поршневое тяговое устройство не отделяется от цилиндра
в конце хода поршня. Это важная особенность конструкции,
которая испытывает ударную нагрузку в момент достижения
поршнем крайнего положения. Поскольку тяговая система пред-
ставляет замкнутое устройство, то она должна выдерживать повы-
шенное давление в замкнутом объеме и повышенные скорости дви-
жения без нагрузки. При работе тягового устройства в конструк-
ции возникают критические напряжения: окружные, напряжения
растяжения, продольного изгиба и напряжения в резьбовых
соединениях. Па практике элементы кострукции обычно рассчиты-
ваются на внутреннее давление с использованием величины предела
текучести материала и минимального запаса прочности, равного
1,15. Как правило, предел прочности конструкции тягового устрой-
ройства в 2,5 раза превышает максимальное рабочее напряжение.
Кинетическая энергия, накопленная движущимся поршнем,
достаточна для того, чтобы разрушить элементы конструкции,
если произойдет удар поршня в конце его хода. С помощью гидрав-
лических демпферов или механических тормозов можно «погасить»
скорость на конечном отрезке хода поршня до допустимого уровня,
при котором конструкция выдерживает удар поршня.
Тяговые устройства должны обеспечивать заданные характе-
ристики в широком диапазоне нагрузок. Изменение этих нагрузок
Фиг. 4.16. Устройство, обеспечивающее тяговое усилие 1000 кг.
j стопорное кольцо; 2 — обратный клапан; з — отверстие; 4 — свободный объем камеры; .5 — фильтр; 6 — заряд топлива;
7 — поршень из найлона; 8 — замедлительпый элемент (2 штуки); 9 - - цепь пиропатрона; 10 — переходный заряд;
ц— воспламенитель; 12 — крышка; 13 — кольцо-фиксатор; 14—ручной механизм освобождения тягового устройства;
15 — рифление; 16— поршень; 17— гидравлический демпфер; 18— отверстие; 19 — начальный запирающий механизм;
2о — поршень запирающего механизма.
Примечание. Размеры даны в миллиметрах.
Пироэнергодатчики
139
связано с колебаниями аэродинамических сил, ускорений летатель-
ного аппарата и высоты его полета. Для регулирования скоростей
и ускорений при различных нагрузках обычно применяется буфер-
ное устройство, в котором рабочая жидкость перетекает через
калиброванное отверстие.
На фиг. 4.16 представлена схема тягового устройства, обеспе-
чивающего минимальное усилие 1000 кг при ходе поршня 75,4 мм.
В конструкциях этого типа обычно используется начальный запи-
рающий механизм 19, который освобождается только при срабаты-
вании пиропатрона или подаче газа высокого давления от внешнего
источника через отверстие 3. Часто используется концевой запираю-
щий механизм, служащий для удержания поршня в отклоненном
положении. Освобождение тягового устройства производится вруч-
ную путем осевого перемещения рифленой ручки. Регулирование
скоростей и ускорений в связи с требованиями прочности или изве-
стными физиологическими факторами (если тяговое устройство
используется для перемещения пилотов) обеспечивается гидроди-
намическим буферным или демпфирующим механизмом.
СИСТЕМЫ КАТАПУЛЬТИРОВАНИЯ И СБРАСЫВАНИЯ
К системам катапультирования относятся телескопические
устройства аварийного спасения экипажа скоростных самолетов.
Катапульта обеспечивает необходимую для безопасного покидания
Ф и г. 4.17. Схема системы катапультирования.
1 -- крышка; 2 — шайба: 3 — внутренняя герметизация; 4 — внутренняя труба; 5 —
телескопическая труба; 6 — наружная труба; 7 — фланцевая втулка; 8 — срезаю-
щийся штифт; 9 — защелка; 10 — хвостовик; 11 — заглушка (только для транспор-
тировки); 12 — боек; 13 — кольцевое уплотнение; 14 — втулка; 15 — наружная
герметизация; 16 — пружина; 11 — пиропатрон.
самолета скорость перемещения пилота вместе с креслом. Перед
катапультированием кресла производится сбрасывание фонаря
кабины самолета. Перегрузки, обеспечиваемые катапультирующим
устройством, в отличие от механизма сбрасывания фонаря огра-
ничиваются в соответствии с физиологическими факторами.
На фиг. 4.17 представлена схема типичной системы катапуль-
тирования. Эта система может сообщить грузу весом до 270 кг
140
Глава 4
скорость до 24,7 mJ сек при максимальной перегрузке до 20. Ход
порыня составляет 2235 мм. Механизм сбрасывания фонаря имеет
меньшую длину хода поршня (до 710 мм) и сообщает скорость
до 8,2 м!сек фонарю весом до 135 кг.
ПИРОБОЛТЫ
Существуют пироболты двух типов.
1. Болты, ослабленные глубоким надрезом, который распола-
гается у дна полости с пирозарядом. Стяжная пиромуфта, пред-
ставленная на фиг. 4.18, является типичным примером таких кон-
струкций.
2. Болты со ступенчатой проточкой имеют ступенчатый надрез
у дна полости с пирозарядом. На фиг. 4.19 и 4.20 представлены
типичные примеры таких конструкций. Каждый из указанных
вариантов конструкции применялся в различных системах разде-
ления.
Считается, что механизм разрушения в зоне надреза обуслов-
лен совместным влиянием волн разрежения, отражающихся от
надреза, и растягивающего усилия, связанного с динамической
нагрузкой на дно полости. Разрушение болта со ступенчатой
проточкой почти полностью обусловлено динамическим растяги-
вающим усилием. Вследствие динамического характера нагрузок
при разрушении болтов в справочниках не всегда можно найти
необходимые данные по прочностным характеристикам элементов
с надрезом.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПИРОВОЛТОВ
На основании имеющегося опыта известно, что закаленные
стали при разрушении образуют более ровный срез, чем незака-
ленные. Чем более хрупкой является сталь, тем легче она разру-
шается в условиях динамических нагрузок. Считается, что пиро-
болты можно изготавливать из любой прочной стали, однако
обычно предпочтение отдается стали марки 4340. Важным факто-
ром является выбор метода термообработки. При проектировании
пироболтов приходится делать выбор между необходимостью обес-
печения оптимальных рабочих характеристик взрыво-механиче-
ских устройств, требующих твердости и хрупкости стали, и опти-
мальных прочностных характеристик, требующих твердости, проч-
ности на усталость и сопротивляемости распространению трещин
от надрезов. Часто при выбранном методе термообработки дости-
гается очень высокая прочность материала, что, однако, препят-
ствует последующей обработке поверхности и точного доведения
размеров надреза до заданных. Это обстоятельство, а также
микротрещины, возникающие после грубой термообработки,
> 10 M 40 t)0 мм
Ф и г. 4.18. Стяжная пиромуфта.
Ф и г. 4.19. Пироболт.
Фиг. 4.20. Пироболт в разрезе.
Примечание. Размеры даны в миллиметрах.
142
Глава 4
являются основными факторами, вызывающими разрушение пиро-
болтов при воздействии напряжений, меньших заданных техни-
ческими требованиями.
Имеется мало данных о влиянии формы надрезов или проточек
на механизм разрушения пироболтов. На практике обычно при-
нято указывать радиус у основания надреза и делать надрез
настолько глубоким, насколько это возможно в соответствии с тре-
бованиями прочности на растяжение. Важную роль играют также
глубина надреза или проточки и их расположение относительно
дна полости, в которой находится пирозаряд. Обычно надрез дела-
ют в плоскости дна этой полости, в противном случае, по-видимо-
му, возрастет вероятность дробления болта на осколки.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВНОГО ЗАРЯДА
При разработке пироболта основное внимание уделяется выбо-
ру веса и формы основного заряда. Площадь поверхности воспла-
менения основного заряда также играет важную роль, поскольку
определяет форму детонационной волны, распространяющейся
от заряда. Характеристики разрушения можно варьировать про-
стым изменением диаметра передаточного заряда, а следовательно,
площади поверхности воспламенения основного заряда.
Основной заряд изготавливается из ВВ, которое должно детони-
ровать под действием передаточного заряда с образованием высоко-
го давления за детонационной волной. Наиболее эффективное дей-
ствие заряда достигается при соотношении высоты и диаметра 1/10.
МЕХАНИЗМ ОСВОБОЖДЕНИЯ БОЛТОВ (ПИРОГАЙКА)
Возможность дробления и конструктивная сложность пиро-
болтов в некоторых случаях существенно сужают область их при-
менения. В связи с требованием полной изоляции образующихся
продуктов сгорания и отсутствия дробления был разработан
механизм освобождения болтов. Имеются различные типы таких
устройств, но не все они обеспечивают полную изоляцию продук-
тов сгорания. Обычно устройство такого типа представляет собой
гайку со щелями, которая навинчивается на болт. При срабатыва-
нии пироболта образующиеся продукты сгорания снимают обойму
с гайки. Это вызывает «лепесткообразное» раскрытие гайки
и освобождение болта. На фиг. 4.21 показана конструкция пиро-
болта с гайкой фирмы «Маккормик селф ассогаиэйтс». Ее характе-
рные особенности: полная изоляция образующихся газов и
других продуктов инициирования и выброс болта при срабаты-
вании системы.
Как и в случае пирорезака для кабелей, в данных конструкци-
ях используется быстро горящее топливо для обеспечения резкого
повышения давления. Для быстрого и надежного срабатывания
Пи ро.л< е ргодатчики
143
устройства необходимо, чтобы скорость нарастания давления
составляла примерно 105 ат!сек, а свободный объем был минималь-
ным. Подвижных частей должно быть как можно меньше. Простота
конструкции является важным фактором, определяющим стои-
мость и надежность системы.
Фиг. 4.21. Пирогайка.
Примечание. Размеры даны в миллиметрах.
БИБЛИОГРАФИЯ
Boaz С. W., A Basic Investigation of Controllable Thrust Devices for Escape
from Space Vehicles, Frankford Arsenal Report R-1548, Feb., 1961.
В о r i t z R., N a r i s e S., Analog Computer Study of the Interior Ballistics
of Propellant Actuated Personnel Catapults, Frankford Arsenal Report
M61-17-1, Oct., 1961.
В г о z e k J. E., Analysis of the Energy Balance of M5 Catapult, Frankford
Arsenal Memo. Report MR-686, Aug., 1958.
Cartridge Actuated Devices, Aircraft New Emergency Escape (General Specifi-
cation for), USAF Military Specification MIL-C-25918, Sept., 1957.
Cartridge Actuated Devices, Naval Ordnance Pamphlet 2606, Jan. 25, 1962.
H e d d e n S. E., Theoretical Optimization of Cartridge Actuated Devices,
U.S. Naval Weapons Laboratory Tech. Memo., W-22/59, 1961.
Holter W. IL, Simplified Solutions to the Interior Ballistic Problems of
Cartridge Actuated Devices, U.S. Naval Weapons Laboratory Report
1752, 1960.
Johnson R. E., Johnson N. L., Wrench J. W-, Jr., Numerical
Methods of Solution of the Ordinary Problems of Interior Ballistics,
NDL-C Report A-348; OSRD Report 6231, ATI 24 647, March 10, 1960.
King C., Use of High Speed Digital Computers for Analysis of Catapult
Performance, Frankford Arsenal Report R-1224, Oct. 1954.
Ordnance Engineering Design Handbook Propellant Actuated Devices,
Ordnance Corps Pamphlet AMCP 706—270, July 1961.
Power Cartridge Handbook, NAVWEPS Report 7836, Jan. 1964.
Propellant Actuated Devices Engineering Manual, Frankford Arsenal, Sept.,
1960.
Taylor W- C., Kelso J. W., Meyers M. B., Blakely W- W-,
A Graphical System for Interior Ballistic Computations, Ballistic
Research Laboratories Report 825, Aug. 1952.
244
Глава 7
Подача пускового сигнала
Проверка на
Подача высокого напряжения
Функционирование
Отсутствие обрыва в проволоч-
ном мостике (контроль ом-
метром)
Дублирование
Батареи подключены к блоку питания
Время задержки между подачей пуско-
вого сигнала на триггер и разрядкой
конденсаторной цепи 0,003 сек
Цепь триггера разомкнута после подачи
сигнала на разрядку конденсаторной цепи
работоспособность
Отрицательный потенциал постоянного
тока 5 в при разомкнутой цепи и импе-
дансном сопротивлении 30 000 ом', на-
пряжение постоянного тока на кон-
денсаторе 2600 в
Отрицательный потенциал постоянного
тока 15 в при разомкнутой цепи и импе-
дансном сопротивлении 10 000 ом через
2,5 мсек после появления выходного
сигнала. Выходной сигнал также ре-
гистрируется при подаче питания, при-
чем форма волны выходного сигнала
обратна форме волны заряда в кон-
денсаторе; изменение напряжения от
15 в до нуля
100 000 ом при разомкнутом мосте,
10 000 ом при замкнутом мосте (оце-
ночно)
Дублирование проволочных мостов пе
практикуется; дублирование элементов
электроники и других устройств воз-
можно
о в а н и я
Технические треб
"Выходные характеристики (при одном
электровзрывном устройстве)
Подача энергии на входе
Время зарядки конденсатора (накоп-
ления энергии в блоке питания)
Время разрядки конденсатора после
отключения источника питания
(при выключении устройства)
Диссипация энергии в устройстве
к блоку питания
0,5 MtJ> при напряжении постоянного
тока 2600 + 130 в
Напряжение постоянного тока 28+2 в,
ток па входе 500 ма, реактивный ток
500 ма
2—10 сек X количество выходов
10—40 сек X количество выходов
Подача пускового сигнала триггеру
Уплотнение
Импеданс линии передачи
Импульсная характеристика линии
передачи
От момента подачи питания до мо-
мента подачи пускового сигнала
28 + 0,05 вт!сек X количество триг-
геров
Напряжение постоянного тока 28+2 в
Максимальный ток 100 ма
Минимальное время 3 мсек
Утечка не должна превышать
10-8 см31сек
7—10 ом
Отрицательный потенциал 3000 в, ток
2500 а в течение 10 мксек
Газогенераторы
145
Безопасность. Газобаллонная система содержит газ при высо-
ком давлении в течение длительного времени хранения и использо-
вания газа. Каждый из таких резервуаров представляет потен-
циальную опасность. Газогенератор не находится под давлением,
за исключением периода его работы. Высокое давление имеет место
лишь в области камеры сгорания и не распространяется на всю
систему. Рабочее давление в газогенераторах также обычно значи-
тельно ниже, чем в газобаллонной системе. Это существенно упро-
щает требования техники безопасности при использовании топлив-
ной системы.
Контролируемость параметров. Газогенератор можно спроек-
тировать таким образом, чтобы обеспечить требуемое количество
газа в определенное время при заданном расходе. Расход газа
из газобаллонной системы уменьшается по мере снижения давления
в ней, и для получения требуемого количества газа обычно необхо-
димо более длительное время, чем при использовании соответст-
вующей топливной системы. Работа газогенератора может по суще-
ству не зависеть от температуры хранения, в то время как расход
газа из газобаллонной системы снижается при понижении темпе-
ратуры окружающей среды.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Первые вспомогательные силовые установки были разработа-
ны, когда оказалось, что применяемые в ЖРД жидкие топлива
не могут поступать с заданным расходом в камеру сгорания толь-
ко под действием силы тяжести. Для обеспечения заданного рас-
хода топлива применялись турбонасосные агрегаты, приводимые
в действие продуктами разложения перекиси водорода. В настоя-
щее время все еще используются аналогичные системы, приводи-
мые в действие продуктами сгорания зарядов твердого топлива
или выводимые на режим номинальной тяги путем отбора газов
из основной камеры сгорания. Газогенераторы часто используют-
ся в качестве привода турбин, связанных с электрогенераторами.
Они также применяются для запуска реактивных двигателей при
отсутствии достаточно мощных источников электрической энергии
или энергии сжатого газа (фиг. 5.1 и 5.2).
Газогенераторы также служат источниками энергии для
сервоприводов. В одних сервосистемах горячий газ подается
непосредственно через двухпозиционный регулирующий клапан
в цилиндр с поршнем, связанным с управляющим элементом меха-
нической связью. Управляющий элемент перемещается в соответ-
ствии с подаваемым сигналом. В других сервосистемах газ может
применяться для наддува гидравлического аккумулятора и подачи
рабочей жидкости. Используются также насосы, приводимые
1 0-1088
1
Фиг. 5.1. Газогенератор на твердом топливе для над-
дува гидравлического аккумулятора ракеты «Сперроу-3».
(Разработан фирмой «Маккормик селф ассошиэйтс».)
ф и г. 5.2. Газогенератор на твердом топливе для вспомо-
гательной силовой установки с гидросистемой, использу-
емой при запуске ракеты «МВ-1».
(Разработан фирмой «Маккормик селф ассошиэйтс».)
1
Газогенераторы
147
в действие непосредственно вспомогательной силовой установкой
или с помощью электрической энергии, вырабатываемой ею. Полу-
чили широкое применение турбины с приводом от газогенератора.
Энергия турбины может быть преобразована практически в любой
вид энергии. Применение газогенераторов, естественно, не ограни-
чивается перечнем указанных систем (фиг. 5.3).
Заслуживает внимания применение газогенераторов в качестве
основного источника энергии для гиросистем с горячим газом,
ф и г. 5.3. Дублированный газогенератор для системы
катапультирования пилота самолета В-58.
(Разработан фирмой «Маккормик селф ассошиэйтс».)
в которых массивное колесо турбины вращается как гироскоп
и используется в системах управления положением в пространстве
и угловой скоростью. Следует отметить, что для выполнения подоб-
ных функций часто используется газ, отбираемый или поступаю-
щий из других агрегатов, в которых он выполняет свои основные
функции. В одном таком случае газы первоначально применялись
для создания давления в гидравлическом сервоприводе системы
управления. Затем они поступали в две турбины, одна из которых
была связана с электрогенератором, являвшимся основным борто-
вым источником энергии, другая выполняла роль эталонного гиро-
скопа. Газогенератор запускался перед стартом ракеты, и поэтому
весь образующийся газ мог использоваться для раскрутки турбин
до момента включения сервосистемы. Расход газа был достаточен
для поддержания скорости вращения обеих турбин-в процессе поле-
та. После прохождения через турбины газы направлялись в соп-
ло, обеспечивая дополнительную тягу.
При наддуве систем применяются разнообразые методы. Если
допустимо загрязнение рабочей жидкости продуктами сгорания топ-
лива, то они могут направляться непосредственно в объем с рабочей
жидкостью. По этому принципу работают некоторые системы заряд-
ки электробатарей. Электролит находится в трубчатом резервуаре,
10*
148
Глава 5
имеющем форму пространственной кривой, что позволяет подавать
жидкость в любом направлении. Резервуар герметично закрыт
мембраной на входе к батареям. При включении газогенерато-
ра мембрана разрывается и электролит передавливается в бата-
реи, обеспечивая немедленное их включение в систему электропи-
тания.
В тех случаях, когда недопустимо загрязнение рабочей жидко-
сти продуктами сгорания топлива, либо неизвестна (или не может
Ф и г. 5.4. Газогенератор на твердом топливе с замедли-
тельноп системой и без нее, предназначенный для выброса
спасательного парашюта космического корабля «Мерку-
рий».
(Разработан фирмой «Маккормик сслф ассошиэйтс».)
быть определена) ориентация устройства при работе, либо система
находится в состоянии невесомости, применяются другие методы.
Во многих старых системах между сжатым газом и рабочей жид-
костью помещался свободно плавающий поршень. При работе
газогенератора поршень давил на жидкость, вытесняя ее из резер-
вуара с требуемым расходом. Для эффективного разделения сред
использовались также диафрагма или мешки из эластомерных
материалов, которые размещались в резервуаре. Выбор материа-
лов для таких элементов конструкций должен производиться
с учетом совместимости с рабочей жидкостью и горячим газом,
а также с учетом различных условий окружающей среды при
хранении и работе системы. Достоинством всех рассмотренных
выше конструкций является их способность работать в любом поло-
жении (фиг. 5.4 и 5.5).
Важная область применения газогенераторов — наддув эласто-
мерных или тканевых мешков. Примерами использования газоге-
Газогенератор ы
149
нераторов в данной области могут служить понтоны, спасательные
плотики, аварийные шасси скользящего типа, поплавковые шасси.
Многие из этих систем наддуваются непосредственно продуктами
сгорания топлива. Замкнутые системы подобного типа применяют-
ся в тех случаях, когда окружающая среда непригодна для запол-
нения емкости. Для подводных установок, например, используются
замкнутые системы, обеспечивающие плавучесть, сигнализацию,
Ф п г. 5.5. Газогенератор с надувным мешком для косми-
ческого корабля «Меркурий».
(Разработан фирмой «Маккормик сслф ассошиэйтс».)
подъем и т. д. Аналогичным образом для работы в вакууме или
в условиях, близких к вакууму, также требуются системы замкну-
того типа. В тех же случаях, когда заполнение производится
на воздухе, благодаря применению аспиратора или струйного
насоса существенно уменьшаются размеры газогенератора и рас-
ход топлива. Это устройство аналогично известному паровому
инжектору с соплом для высоконапорного газа внутри трубки
Вентури. При истечении высоконапорпого газа образуется зона
пониженного давления, в результате чего происходит засасывание
окружающего воздуха в насос. Продукты сгорания топлива
и воздух перемешиваются за счет турбулентности потока, после
чего газо-воздушная смесь направляется в полость, которая
должна быть заполнена газом. Если насосы данного типа работают
при наиболее эффективном перепаде давления, то можно получить
отношение расходов воздуха к газу 5 : 1 или 6 : 1 и выше. При
заданном объеме, заполняемом газом, это приводит к соответст-
вующему уменьшению размеров газогенератора. К. п. д. инжек-
торного насоса данного типа падает по мере увеличения давления
в заполняемой оболочке и становится равным нулю, когда внутрен-
нее давление повышается до давления окружающей среды. По этой
причине в большинстве систем данного типа имеется дополни-
тельный клапан, который закрывается, когда внутреннее давление
превышает уровень, при котором обеспечивается максимальный
150
Глава 5
к. п. д. инжекторного насоса. Таким образом, перекачка больших
объемов воздуха низкого давления производится наиболее эффек-
тивным способом. После закрытия клапана газогенератор продол-
жает работать и заполняет емкость до заданного конечного
давления (фиг. 5.6).
Применение инжекторных систем дает дополнительные преиму-
щества, так как поступающий воздух также охлаждает газовую
Фиг. 5.6. Газогенератор системы наддува радиогид-
роакустического буя.
Используется вместо патрона с СОг- Гарантирует более дли-
тельный период хранения и имеет меньшие габариты. (Раз-
работан фирмой «Маккормик селф ассошиэйтс».)
смесь. Конечная температура газа, таким образом, пропорциональ-
на температуре воздуха в окружающей среде, температуре продук-
тов сгорания топлива и соотношению их расходов. В некоторых
случаях результирующая температура достаточно низка и поэтому
дополнительного охлаждения вообще не требуется. В других
системах может понадобиться дополнительное устройство для сни-
жения температуры.
Эти устройства могут быть сравнительно простыми. Если газо-
вод имеет достаточную длину и проходит через зону с относитель-
но низкой температурой, то благодаря тепловым потерям через
стенки газовода температура продуктов сгорания может понизить-
ся до требуемого уровня. В системе спасения торпед, например,
предусматривается короткая стальная трубка, которая омывается
морской водой, что обеспечивает достаточно интенсивный отвод
тепла, когда газы поступают по трубке. В результате требуемое
охлаждение достигается без особого труда. В других конструк-
Газогенератор ы.
151
цпях могут потребоваться газо-воздушные или газо-жидкостные
теплообменники или другие тепловые стоки различной степени
сложности в зависимости от области применения и выдвигаемых
требований. В данной главе не имеет смысла рассматривать вопро-
сы теплопередачи и конструкции теплообменников.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ
Газогенераторы обычно являются приводами агрегатов, преоб-
разующих тепловую энергию в механическую. Они относятся
к широкому классу тепловых машин и могут рассматриваться
с точки зрения термодинамики системы и термохимии топлива.
Как уже указывалось ранее, практический интерес при проек-
тировании газогенераторов представляют количество газов, их се-
Таблица 5.1
Обозна- чение Наименование параметра Размерность
Весовой расход газообразных продук- кг/сек
тов сгорания топлива
F Тяга кг
1 уд Удельная тяга кг-сек/кг
('р Коэффициент тяги Безразмерный
с Эффективная скорость истечения м/сек
с * Характеристическая скорость исте- м/сек
ченпя
Св Коэффициент расхода кг/кг-сек
K's Удельный расход топлива кг/кг сек
S Поверхность горения заряда топлива см2
Ат Площадь критического сечения сопла СМ2
Pc Давление в камере сгорания кг/см2
РА Атмосферное давление кг/см2
Ре Давление на срезе сопла кг/см2
ё Ускорение силы тяжести м/сек2
Рр Скорость горения топлива см/сек
Р Удельный вес топлива г/см^
Тс Температура газа в камере сгорания °К
мё Средний молекулярный вес газов кг/кг-моль
У Отношение удельных теплоемкостей Безразмерное
и Скорость газа на выходе из сопла м/сек
F 7уд CF c
We fcd F CfAtPc A^P^Cpg
g c F ^уд -^уд c
F WgCFc* g Wg-^УД СМг^с <M’g g
т P cA?c F CfAtPc c
1 УД WgC* g
^/уд F c
Ср ЛГРС Pc At ypf'D c*
PcATCFg Fg
с ^уд^ С Fc*
Wg Wg
PcATg Pc Ат Iyp,g ^уд^ Fg c
F c F CFWg cF
S'* СиСрАтРс C F cFwe cFg
I'D ЛГРС F -^уд F c
C dA’j'Pq 1 g
IFS Wglyn F -^уд СрРс^т c
Q 103Ж^ iO3CFWgPcAT 10зр 1№CFPCAT WATPcCFg
О RbP P PbP ^уд-РвР -^удРдР cPBp
V~r 1
__ I 2 \2<v-D
-,/8487^
V Mg
CF = k
(v+i)/(v-i)
P£\(V-1)/V-| (Рд-Ра)Ме \
Pc / J Pc \ЛГ /
Примечание. В приведенных формулах АЕ — площадь выходного сечения сопла,
Таблица 5.2
с* CD ws s
ApPgg с* CdPcAt W SC fAtP c Ю-з^Лдр
PCATI^g cFwg Й'г iO3CFWgPcAT
с* Cd Ws .S’/?Bp
с*Сг CF 1 1()3F
g Ср Ws 777?вр
с Cd wg 10-35/удЯвР
с* Ws ^sAtpc ApPe
CFg g \№ATPcCFg
с*С f Cd Ws SRbP
g PcApg WATPcg
Cd WSF SPBp
g 10~3SPBp
с* cFws PCAT
PgArg Cd \Q~3SRBp
c*F CF C i?P c-A т
103AFPcg W3CDPcAT lO^FKgC pApPc
с*Лвр PbP PbP
с* =
2уНТс
(Т-1)^
(v+D/2(v-l)
к — ~2 (14-cos а).
(72 =
а — угол между осью и образующей конуса сопла.
154
Глава 5
кундный расход и давление. Все эти параметры обычно свя-
заны между собой. Например, скорость горения как функция
давления является характеристикой топлива. Давление в системе
и количество газа являются функцией геометрии заряда. Проекти-
рование газогенераторов, рабочие характеристики которых отве-
чают заданным требованиям, производится с помощью внутрибал-
листического расчета на основе анализа возможных форм зарядов,
использования данных по химическому составу твердого топлива
и свойствам газа. Формулы, по которым производятся проектные
расчеты, как будет показано, за небольшими исключениями, прак-
тически те же, что для ракетных двигателей твердого топлива.
К последним относятся соотношения для вычисления мощности
газогенератора и адиабатического напора газа. Опытный конструк-
тор ракетных двигателей может найти более целесообразным
использование коэффициента расхода СD, так как для газогенера-
тора основной интерес представляет расход газа, а не сила тяги.
В табл. 5.1 и 5.2г) представлены соотношения между различны-
ми параметрами, используемыми при проектировании ракетных
двигателей и газогенераторов.
Методы расчета и формулы, приведенные в данной главе, пред-
назначены для начинающего инженера. В связи с этим приводятся
некоторые основные сведения из области термодинамики и газо-
динамики.
ТЕРМОДИНАМИКА ГАЗА
Пусть требуется заполнить вакуумированную камеру объемом
0,339 ж3 воздухом при температуре 21° С и давлении 1,033 кг!см2
(давление на уровне моря). Когда клапан открыт, воздух поступает
в камеру. Прирост веса можно определить с помощью уравнения
идеального газа: PV = nRT. После подстановки и преобразования
получим
(5.1)
^MgPgvg
где Wg — вес газа; Mg — средний молекулярный вес газа;
Pg — абсолютное давление газа; Vg — объем газа; Tg — абсолют-
ная температура газа; R — универсальная газовая постоянная
(848 кгм/кг-молъ- град).
г) В оригинале гл. 5 имеется ряд неточностей и опечаток. Сюда относятся,
например, некоторые формулы в табл. 5.2, формулы (5.13) и (5.14), формулы
(5.33), (5.34) и (5.44), некоторые цифры в табл. 5.3. Кроме исправления опе-
чаток и неточностей, при переводе указаны (в соответствующих местах)
внутрибаллистпческие параметры и соотношения, наиболее широко исполь-
зуемые в аналогичных случаях в отечественной литературе.— Прим, перев.
Г азогенераторы
155
Для воздуха (М8 = 29 кг/кг-молъ, так что
TV7 104-29-1,033-0,339 п /по
=---------ЙМ94------- = °’408
Если заменить воздух в камере другим газом при температуре
"21° С, так чтобы давление, измеряемое датчиком, увеличилось
на 0,14 кг!см2, и если при этом окажется, что вес камеры с газом
уменьшился на 0,041 кг, то можно установить, что молекулярный
вес газовой смеси равен
Мё \WVaPg ~ 104-0,339-1,17 23 кг!кг моль.
Удельный вес этого газа равен
О — Wg — в’367 Л QQ Л М-3 о „З
Pg 103Vg — 103-0,339 1,иб 1и °
Если газ в камере нагреть до температуры 204° С, то его давле-
ние станет равным
WsTgR 0,367-477-848 , Qn , „
Pg — -=------------- а- по»— 1,90 кг!см2.
ё MgVg 23-0,339
Этот результат можно также получить с помощью закона Бойля —
Мариотта:
(5.2)
PiVi _ P2V2
Ti " Ti ’
При постоянном объеме покоящегося газа имеем
1,17-477 . пп , „
——— 1,90 кг!см2.
294
(5.3)
PjT2
2
(5.4)
Для заполнения камеры газом можно использовать также газоге-
нератор на твердом топливе. В предположении, что все продукты
сгорания топлива являются газообразными (в конечном состоя-
нии), заряд сгорает полностью, а параметры системы имеют
те же значения, что и в рассмотренной выше задаче, заряд твердо-
го топлива должен весить 0,367 кг, т. е.
Wp^Wg.
Предположим, что в продуктах сгорания данного топлива
содержится 12,5% воды. При высоких температурах вода находит-
ся в парообразном состоянии и давление в камере по-прежнему
равно 1,17 кг/см2. При понижении температуры основная часть
водяных паров будет конденсироваться с образованием жидкой
фазы и соответствующим уменьшением давления. Для обеспече-
156
Глава 5
ния указанного давления 1,17 кг/см2 нужно взять больше топлива
в соответствии с отношением объема газовой фазы к объему жидкой
фазы, причем в большинстве случаев объемом конденсирующихся
газов можно пренебречь. Следовательно,
^-1,00°-0Т25=°’42Жг- <5'5)
Ввиду того что тепловые потери и конечная температура газа
не могут быть вычислены с одинаковой степенью точности, получа-
ем несколько завышенный расчетный вес топлива; тем не менее
сделанное приближение является достаточно точным для предва-
рительных расчетов. Более точный расчет возможен, если известны
конечные условия.
При внутрибаллистическом проектировании артиллерийских
орудий приходится иметь дело со значительно более высокими
давлениями. В этом случае обычно используется уравнение
Нобеля — Абеля
w пт
P(Vg-aW8)^~(5.6)
Множитель а называется коволюмом и может рассматриваться
как удельный объем, занимаемый полностью сжатым газом. Для
большинства твердых топлив эмпирическое значение коволюма
составляет около 1 см3/г. При типичных рабочих давлениях в газо-
генераторе поправкой на коволюм можно пренебрегать, так как’
она составляет менее 1%.
В баллистике артиллерийских орудий также используется пара-
метр сила пороха Fya как мера способности продуктов сгорания
топлива совершать работу. Эта величина определяется по формуле
Г- Ш у , г 7 х
(,к0
Mg
и обычно имеет размерность кг-м/кг.
Во внутренней баллистике ракетных двигателей часто исполь-
зуется характеристическая скорость истечения с* х) или удельный
импульс 1уа. Они будут рассмотрены в данной главе несколько
позже.
ГОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ
Отдельный блок топлива заданных размеров называется заря-
дом. Часть поверхности заряда, подверженная воздействию про-
дуктов сгорания, называется поверхностью горения. Для ограни-
чения поверхности горения заряда часть его покрывается него-
г) В отечественной литературе параметру с* соответствует параметр р —
удельный импульс давления газов в камере сгорания (с* = Pg).— Прим,
перев.
Газогенератор ы
157
рючим материалом — бронировкой. Минимальное расстояние, кото-
рое проходит фронт пламени, пока заряд сохраняет свою целост-
ность, называется толщиной горящего свода.
Ф и г. 5.7. Типичные формы зарядов.
<а — цилиндрический многоканальный заряд (прогрессивного горения); б — ще-
левой заряд (нейтрального горения); в — заряд с каналом звездообразного
сечения (нейтрального горения); г — телескопический заряд (нейтрального
горения). S^/So — отношение текущей поверхности горения к начальной
поверхности горения; 1/10 — относительная толщина сгоревшего свода;
— — — — положение поверхности горения к моменту, когда сгорает 1 /2 тол-
щины свода.
Если при горении заряда поверхность горения сохраняется
фактически постоянной, то его называют зарядом нейтрального
горения. У заряда прогрессивного горения поверхность горения
увеличивается, а у заряда дегрессивного горения — уменьшается.
Куски заряда, которые остаются после выгорания свода, назы-
ваются неэффективно используемыми остатками, а время, в тече-
ние которого эти остатки выгорают, называется периодом догора-
ния (фиг. 5.7)х).
Определим теперь размеры заряда топлива, который должен
генерировать 0,9 кг газа в течение 8 сек. Заряд имеет цилиндри-
х) См. также фиг. 4.4.—Прим, перев.
158
Глава 5
ческую форму и горит с одного торца (постоянная поверхность
горения). При условиях в газогенераторе выбранное топливо имеет
скорость горения 1,02 см!сек. Удельный вес топлива 1,52 г!см3.
Продукты сгорания топлива не содержат твердых или конденси-
рующихся компонентов.
Расход газов равен расходу топлива при горении и выражается
следующим образом:
Wg — Wp = SRBpp, (5.8)
где S — поверхность горения; R в — скорость горения; рр —уде-
льный вес топлива.
Поскольку в данном случае продукты сгорания не содержат
конденсированной фазы, то Wg ~ Wp и
• Wn 0 9
Wg -= —— = -£— = 0,1125 кг/сек,
1В о
где tB—время горения.
После подстановки Wg в уравнение (5.8) получим
l(Wg о,ц25.юз
5 “ RbQp ~ 1,02-1,52 СМ *
(5.9)
Таким образом, поверхность горения представляет круг диаметром
9,6 см.
Длину заряда легко найти по формуле
L -RBtB = 1,02-8 = 8,16 см. (5.10)
Определим размер сужающегося сопла газогенератора, через
которое будут истекать продукты сгорания, при давлении в каме-
ре сгорания Рс = 70 ат. Для этого расчета принимается, что тече-
ние является адиабатическим. В этом случае при сверхкритиче-
ском перепаде давления справедливо следующее соотношение:
1 2 p(2-v)/v_____1 JLjlL pi'7 = 0 /511)
P2/V у p(V+9/V Y F2 ( -11)
c c
из которого следует
P2 = PT = P* - ’ (5Л2а>
'll1'
T2=Tr = T* = Tc{1~) , (5.126)
/ TgRTт \1/2
U^UT=U* = ( , (5.12b)
Газогенераторы
15»
где индексы Т и С относятся соответственно к условиям
в горле сопла и камере сгорания, а параметры со звездоч-
кой соответствуют критическим значениям. Это означает, что при
сверхкритическом перепаде давления между камерой сгорания
и средой, куда истекает газ, давление в критическом сечении сопла
прямо пропорционально давлению в камере сгорания, а температу-
ра и скорость газа в этом сечении не зависят от давления в камере
сгорания1). Нетрудно убедиться, что уравнение (5.12в) представляет
собой формулу для скорости звука. Сопло, в выходном сечении
которого устанавливается число Маха, равное единице, часто
называют звуковым соплом. В сопле с критическим истечением газа
условия вниз по потоку не оказывают никакого влияния на про-
цесс в камере сгорания до тех пор, пока поддерживается крити-
ческий перепад давления. Расход газа через сопло прямо пропор-
ционален давлению в камере сгорания.
Критическое отношение давлений имеет место только в том
случае, когда давление в среде, куда истекает газ, меньше Р*.
Для продуктов сгорания топлива, имеющих у =- 1,2 и Рс = 70 ат,
\ 1, 2 (1, 2—1)
,< ) -70-0,533 = 37 ат.
1,2+1/ ’
Таким образом, если газы истекают в среду с давлением
РЛ<37 ат, реализуется критическое отношение давлений. По-дру-
гому это отношение можно записать следующим образом:
/ у+1 \т/(т-1)
V 2 )
(5.12а)
Величина критического отношения давлений слабо зависит
от у. Если давление в камере сгорания приблизительно в 2 раза
превышает давление окружающей среды на срезе сопла, то течение
является критическим, или звуковым, и можно пользоваться урав-
нениями (5.12а,б и в).
Если в общее выражение для расхода газа через сопло при
изэнтропическом расширении
2gY-^g
(У-1Ж1
2/v / Рг Vv+1) v'
]/2
(5.13)’
подставить значение критического отношения давлений, А2 = ЛТ
(площадь критического сечения сопла) и Рх = Рс, то получим
- АГРС [+Д
у-Н
7+1/ J *
(5.14)
х) Здесь не рассматривается влияние изменения Рс на состав продуктов
сгорания и показатель у.— Прим, перев.
160
Глава 5
Выражение в квадратных скобках известно как коэффициент
расхода СD. Эту величину можно рассчитать с помощью термоди-
намических параметров газа или определить эмпирически путем
измерения действительного расхода через сопло.
Коэффициент расхода не следует смешивать с коэффициентом
сопла Цту. Поскольку течение в реальных соплах является до неко-
торой степени турбулентным и не может считаться полностью
изэнтропическим, то неизбежны потери. Коэффициент сопла
представляет собой эмпирический параметр, учитывающий
эти потери, и определяется соотношением
Действительный расход = t]jv (идеальный расход). (5.15)
Теперь можно определить размеры идеального сопла, восполь-
зовавшись уравнением
Wg = ATPcCD. (5.14а)
Если принять коэффициент расхода равным 7,2-10-3 кг!кг-сек, то
. Wg 0,1125-103 9 2 „
— п ~с*— — —т\ о— — СМ , Dу — 0,53 см,
D IV* I
Очень важным параметром при проектировании и анализе
является отношение площадей S/AT, или К. По достижении рав-
новесия в камере сгорания расход газообразных продуктов сгора-
ния топлива должен быть равен расходу через сопло, т. е.
SRBpp = CDATPc. (5.16)
Решая уравнение относительно давления в камере сгорания
лри условии равновесия, получаем
и
К = ~-D?c . (5.18)
Рр1<в v 7
В связи с этим параметром следует отметить, что все величины
С D, рр и RB являются функциями только состава топлива. Размер
и конструктивные параметры газогенератора (а также вес заряда)
представлены в уравнении только отношением S/AT, или парамет-
ром К. Для заданного топлива величина лишь одного параметра К
позволяет оценить уровень давления, который можно ожидать
при работе газогенератора.
До сих пор принимали, что газ в камере сгорания занимает
постоянный объем. В действительности же по мере выгорания
Э Скорость горения Вв является также функцией давления Рс.— Прим,
перев.
Газогенераторы
161
заряда топлива, расположенного в камере сгорания, ее объем уве-
личивается. Массовая скорость горения должна поэтому быть
равна сумме массовой скорости истечения газа через сопло
а массовой скорости накопления газа в камере сгорания. Если
принять, что V —объем свободного пространства в камере сгора-
ния в .любой момент времени Z, a pg — удельный вес газа в тот
же самый момент времени, то скорость увеличения массы газа
в камере сгорания можно описать следующим уравнением:
£PeV^Pe^V^, (5.19)
а приток массы при горении заряда —
dV dp2
SRb9p ^CDArPc + 9g-^- + V-^-. (5.20)
Поскольку объем камеры сгорания изменяется только в связи
с горением заряда твердого топлива, то
f - SHU (5.21)
и уравнение (5.20) принимает вид
S(Pp-Pe)RB^CDATPc^V^~. (5.22)
Равновесие в камере сгорания имеет место только в том слу-
чае, если (dpgldt) ~ 0, так что решение уравнения (5.22) для
стационарных условий должно удовлетворять уравнению
S (Рр-Ра') — CDArPc. (5.23)
Следует отметить, что это уравнение соответствует уравнению
(5.16), в котором рр заменено разностью (рр — pg). Поскольку
pg имеет порядок 0,03 г!см? по сравнению с рр = 1,52 г/слт3,
то влияние изменения объема на равновесное давление сравнитель-
но ма.чо, хотя не следует забывать, что небольшие изменения
параметра р, так же как и параметра К, могут вызвать значитель-
ные изменения давления Рс. В тех случаях, когда необходима
поправка па объем, обычно принимается постоянное соотношение
р' " (Рг — Ра)> которое используется вместо рр. *
В приведенных выше расчетах линейная скорость горения топ-
лива принималась постоянной величиной. Эта величина зависит
от теплового потока к поверхности топлива от окружающих про-
дуктов сгорания. Поскольку теплоприток ко всем незабронирован-
ным поверхностям топлива одинаков, то поверхность горения
должна перемещаться параллельными слоями. Этот вывод был
проверен эмпирически.
11-1088
162
Глава 5
Скорость горения зависит от нескольких факторов: давления
при котором происходит горение, начальной температуры топлива
скорости газа у горящей поверхности и состава топливах).
ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ
С увеличением давления, при котором происходит горение топ
лива, увеличивается скорость теплопритока из зоны пламен
к топливу вследствие увеличения плотности газовой фазы и умепь
шения толщины зоны, через которую тепло подводится к поверх
ности горения. В результате скорость горения увеличивается
Чаще всего используется соотношение вида
RB-^bPn, (5.24
которое известно как степенной закон скорости горения. Приме
няются также другие эмпирические уравнения: линейный за koi
скорости горения
RB=a + bP
(5.24а
и уравнение Саммерфилъда
1 а । т, / 1 V 3 /Г О/'
-Т^-р+ъ\,-р] • (5.2 н>
Большинство получаемых экспериментальных данных достаточш
хорошо согласуются с любым из указанных выше законов. В пекю
торых интервалах давления практическая разница между значе
ниями скорости, определяемыми по различным уравнениям, сравни
тельно невелика. Отсюда и малая разница в качественных резуль
татах при использовании уравнений внутренней баллистики дл>
газогенератора. Выбор того или иного уравнения часто производит
ся на основе соображений относительной простоты проведение
расчетов.
Если для различных топлив построить графики зависимосп
R в от Р в логарифмических координатах, то получится семейств*
кривых, аналогичных кривым на фиг. 5.8, а, с помощью которьп
можно оценить значения b и п (или а и Ъ). Некоторые топлив;,
не следуют линейному закону в логарифмических координатах
Существуют области, в которых параметр п изменяется по величп
не, уменьшается или даже имеет отрицательное значение. Если и
заметно уменьшается, как на фиг. 5.8,6, то такое топливо отно-
сится к классу топлив, имеющих плато в законе скорости горения.
Если коэффициент п становится отрицательным в некотором интер-
г) Эти вопросы рассматриваются также в гл. 4, стр. 123, 124.— Прим
перев.
Г азогенераторы
163
вале давлений, как это видно нафиг. 5.8, в, то топливо относится
к классу меза-топлив.
Ясно, что при малом значении п уменьшается чувствительность
скорости горения к изменениям давления, а в результате умень-
шается чувствительность давления в камере сгорания к малым
изменениям коэффициента Ъ (который является функцией
Ф и г. 5.8. Зависимость скорости
горения от давления (в логариф-
мических координатах).
а — для обычных топлив; б — для
топлив, имеющих плато в законе
скорости горения; в — для меза-топ-
лив; 1 — при повышенной начальной
температуре; 2 — при нормальной
начальной температуре; 3 — при по-
ниженной начальной температуре.
Это позволяет проектировать более легкие корпуса, так как благо-
даря уменьшению случайного разброса параметров относительно
проектных значений можно назначать меньший запас но отклоне-
ниям характеристик.
В ряде случаев предпочтительно отрицательное значение п.
В области отрицательного наклона кривой рост давления
(в результате, например, внезапного увеличения поверхности
11*
164
Глава 5
горения вследствие нарушений целостности бронирующих покрьт
тий) сопровождается падением скорости горения и равновесно(
состояние восстанавливается. Этот вывод можно проверить путех
подстановки выражения для степенного закона скорости горенит
в уравнение для равновесного давления. В результате получил
CDATPc-^S9pbPnc, (5.25
или
Kbpp X 1 (l-n)
(5.26
Оба параметра К и b возведены в степень 1/(1 — п). Прт
п = 0,75 получим 1/(1 — п) = 4. Поэтому увеличение параметрог
К или b на 10% приводит к увеличению давления Рс
на (1,1)4 — 1,464, т. е. на 46%. Если показатель степени п можнс
уменьшить до 0,25, то 1/(1 — п) = 1,33. В этом случае увеличе-
ние К или b на 10% сопровождается увеличением давления в каме-
ре сгорания лишь на 14%. Если п принимает отрицательное зна-
чение, то 1/(1 — п) < 1 и Рс изменяется на меньшую величину,
чем параметры К или Ь. При использовании линейного закона
скорости горения получаются аналогичные выводы.
ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
Если бы все тепло, поступающее от продуктов сгорания к поверх-
ности горения топлива, использовалось для повышения темпера-
туры поверхности до Т', при которой начинается быстрое протека-
ние химической реакции, то соотношение между температурой
и скоростью имело бы следующий вид х):
J; Г рп
(5.27)
где Ъ' — константа и Т(] — начальная температура. Измеряя ско-
рости горения при двух начальных значениях температуры одно-
го и того же топлива и одинаковом давлении в камере сгорания,
можно вычислить температуру Т'.
х) В отечественной литературе принято представлять степенной закон
скорости горения топлива с учетом влияния начальной температуры в виде
где В — термохимическая константа для топлива, То Норм — нормальная
начальная температура заряда (условная величина, которая иногда прини-
мается равной -р20° С).— Прим, перев.
Газогенераторы
165
Обычно используются четыре температурных коэффициента
топлив. Их можно вычислить по характеристикам топлива или
определить экспериментально при огневых стендовых испытаниях.
К этим коэффициентам относятся:
1. Температурный коэффициент скорости горения при постоян-
ном давлении
(5.28)
/ д In RB
2. Температурный коэффициент скорости горения при постоян-
ном К
(5.29)
/ д In RB \
” (^-)к
3. Температурный коэффициент давления при постоянном
отношении P!RB
/ д In Р \
Лр/Дв ( дТ0 ) P/RB
4. Температурный коэффициент давления при постоянном
значении К
(5.30)
(5.31)
/ д In Р \
•^К — I —ТРг- I
k OTq )к
При проектировании газогенераторов чаще всего используются
температурные коэффициенты при постоянном значении К,
поскольку ни поверхность горения, ни критическое сечение сопла
не претерпевают заметных изменений с изменением температуры.
Параметр вр представляет лишь академический интерес, поскольку
в реальных газогенераторах при разл ичных начальных температу-
рах заряда давление в камере сгорания не одинаково. Все четыре
коэффициента выражаются в процентах на 1°. Желательно, чтобы
коэффициенты имели возможно более низкие значения.
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ПОТОКА. ЭРОЗИОННОЕ ГОРЕНИЕ
Если горение происходит по внутренней поверхности заряда,
как, например, у заряда нейтрального горения с каналом звездо-
образного сечения, то линейная скорость горения в конце канала
оказывается выше нормального значения. Анализ формы той части
канала заряда, которая подвергалась эрозии, подтверждает влия-
ние скорости потока. Закон эрозионного горения можно предста-
вить в виде
+ (5.32)
166
Глава 5
где U — местная скорость газа в канале и С—скорость звука
в продуктах сгорания. Уравнение (5.32) можно записать в более
удобной форме:
= + (5.33)
где J = АТ/АР — отношение площади критического сечения соп-
ла к площади поперечного сечения канала заряда; константа К^,
коэффициент эрозии, учитывает влияние эрозионного эффекта
на скорость горения данного топлива. Этот коэффициент имеет
порядок от 0,5 до 1.
Скорость течения газов по каналу заряда и на выходе из него
также влияет на расход газа через сопло. В приведенных выше
уравнениях принималось, что газы имеют на входе в сопло нуле-
вую скорость, что возможно лишь при бесконечно большом попе-
речном сечении камеры сгорания. Однако это условие является
хорошим приближением при достаточно малом отношении J.
В реальных условиях при течении газа по каналу имеет место мас,-
соприток, вследствие чего существенно изменяются как давление,
так и скорость газа на длине от переднего торца камеры сгорания
до соплового блока.
В большинстве расчетов газогенераторов принимается квази-
стационарное условие постоянного давления и скорости в пло-
скости поперечного сечения камеры сгорания на входе в сопло.
Затем можно использовать приближенные значения параметров
для реальных условий по одну или обе стороны плоскости входа
в сопло и соответствующим образом скорректировать уравнение
равновесия. Одной из таких поправок является линейная аппрок-
симация скорости эрозионного горения (5.33). Кроме того, часто
используют уточненное значение коэффициента расхода:
C'D = С» (1-фЛ), (5.34)
где
V / 2
Ч^-2(у-+1)
Это соотношение приближенно учитывает изменение скорости
и падение давления вдоль канала заряда и не приводит к сущест-
венной ошибке при Ар/Аг > 1,2. Применяются также и другие
приближения в зависимости от требуемой точности расчета. Сле-
дует отметить, что большинство газогенераторов характеризуются
относительно длительным временем горения заряда и низкими
расходами газа по сравнению с ракетными двигателями твердого
топлива. Поэтому в газогенераторах часто применяются заряды,
горящие с одного торца. В этом случае нет нужды в описанных
выше поправках.
Газогенераторы
167
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ТОПЛИВА
Твердые топлива обычно содержат различные добавки, которые
влияют на их рабочие характеристики. Баллиститные пороха
могут содержать, кроме нитроцеллюлозы, которая составляет
основную часть горючего и существенно повышает механическую
прочность заряда, и нитроглицерина, являющегося пластификато-
ром нитроцеллюлозы и источником кислорода для горения, сле-
дующие компоненты:
1. Дополнительные пластификаторы, такие, как диэтилфталат,
обычно инертные, которые могут быть необходимы как технологиче-
ские добавки или для изменения характеристик горения.
2. Химические стабилизаторы, препятствующие старению топ-
лива путем поглощения и удерживания групп NO2, выделяющих-
ся из основных компонентов. Примерами таких соединений являют-
ся этилцентралит или 2-нитродифениламин.
3. Пламегасящие добавки, такие, как сульфат калия, для
уменьшения догорания продуктов реакции при контакте с возду-
хом.
4. Вещества для придания заряду твердого топлива теплопо-
глощающих свойств на поверхности и уменьшения переноса энер-
гии излучения в глубь заряда от поверхности горения. Для этой
цели чаще всего используется сажа.
б. Смазка, как, например, канделильский или карнаубский
воск, для улучшения технологических свойств при проходном
прессовании зарядов.
6. Катализаторы скорости горения или добавки, модифицирую-
щие внутрибаллистические характеристики и позволяющие изме-
нять скорость горения в некотором интервале давлений. Для этой
цели применяются комплексные свинцовые или медные соли аро-
матического ряда.
В смесовые топлива добавляются аналогичные компоненты для
тех же целей, включая катализаторы полимеризации, ингибирую-
щие добавки, модифицирующие компоненты и другие. Сложное
взаимодействие всех этих компонентов обеспечивает требуемую
скорость горения, эрозионные характеристики топлива и темпера-
турные коэффициенты в пределах заданных допусков на энергети-
ческие характеристики и габариты системы.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Чтобы определить энергетические характеристики твердых топ-
лив в разных условиях, применялись различные параметры
в зависимости от принятых методик. Все эти параметры основаны
на одних и тех же первоначальных термохимических свойствах
продуктов сгорания топлива.
168
Глава 5
Первый из этих параметров — характеристическая скорость
с* 1)— связана с параметрами в камере сгорания, имеющей сопло,
соотношением
_ рс^тё
С ~—
(5.35)
Этот параметр можно непосредственно вычислить на основании
термодинамических характеристик газообразных продуктов сгора-
ния (так же как и критическое отношение давлений) с помощью
соотношения
/gfl£c\l/2 / у + 1 \(V + D, 2(7-1)
к уМ ) к 2 / ' v • /
Поскольку эта величина зависит только от термодинамических
свойств топлива и не зависит от таких физических параметров,
как форма газогенератора или давление окружающей среды,
то она является очень удобной мерой энергетических возможно-
стей топлива. Параметр с* определяется экспериментально при
огневых стендовых испытаниях заряда топлива известного веса
в камере с соплом, имеющим критическое сечение Ат, в процессе
которых измеряется давление Рс в функции времени и затем интег-
рируется по формуле
/2
с* IPcdt' <5-37)
р ъ
где ^2 — ti — интервал времени, в течение которого производи-
лись измерения. Часто в эту основную формулу вводятся различ-
ные изменения в виде поправок к величине Ат вследствие влияния
эрозии или зашлаковки сопла, нестационарных переходных про-
цессов при повышении давления или его падении, влияния неэф-
фективно используемых остатков заряда и т. д. Сравнение расчет-
ного значения параметра с* с экспериментальным его значением
позволяет оценить полноту сгорания топлива в двигателе.
Если топливо горит в замкнутой камере, можно выполнить
аналогичное измерение. Этот параметр, известный как сила пороха,
уже рассматривался:
Подставляя это соотношение в уравнение состояния (5.6),
получаем
Лу„-=^(7-а)Ур). (5.38)
Э См. сноску на стр. 156.
Газогенераторы
169s
G помощью соотношения (5.38) выполняется непосредственная
экспериментальная оценка параметра Ауд. Для этого навеску
топлива известного веса сжигают в бомбе объемом V и измеряют-
давление в ней (бомба должна иметь совершенную термоизоляцию).
Поскольку на практике не удается обеспечить идеальной термо-
изоляции, то наряду с данными по силе пороха должны быть ука-
заны размеры и тепловые характеристики бомбы. Данные,
полученные при проведении огневых испытаний в одной или оди-
наковых бомбах при одинаковой начальной температуре различ-
ных зарядов, сравнивают между собой. В этом случае параметры
Wp и (У — оПУр) остаются постоянными и поэтому относительная
сила пороха равна
УД1 уд2 ( ~jf~) • (,Г) • 39)’
\ Г1 /
Относительная сила пороха используется при качественном
контроле топлив или зарядов, позволяющем проверить, изменяет-
ся ли состав топлива от партии к партии.
Во внутренней баллистике ракет часто применяется удельный
импульс 1Уц, который определяется как полный импульс (сила X
X время), развиваемый при сгорании единицы веса топлива
в камере, имеющей сопло. Этот параметр, определяемый отноше-
нием
* УД — . ,
Wg
можно вычислить по формуле
УД —
2уНТс
gM(y — 1)
(5.41}
если в выходном сечении сопла вектор скорости параллелен оси
сопла. Следует отметить, что этот параметр является непосредст-
венной термодинамической функцией характеристик топлива толь-
ко в том случае, если задано отношение РА1РС. В качестве стан-
дартных условий в США принимается давление РА равным 1 ата,
а давление Рс равным 70 ата, если только специально не оговорены
другие условия. Экспериментальное значение удельного импуль-
са определяется по формуле
^2
<5-42)
р J
ц
Величина /уд определяется по результатам огневых стендовых
испытаний так же, как и параметр с*. Для нахождения 7уд необхо-
димо измерить силу тяги, а для определения с* — давление в каме-
170
Глава 5
ре сгорания. Если давления, при которых измерялся удельный
импульс, не равны использованным в расчетах, то для сравнения
экспериментального и расчетного удельных импульсов требуется
внесение соответствующих поправок.
Для внесения поправок в величину Луд используется коэф-
фициент тяги Ср, который определяется соотношением
Рс^Т
^уд
(5.43)
и характеризует влияние сопла на силу тяги ракетного двигателя.
Поскольку параметр с* не зависит от условий за критическим сече-
нием сопла, то для любого данного испытания РДТТ отношение
Iy^/Ср является константой, которая не зависит от характеристик
сопла и условий в окружающей среде. Коэффициент Ср имеет
максимальное значение, когда расширение в сопле происходит
до полного вакуума и давление окружающей среды также равно
нулю. При давлении на срезе сопла, отличном от нуля, вводится
поправка, зависящая от отношения давлений Рр/Рс- Если давле-
ние окружающей среды отличается от давления на срезе сопла,
то необходима вторая поправка на отношение РА1Рс- Необходимо
также внести поправку на фактический угол раствора расширяю-
щейся части сопла X = (1 + cos ос). При этом величина измерен-
ной удельной тяги уменьшается с увеличением угла раствора сопла.
Если стенки расширяющейся части сопла не являются прямыми,
вводится еще одна поправка. Для сопел с коническим расширяю-
щимся участком параметр Ср можно вычислить с помощью соот-
ношения
Поскольку подобные расчеты весьма длительны и трудоемки,
то обычно заранее проводятся графические или табличные вычис-
ления с введением различных подпараметров и соответствующих
поправок к максимальным значениям в пустоте. Произведение
коэффициента тяги на характеристическую скорость продуктов
сгорания с* называется эффективной скоростью истечения с. Дру-
гими словами,
(5.45)
Следует отметить, что величина с равна удельному импульсу
7уд, умноженному на ускорение силы тяжести g.
Газогенераторы
171
При проектировании газогенераторов используется понятие
мощности, определяемой по общему уравнению
,, W ( U2 \
N =-75 (V) Л' С' (Э'46)
Член U2l2g представляет скоростной напор. Если в качестве
рабочей среды используются газы, то обычно применяется
адиабатический напор, и уравнение (5.46) принимает вид
WeTlAD
Ng л. с. (5.47)
Величина HAD является функцией отношения давлений между
камерой сгорания и плоскостью среза сопла. Так как формула
для скорости газа в любом сечении канала в функции давления
имеет вид
то, подставив ее в отношение U'2!2g, получим
Этот параметр также является термодинамической функцией харак-
теристик топлива только при заданном отношении РЕ/РС. В США
•отсутствуют стандартные значения Рр и Рс для газогенераторов,
аналогичные значениям давлений РА и Рс при определении
удельного импульса ракетных двигателей. Это обусловлено
разнообразием требований к рабочим давлениям газогенератора
в отличие от ракетных двигателей, продукты сгорания которых
выбрасываются в окружающую атмосферу.
Следует отметить, что РЕ представляет давление в плоскости
выходного среза сопла, а не давление в окружающей среде. Вели-
чина РЕ поэтому зависит от степени расширения сопла. Поскольку
эффективная скорость истечения из сопла с = g/уд, а /уд = CEICD,
то, подставляя эти величины в общее уравнение (5.46), получим
Arg-0,0654TEg (^)2
л. с.
(5.50)
Комбинируя уравнения (5.47) и (5.49) и выполняя преобразо-
вания членов, получаем следующее выражение для мощности:
Ж.Т’сф
Ne=- л-с- (5-51)
Таблица 5.3
Значения параметра ср
сек
кг-моль-град
v
1,20 1,21 1,22 1,23 1,24 1,25 1,26 1,27 1,28 1,29 1,30
0,00000 67,532 64,700 62,272 60,052 58,016 56,148 54,420 52,820 51,332 49,952 48,660
0,00010 52,860 51,620 50,440 49,324 48,260 47,248 46,284 45,364 44,488 43,652 42,852
0,00025 50,464 49,364 48,316 47,316 46,364 45,456 44,592 43,760 42,968 42,208 41,484
0,00050 48,392 47,404 46,456 45,556 44,692 43,868 43,080 42,324 41,600 42,904 40,240
0,00075 46,708 46,144 45,260 44,412 43,604 42,832 42,088 41,380 40,696 40,040 39,412
0,0020 43,460 42,696 41,968 41,264 40,592 39,944 39,324 38,724 38,148 37,596 37,060
0,0050 39,512 38,904 38,316 37,752 37,208 36,684 36,180 35,692 35,224 34,768 34,332
0,0075 37,564 37,024 36,500 35,996 35,512 35,040 34,588 34,152 33,728 33,320 32,924
0,0100 36,100 35,604 35,128 34,668 34,224 33,792 33,376 32,976 32,584 32,208 31,844
0,0147 34,028 33,592 33,176 32,772 32,500 32,000 31,636 31,280 30,928 30,604 30,284
0,0250 30,940 30,592 30,252 29,924 29,604 29,296 28,996 28,708 28,424 28,152 27,888
0,0500 26,480 26,232 25,988 25,752 25,524 25,304 25,088 24,880 24,676 24,476 24,284
0,0750 23,620 23,424 23,236 23,052 22,872 22,700 22,528 22,364 22,204 22,044 21,892
0,1000 21,472 21,312 21,160 21,008 20,860 20,720 20,580 20,444 20,312 20,180 20,056
Газогенераторы
173
где
т \ у — 1 / L \ Pc / -I кг-моль-град.
Применение параметра ср позволяет получить более простое
табличное решение функции, которое зависит только от у и отно-
шения РЕ1РС. Эти данные представлены в табл. 5.3.
Следует отметить, что все приведенные выше соотношения дают
теоретические значения параметра Ng. Действительная мощность
установки зависит от потерь в системе и может составлять 50%
и более от теоретического значения.
РЕЖИМЫ ГАЗОГЕНЕРАЦИИ
Основная задача проектирования газогенераторов состоит
в обеспечении подачи газа с заданными расходом и давлением в соот-
ветствии с требованиями системы. Разработано много методов для
выполнения этих условий, а использование этих методов по
отдельности или в комбинации с другими в значительной степе-
ни зависит от конструкции системы.
Наиболее простое требование связано с применением газогене-
раторов без ограничений по времени. Подобные случаи могут
иметь место при заполнении некоторого объема до заданного дав-
ления при температуре окружающей среды, например, в устройст-
вах систем спасения или стабилизации. Требования к парамет-
рам Р, V и Т могут быть преобразованы в требования по весу,
в результате чего подбирается заряд топлива с таким весом и соот-
ветствующие вспомогательные устройства — крепежные детали
и средства воспламенения. Специального сопла в этом случае
не требуется. После воспламенения топливо горит со скоростью,
являющейся функцией местного давления. По окончании горения
топлива завершается заполнение объема газом.
Если к указанному выше основному требованию добавить тре-
бование обеспечения наддува в заданное время, то проблема проек-
тирования несколько усложняется. Заряд топлива теперь, по-види-
мому, должен иметь форму круглого прямого цилиндра, забро-
нированного по наружной поверхности и по одному торцу и горя-
щего с другого торца. Заряд помещается в камеру сгорания
< соплом. Благодаря соплу удается поддерживать давление в каме-
ре сгорания, а следовательно, и скорость горения на заданном
уровне. Время горения заряда пропорционально его длине, а диа-
метр заряда при заданном весе является функцией плотности
топлива. Чтобы получить заряд с приемлемым отношением LID,
необходимо выбрать подходящее топливо.
Подача газа с непрерывно меняющимся расходом может быть
реализована различными методами, включая использование профи-
174
Глава 5
лированных зарядов с требуемой прогрессивностью или дегрес-
сивностью горения, многошашечных зарядов с требуемыми харак-
теристиками или зарядов из нескольких топлив. В качестве при-
мера подобного требования рассмотрим газогенератор для ката-
пульты, который должен обеспечивать ускорение груза, связан-
ного с поршнем, до конечной скорости, не превышая заданного
максимального ускорения. В идеальном случае катапульта должна
функционировать при постоянном давлении в течение всего хода
поршня, чтобы обеспечить постоянную перегрузку. Исследование
диаграмм перемещения поршня катапульты в функции времени
показывает, что необходим заряд прогрессивного горения, причем
прогрессивность должна быть нелинейной. Величина тангенса угла
наклона восходящей ветви кривой давление — время ограничи-
вается требованием, чтобы максимальная скорость изменения
ускорения (производная daldt") не превышала заданного значения.
Для обеспечения требуемой прогрессивности горения в катапуль-
тах часто используются многоканальные заряды.
Аналогичный случай имеет место, когда требуется обеспечить
заданное изменение скорости подачи газа в некоторый момент
времени при горении заряда. Например, при работе газогенерато-
ров разгонно-маршевого типа требуется высокий расход подачи
газа в начальный период работы для преодоления инерционных
нагрузок и уменьшение расхода газа на стационарном режиме.
Такие требования часто удовлетворяются путем использования
профилированных или многошашечных зарядов, которые перво-
начально имеют большую поверхность горения; по мере выгорания
свода поверхность горения уменьшается. Для увеличения скорости
горения заряда в начальный период времени иногда используется
эрозионный эффект; позднее по мере возрастания отношения попе-
речного сечения канала к критическому сечению сопла скорость
горения падает. Для обеспечения начального высокого расхода
газов и последующего пониженного расхода при заданном сопле
можно поместить в одну камеру заряды двух или нескольких
марок топлива с различными скоростями горения. В такой системе
необходимо предусмотреть соответствующие меры предосторож-
ности с тем, чтобы применяемые топлива не соприкасались или
были химически совместимы друг с другом. В процессе хранения
компоненты топлива могут диффундировать из одного заряда
в другой, в результате чего в конструкции, обеспечивающей необ-
ходимые рабочие параметры непосредственно после изготовления,
произойдут существенные изменения, приводящие к значительно-
му ухудшению рабочих характеристик. Определенными преиму-
ществами обладают заряды из двух составов. На наружную
поверхность заряда из топлива определенного состава наносится
покрытие из пластификатора, который проникает в глубь заряда
Г азогенераторы
175
на некоторую толщину свода. Наконец, можно предусмотреть
изменение размеров критического сечения сопла в процессе
работы газогенератора, что обычно считается рискованным реше-
нием. Благодаря применению вкладышей в критическое сечение
сопла, изготовленных из материалов с малой стойкостью к эрозии,
обеспечивается высокое значение параметра К и большая
скорость горения топлива в начале работы газогенератора,
а затем после эрозии вкладыша скорость горения уменьшается.
Таким образом, из сказанного выше следует, что программиро-
ванное изменение прогрессивной или дегрессивной расходных
характеристик заряда можно обеспечить геометрическими средст-
вами (за счет формы заряда), химическими (путем изменения соста-
ва топлива) и механическими (используя эрозионное горение заряда
или эрозию соплового вкладыша). Кроме того, эти изменения
могут усиливать или ослаблять друг друга. Так, например, влия-
ние дегрессивной поверхности горения может быть дополнено
влиянием эрозии соплового вкладыша. Начальная скорость эро-
зионного горения может обеспечить существенно постоянные рас-
ходные характеристики, несмотря на прогрессивный характер
горения заряда. Заряд из двух составов топлива, в котором первое
топливо горит медленнее второго, может иметь прогрессивный
расход газа, несмотря на дегрессивную геометрию заряда. Все эти
эффекты следует учитывать при проектировании газогенератотора.
Следует также отметить, что все указанные выше изменения
в массовой скорости газогенерации должны происходить в опреде-
ленный момент времени и сопровождаться соответствующим изме-
нением давления в камере сгорания. Во многих случаях это не
создает осложнений и даже может представлять определенные
преимущества. В других случаях, когда момент ожидаемого изме-
нения требуемого расхода неизвестен или когда изменение расхода
не должно сопровождаться одновременным изменением давления,
требуются дополнительные методы регулирования.
В тех случаях, когда максимальные отклонения от расчетного
уровня невелики, в качестве саморегулирующего устройства мож-
но использовать меза-топливо, если рабочее давление соответству-
ет режиму горения топлива, при котором показатель степени
в законе скорости горения имеет отрицательную величину. Увели-
чение расхода газа вызывает падение давления в камере сгорания
с одновременным ростом скорости горения, что способствует воз-
вращению системы к равновесному состоянию.
В тех случаях, когда величина и продолжительность требуемых
изменений превышают возможности саморегулирования топлива,
часто используется вспомогательное сопло. В подобной конструк-
ции применяется заряд увеличенных размеров, который способен
генерировать достаточное количество газа, чтобы привести в дейст-
476
Глава 5
ъие основное устройство, и некоторое дополнительное количество
газа, которое будет истекать через вспомогательное сопло в окру-
жающую среду. Это сопло применяется для поддержания задан-
ного давления в системе, в то время как основная масса газа подает-
ся в устройство, которое следует привести в действие. Вся система
может рассматриваться как один резервуар под давлением, причем
его свободный объем включает устройство, в которое подается газ.
В процессе работы свободный объем увеличивается, но, как уже
было показано раньше, это мало влияет на течение в сопле. Изме-
нение расхода газа, направляемого в основное устройство, давле-
ния газа и т. д. во время работы установки отражается на соотноше-
нии расходов через вспомогательное сопло и основное устройство.
Поэтому изменение расхода рабочего газа в основное устройство
(привод) будет сопровождаться меньшим отклонением давления
в камере сгорания газогенератора из-за одновременного изме-
нения расхода газа через вспомогательное сопло.
Когда требуется максимальная глубина регулирования давления
и расхода газа, можно использовать систему с клапаном. Эта си-
стема аналогична системе с вспомогательным соплом, за исключени-
ем того, что вместо сопла используется пружинный клапан. Разме-
ры заряда твердого топлива выбираются исходя из максимального
расхода газа, который требуется для системы при наиболее тяже-
лых рабочих условиях. Клапан должен пропускать весь этот рас-
ход. При поминальных рабочих условиях клапан частично откргят
и весь расход газа распределен между основным устройством
и клапаном. При работе на режиме максимальной подачи газа
в основное устройство клапан полностью закрыт. И наоборот,
когда не требуется подачи газа в основное устройство, клапан
полностью открыт и весь расход газа проходит через него. Таким
образом можно обеспечить любой относительный расход газа
в любой момент времени без изменения давления. Это необходимо,
например, в случае приведения в действие системы сервоуправле-
ния ракет. В подобных случаях размеры топливного заряда газо-
генератора выбираются из условия обеспечения постоянного расхо-
да газа при максимальной скорости срабатывания сервоустройст-
ва. Жесткость пружины для клапана горячего газа должна обеспе-
чивать поддержание давления в системе на проектном уровне,
а размеры клапана должны гарантировать пропускание всего
расхода газов при полностью открытом клапане. Если после
запуска ракета движется по заданной траектории, коррекция
курса требует непродолжительных включений сервосистемы.
В результате основная масса газа выбрасывается через клапан.
Мощность газогенераторной системы, однако, должна быть доста-
точной для осуществления большой коррекции или изменения
курса без снижения рабочих параметров сервосистемы.
Газогенераторы.
177
ВОСПЛАМЕНЕНИЕ
Система воспламенения газогенератора должна передавать дос-
таточное количество энергии поверхности заряда топлива, чтобы
вызвать плавное и воспроизводимое воспламенение топлива.
Вопросы проектирования систем воспламенения двигательных уста-
новок на твердом топливе рассмотрены в гл. 3. Следует, однако,
отметить, что топливо, применяемое для газогенераторов, как
правило, труднее воспламеняется, чем топливо ракетных двигате-
лей. Это связано с использованием низкоэнергетических окислите-
лей в одних топливах и модификаторов для уменьшения скорости
горения, понижения температуры пламени, изменения состава
газа ит. д.— в других. Все эти методы, хотя и позволяют обеспе-
чить требуемые характеристики топлива, в то же время, как прави-
л0, значительно осложняют воспламенение.
Нельзя преуменьшать значение проблемы воспламенения топ-
лива. Для обеспечения нормальной работы газогенератора необхо-
димо уделить достаточно внимания всем аспектам проектирования
системы воспламенения.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОНСТРУКЦИИ
Конструкция оптимального газогенератора для конкретных
целей должна удовлетворять механическим и баллистическим тре-
бованиям. Оптимальная конструкция часто характеризуется
минимальным весом или габаритами, при которых газогенератор
удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям. Приэтом также
должны учитываться простота конструкции и надежность работы.
Анализ различных соотношений, определяющих баллистиче-
ские характеристики, показывает, что целесообразно использовать
топливо, обладающее свойствами, которые повышают эффективную
скорость истечения газа, т. е. обеспечивающее высокие значения
отношения удельных теплоемкостей у, температуры в камере сгора-
ния Тс, и низкое значение молекулярного веса М. Баллистиче-
ские характеристики также должны отвечать требованиям на-
дежности и воспроизводимости параметров функционирования.
Поскольку энергетические характеристики газогенераторов
улучшаются с увеличением эффективной скорости истечения газа
и ухудшаются с ростом веса конструкции, то имеются предельные
конструктивные параметры системы. Проблема оптимизации часто
сводится к разработке минимальной по размерам и весу конкретной
конструкции, содержащей заряд топлива, продукты сгорания кото-
рого совместимы с материалами устройства, куда подается рабочий
газ, при работе системы на максимально возможном уровне давле-
12-1088
178
Глава 5
ния. Возможность разработки удовлетворительной конструкции
зависит от способности конструктора правильно оценить требова
ния, продиктованные конкретным назначением газогенератора
и достаточно точно определить нагрузки, уровни температурь
и т. д., которые будут иметь место в действительных условия?
работы установки.
Первый этап проектирования газогенераторов — определена
требований к энергетическим характеристикам и габаритам. Этт
требования связаны с условиями работы и должны быть преобразо
ваны в оптимальные характеристики конструкции путем анализ?
конструктивных и баллистических факторов проекта для достиже
ния наиболее приемлемого компромисса между ограничениям!
по объему, форме и весу, а также возможностями топлива. Широко?
обобщение основных показателей удачных конструкций обычш
трудно выполнимо, и поэтому большинство конструкторов считакг
необходимым рассматривать разработку каждой конструкции кат
отдельную проблему. В большинстве случаев считаются важным!
следующие вопросы.
Длина, диаметр и вес обычно определяются тактическим!
соображениями и ограничениями устройства, с которым предпола
гается использовать газогенератор. Форма камеры сгорания долж
на выбираться с учетом характеристик располагаемых топли!
и желательного типа конструкции заряда. Неудачный выбо]
формы камеры сгорания может значительно усложнить проблемь
проектирования заряда. Обычно подбирается минимальная толщи
на стенки камеры сгорания, обеспечивающая надежную работ?
при соответствующих запасах прочности. Основные материаль
подбираются исходя из их весовых, объемных и прочностны?
характеристик. Требуют специального рассмотрения методы креп
ления крышек, сопловых блоков, клапанов, предохранительны?
устройств, воспламенителя, монтажных элементов, а также способь
фиксации заряда, герметизации, бронирующего покрытия, тер
моизоляции и т. д.
При выборе твердого топлива следует иметь в виду, что ош
должно отвечать требованиям по температуре и составу продукте!
сгорания, которые должны быть химически совместимы с материа
лами устройства, куда подается рабочий газ. Температура про
дуктов сгорания должна быть максимально допустимой, чтобь
обеспечить наибольший к. п. д. установки, но в то же врем?
достаточно низкой, чтобы предотвратить повреждение приводимое
в действие устройства. Необходимо также учесть эффекты эрози]
и коррозии конструкции истекающими продуктами сгорания.
Рабочее давление большинства газогенераторов должно быт]
максимальным для обеспечения лучшего коэффициента истечени)
при одновременном удовлетворении конструктивных ограничений
Г азогенераторы
179
Там, где это возможно, рабочее давление должно быть почти посто-
янным на протяжении всего времени горения заряда с тем, чтобы
свести к минимуму лишний вес конструкции с учетом выбранных
запасов прочности.
14 13 12
Фиг. 5.9. Схема типичного твердотопливного газогенератора.
1 — корпус; 2 — бронирующее покрытие; з — баллиститпый порох;
4 — обжимной поясок (уплотнение); 5 — штуцер для быстросъемной
муфты, соединяющей газогенератор с аккумулятором; 6 — основной
заряд; 7 — головка с переходником; 8 — керамическая втулка; 9 — пе-
реходник; 10 — штыри; 11 — термоизоляция; 12 — электрозапал;
13 — передаточный заряд; 14 — мембрана.
Целесообразно выбирать заряды твердого топлива, обеспечи-
вающие минимальную зависимость рабочих параметров газогене-
ратора от отклонений площади поверхности горения заряда и тем-
пературы, обусловленных составом продуктов сгорания и геомет-
рическими характеристиками заряда. Часто рекомендуется приме-
нять мсза-топлива или топлива, имеющие плато в законе скорости
горения, которые ослабляют возмущения, возникающие при изме-
нении поверхности горения, и характеризуются очень малыми
изменениями скорости горения в широком интервале температур.
При использовании этих топлив характеристики газогенератора
значительно улучшаются в связи с тем, что запас прочности конст-
рукции можно ограничить до минимума. На фиг. 5.9 приведена
схема типичного твердотопливного газогенератора.
ТРЕБОВАНИЯ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
По мере того как постепенно выявляются характеристики
системы в результате анализа рассмотренных выше конструктив-
ных параметров, определяющее влияние начинают оказывать усло-
вия работы и хранения. Нередко многие перспективные конструк-
ции, разработанные на основе номинальных условий по температу-
ре, вибрационным нагрузкам, результатам огневых стендовых
12*
180
Глава 5
испытаний и т. д., подвергаются серьезным изменениям или
вообще могут быть отвергнуты как не удовлетворяющие требовани-
ям, связанным с работой в широком интервале условий окружаю-
щей среды. Поэтому при разработке конструкции газогенератора
необходимо учитывать все основные воздействия окружающей
среды.
Температура. В дополнение к интервалу температур окружаю-
щей среды в процессе хранения и запуска летательного аппарата
(обычно от —54 до 74° С) приходится также учитывать условия,
имеющие место внутри летательного аппарата. Газогенераторы
могут работать в непосредственной близости от емкостей, в кото-
рых находятся криогенные компоненты, такие, как жидкий водо-
род, либо в условиях аэродинамического нагрева гиперзвуковых
атмосферных и космических летательных аппаратов. Однако одна
и та же конструкция обычно не подвергается воздействию обоих
предельных значений температуры. Температура оказывает основ-
ное влияние на физические свойства топлива, скорость горения
и определяет степень опасности самовоспламенения топлива, а так-
же конструкционную прочность всех компонентов. Температура
окружающей среды часто накладывает жесткие ограничения
на топлива и материалы, которые могли бы быть использованы
в газогенераторах.
Вибрация. Газогенератор подвергается значительным вибра-
ционным нагрузкам в процессе производства, транспортировки
и работы. Если не предусмотрены соответствующие меры при
проектировании системы, то эти вибрации могут привести к ката-
строфическим последствиям, так как они вызывают ослабление
соединений, усталостные повреждения элементов конструкции,
ослабление крепления зарядов твердого топлива или же измене-
ние расстояния между ними и чаще всего — повреждение самого
заряда. По существу каждое топливо представляет собой
пластический материал, физические свойства которого оставляют
желать много лучшего с прочностной точки зрения, и этот
материал особенно подвержен повреждениям при воздействии
вибрации.
Влажность. Большинство топлив, элементов конструкции
и систем воспламенения газогенераторов на твердом топливе
в той или иной степени подвержены воздействию влажности и рас-
пыленной соли. Влияние влажности необходимо учитывать не
только в течение периода хранения газогенераторов, но также
во время производственного цикла, когда характеристики хими-
ческих материалов, применяемых в воспламенителях и зарядах
топлива, могут значительно измениться. Пагубное влияние влаж-
ности известно давно и нашло отражение в поговорке «держи
порох сухим».
Г азогенераторы
181
Ударные нагрузки и перегрузки. Твердые топлива являются
пластическими материалами, не обладающими идеальными физи-
ко-механическими характеристиками, и весьма подвержены тре-
щинообразованию при воздействии ударных нагрузок во время
транспортировки или перегрузок в полете. Физические свойства
топлива становятся особенно важными в связи с тем, что размер
и форма заряда изменяются в процессе воспламенения и горения.
Почти всегда приходится предусматривать конструктивные меры
компенсации пониженных физико-механических свойств топли-
ва, например специальные узлы крепления заряда топлива,
регулирование положения заряда в процессе работы двигателя
и другие средства, цель которых — свести к минимуму возника-
ющие в заряде напряжения.
Пример.
1. Заряд твердого топлива должен генерировать 0,708 м3 газа
при давлении 28,03 ати и температуре 538° С в течение 17 сек.
Газогенератор работает при давлении в камере сгорания
— 70 ата. Заряд цилиндрической формы бронирован по
наружной поверхности и одному торцу и горит по другому
торцу. Предложены два топлива, основные параметры кото-
рых приведены ниже в таблице. Остальные характеристики
считаются удовлетворительными.
Параметр Топливо Ли 1 Топливо № 2
при Рс -- 70 ат, мм/сек 17,8 5,84
р, г/см3 1,60 1,44
Cd, 1/сен 6,62-IO"3 7,64-10-3
м8 27 21
а. Определить вес, длину п диаметр зарядов из двух указан-
ных топлив.
б. Выяснить, какое топливо наиболее подходит для газогене-
а.
ратора.
Топливо № 1.
WP Wg =
10*MeVgPg
О Л с>
^р=
104-27-0,708-29,03
848-811
= 8,05 кг,
длина заряда L — 17,8-17 = 303 мм,
объем заряда Vp = Wp/p — 8,05 • 103/1,60 = 5020 см3,
182
Глава 5
площадь поверхности горения
с VP 5020 2
8 = —f- = Х7Г-Х = 166 СМ2,
Lj Ov , О
диаметр заряда /9 1,125 1166 14,5 см.
Топливо № 2.
кг,
= 848-811 = 6,3
£—5,84-17 = 99 мм,
т/ 6,3-103 /qQn о
V п = - , .. • = 4380 см3,
1 1,44
е 4380 , , . 2
о =441 см2,
Z> = 1,125/44? = 23,6 см.
б. Топливо
№ 1 обеспечивает в данном
отношение LID, позволяет
случае значительно
упростить процесс
производства и улучшить воспламенение заряда.
2. Время горения заряда газогенератора в задаче 1 увеличено
до 2 мин.
а. Какая должна быть форма зарядов издвух указанных
топлив?
б. Какому топливу следует отдать предпочтение?
а. Топливо № 1.
£ =jRsiB =_ 17,8-120 =2140 мм,
Q УР 5020 oq ₽ 2
5 = -Г= Й4-= 23’5 “ ’
£> = 1,125/23?5 = 5,45 см.
Топливо № 2.
/ = 5,84-120 = 700 мм,
5=4380 = 62j5 сл(3)
D = 1,125/6275 — 8,9 см.
б. Топливо № 2 обеспечивает в данном случае более приемлемое
отношение LID, и этому топливу следует отдать предпочтение.
3. Определить площадь критического сечения сопла для рас-
смотренных конструкций зарядов.
Газогенераторы
183
Основные уравнения для расчета следующие:
Объединяя эти уравнения, получим
Wg
Т Ci)PctB
Для топлива № 1
при времени горения 17 сек
Л 8,05
Ат "’6,62-Ю-з. 70-17 ’’
при времени горения 120 сек
6,62.10-3.70-120 0’1^5 с№.
Для топлива № 2
при времени горения 17 сек
^т== 7,64-Ю-з.70-17= 6,95 C3t2’
при времени горения 120 сек
= 7,64-Ю-з.70-120 = °’098 СМ2‘
4. Предлагается использовать топливо № 1 для газогенератора
с выходной мощностью 25 л. с. при времени работы 12 сек.
Кроме представленных выше данных, температура продуктов
сгорания этого топлива Тс = 2600° К и отношение удельных
теплоемкостей у = 1,22. Давление в камере сгорания по-преж-
нему равно 70 та, и газы истекают в большой объем, где
давление равно 6 ати.
а. Определить вес заряда.
б. Определить размеры заряда цилиндрической формы.
а. Воспользуемся уравнениями (5.47) и (5.49):
. _ WgHAD
75 ’
1,22 / 848-2600 \ Г. / 7\(°’22/1>22И , с/ ППА
0^2 27— НМто) J = 154000 3.
= 0,0122 кг1сек-
184
Глава 5
Используя табл. 5.3, получаем
• N аМ 25 • 27
Wg 2600.21,16 = 0,0123 кг!сек,
^ = ^^ = 0,0123-12 = 0,148 кг.
б.
L = RBtB = 17,8-12 = 214 мм,
°’148U03,- 4 33 гм*
6 L pL 1,60-21,4 М ’
D = 1,125/4^3 = 2,34 см.
5. Определить площадь критического сечения сопла для рас-
смотренного газогенератора.
. wg 0,0123-103
Ат~ CDPc ~ 6,62-70 0,0265 см .
Диаметр критического сечения равен 1,83 мм. По-видимому,
для сверления сопла можно использовать сверло диаметром 1,8 мм.
БИБЛИОГРАФИЯ
Ball А. М., Solid Propellants, Part I, Ordnance Engineering Design Hand-
book, Explosives Series, Ordnance Corps Pamphlet ORDP 20—175,
1962.
Ballistic Nomenclature, Rocket Motor and Gas Generator Performance, U.S.
Air Force Specification Bulletin, № 508, June 1959.
Corner J., Theory of the Interior Ballistics of Guns, N.Y., Wiley, Inc.,
1950.
Rocket Fundamentals, Allegeny Ballistics Laboratory, SR4, OSRD 3992,
George Washington University, Washington, D.C., 1944.
Sutton G. P., Rocket Propulsion Elements, 2d ed., N.Y., Wiley, Inc.,
1956.
Упмпресс P. H., Внутренняя баллистика пороховых ракет, ИЛ, М.,
1952.
6
ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ И ПУСКОВЫЕ
УСТРОЙСТВА
Ньюмен Ч. (Charles R. Newman)
В современных бортовых системах запуска управляемых
ракет используется большое количество пиротехнических уст-
ройств. Эти приспособления обычно срабатывают от электрическо-
го импульса и в некоторых случаях характеризуются очень высо-
ким уровнем энергии и точной синхронизацией включения.
Преждевременное срабатывание пиротехнических устройств может
привести к катастрофическим последствиям при запуске ракеты.
Такие аварии представляют собой угрозу для жизни обслужи-
вающего персонала, могут вызвать разрушение наземных соору-
жений, а в некоторых чрезвычайных случаях привести к случай-
ному запуску и полету ракеты за пределы своей территории.
Предотвращение подобных, крайне нежелательных явлений обыч-
но обеспечивается предохранительными и пусковыми устройствами
(ППУ), размещаемыми на борту ракеты.
Основная функция ППУ — исключение возможности прежде-
временного срабатывания пиротехнических систем от случайных
электрических и механических импульсов, и, кроме того, это
устройство должно обеспечить максимальную надежность сраба-
тывания соответствующей системы по команде.
По принципу действия и основным элементам конструкции
ППУ не являются новыми системами. В результате многолетних
разработок классических видов оружия были созданы миниа-
тюрные и сложные устройства. Давно используются взры-
ватели ракет, ППУ для глубинных бомб, инициирующие ме-
ханизмы мин и др. В последние 10 лет эти устройства нашли
широкое применение в ракетно-космической технике, причем
основное внимание уделялось удовлетворению требований
надежности.
Наглядным примером такого устройства является ППУ для
взрывателей артиллерийских снарядов, срабатывающее лишь после
того, как под действием центробежного ускорения суммирующее
устройство зафиксирует определенное число оборотов снаряда.
В предохранительном положении эти устройства выдерживают
значительные ударные нагрузки, тряску и всякого рода воздей-
ствия при обслуживании. Рассматриваемые ППУ переводятся
в пусковое состояние лишь при выстреле из орудия.
186
Глава 6
Вторая, но не менее важная функция ППУ — обеспечение
безопасного обращения с пиротехническими системами в сборе.
ППУ предотвращают преждевременное срабатывание системы
при транспортировке, сборке и проверочных испытаниях оружия.
И наоборот, в пусковом (взведенном) положении, т. е. после
получения соответствующей команды. ППУ должны привести
в действие пиротехнические элементы системы, обеспечивая после-
довательное срабатывание элементов пиротехнической цепи.
НАЗНАЧЕНИЕ
ППУ — это двухпозиционное устройство, имеющее пиротех-
нические инициаторы. Одна позиция этого устройства соответ-
ствует предохранительному состоянию, а вторая — пусковому
(взведенному). Кроме того, эти устройства обычно снабжены элек-
трическими, визуальными или механическими индикаторами для
указания и контроля состояния ППУ (предохранительное и взве-
денное). Многие ППУ имеют также электрические схемы, позво-
ляющие выполнять проверку на обрыв электрической цепи пиро-
технических элементов системы.
ППУ обычно изготавливаются в виде цилиндра с фланцами
для крепления. ППУ может весить от 0,45 кг, занимая объем
65 см3, и до 1,8—2,25 кг при объеме 245—330 см3. Если устрой-
ство работает при высоких внутренних давлениях, то его наруж-
ный корпус обычно изготавливается из стали. В остальных
случаях применяется алюминий.
ППУ применяются в системах:
1) запуска ракетного двигателя;
2) разделения ступеней;
3) самоликвидации;
4) создания реверса тяги или отсечки тяги.
Иногда встречаются ППУ, не содержащие пиротехнического
элемента (например, электрические переключатели).
ЗАПУСК РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
ППУ, используемые в системах запуска ракетных двигателей
твердого топлива, обычно имеют пиропатроны для генерирования
газа повышенного давления и форса пламени. В предохранитель-
ном положении электрическая цепь этих пиропатронов замкнута
накоротко, а сами устройства размещены таким образом, чтобы
при случайном срабатывании в предохранительном положении
продукты сгорания направлялись во внутренний объем устрой-
ства. В случае преждевременного инициирования продукты сго-
рания не вызовут воспламенения остальных элементов огневой
Предохранительные и пусковые устройства
187
цепи. При срабатывании пиропатрона в пусковом положении
продукты сгорания направляются в корпус воспламенителя с таб-
летированной смесью, при воспламенении которой обеспечи-
ваются температура и давление, требуемые для запуска двигате-
ля. Корпуса таких ППУ выдерживают давление от 0,7 до 140 ат
и температуру до 260° С в течение 1—2 мин.
РАЗДЕЛЕНИЕ СТУПЕНЕЙ
Разделение ступеней обычно осуществляется с помощью лен-
точного пирозамка, шнурового заряда В В или механизма разде-
ления с пироэнергодатчиком. Пусковые и предохранительные
устройства в таких системах обычно имеют детонатор с бризантным
В В для ленточного пирозамка и шнурового заряда ВВ, или
пиропатроны для механизма разделения. Конструкция механизма
ППУ может быть модифицирована, чтобы исключить необходи-
мость длительного выдерживания высоких давлений. В каждом
случае элементы устройства должны быть спроектированы таким
образом, чтобы при случайном срабатывании в предохранитель-
ном положении продукты сгорания не истекали наружу.
САМОЛИКВИДАТОРЫ
Функции бортовых самоликвидаторов для жидкостных ракет
обычно выполняют ленточные пирозамки или устройства с шну-
ровым зарядом ВВ, при срабатывании которых происходит раз-
рушение топливных баков. В качестве самоликвидаторов для
твердотопливных двигателей используются кумулятивные заряды
бризантного ВВ. Конструкция ППУ, предназначенных для этой
цели, аналогична конструкции ППУ, используемых в системе
разделения.
РЕВЕРС ИЛИ ОТСЕЧКА ТЯГИ
Многие современные ракетные двигатели твердого топлива
имеют системы для реверса и (или) отсечки тяги путем открытия
дополнительных сопел. ППУ в таких случаях являются элемен-
том системы открытия сопел для отсечки тяги. Конструкция таких
ППУ примерно та же, что и аналогичных устройств, используе-
мых для разделения и самоликвидации.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
К ППУ зачастую предъявляются довольно противоречивые
-требования. Безопасность обращения в предохранительном
положении ППУ должна сочетаться с надежностью срабатывания
устройства при его включении. Эти противоположные требования
188
Глава 6
удается удовлетворить путем тщательного подбора пиротехниче-
ских компонентов, генерирующих минимальное количество энер-
гии, достаточное для обеспечения безотказного запуска, и хорошо
продуманным проектированием механических элементов системы.
Недостаточно тщательно составленные технические условия и не-
отработанность конструкции элементов механизма ППУ, по-ви-
димому, в большей степени являются главной причиной много-
численных нарушений нормального функционирования этих
устройств, чем ошибочность основных концепций.
ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Пиротехническая цепь обычно состоит из инициирующего
элемента, срабатывающего от электрического импульса, и эле-
ментов, обладающих значительным запасом химической энергии,
но срабатывающих от более мощного входного сигнала в виде
ударной волны, повышенных температуры или теплового потока
и давления. Принцип действия ППУ основан на изменении энер-
гетического уровня в различных элементах огневой цепи. Детони-
рующая цепь, например, может иметь электродетонатор, содер-
жащий относительно небольшое количество (50—150 мг) бри-
зантного ВВ, передаточный заряд, усиливающий выход энергии,
и концевой элемент — заряд бризантного ВВ, срабатывающий
при воздействии ударной волны. Распространяющаяся от детона-
тора ударная волна проходит через передаточный заряд и ини-
циирует его. Вместе с тем выделение энергии при срабатывании
детонатора может быть ограничено внутренним объемом устрой-
ства и не вызывать разрушения корпуса и выброса газов наружу.
Таким образом, при случайном срабатывании детонатора в пре-
дохранительном положении не произойдет опасного разрушения
ППУ, хотя это будет означать отказ системы.
Основное требование к конструкции различных ППУ — обес-
печение дискретных положений (предохранительного и пусково-
го) путем замыкания или размыкания пиротехнической цепи.
Эти условия можно реализовать двумя способами: 1) перемещени-
ем предохранителя относительно пироэлементов или 2) перемещени-
ем пироэлементов относительно неподвижного предохранителя.
Относительное перемещение этих элементов можно одновременно
использовать для перевода устройства из одного положения
в другое и контроля состояния системы — предохранительного
или пускового. Выбор одного из этих двух основных принципов
действия обычно определяет окончательную конфиграцию,
размер и вес устройства.
Предохранительные и пусковые устройства
189
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ
И ПУСКОВЫХ УСТРОЙСТВ
ппу с БЛОКИРУЮЩИМ ротором и неподвижными
ПИРОТЕХНИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Рассматриваемый конструктивный вариант ППУ (фиг. 6.1)
содержит неподвижные инициирующие элементы, срабатываю-
щие при воздействии электрического или механического импуль-
са. При использовании пиропатронов в системе запуска ракетного
двигателя блокиругощий ротор размещается между пиропатроном
и корпусом восламенителя с таблетированной смесью. Когда эту
схему используют для инициирования заряда бризантного ВВ,
блокирующий ротор помещают между детонатором и передаточ-
ным зарядом. При повороте ротора из одного предельного поло-
жения в другое происходит переключение устройства из предо-
хранительного состояния в пусковое или наоборот. В первом
случае пиротехнические элементы сообщаются с дополнительным
объемом, куда могут истекать газы при случайном воспламенении.
ППУ С БЛОКИРУЮЩИМ РОТОРОМ и подвижными
ПИРОТЕХНИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
В ППУ с подвижными пиротехническими элементами (фиг.6.2)
инициирующий элемент размещается в подвижном роторе или
блокирующем предохранителе. Передаточный заряд неподвижен,
а инициирующий элемент в предохранительном положении,
как и в предыдущем случае, сообщается с дополнительным объе-
мом. В большинстве случаев применения такой системы требуется
либо перемещение проводника, связанного с инициирующими
элементами, либо соединение этих проводов с подвижными пере-
ключателями. Исключение представляет случай, когда иниции-
рующий элемент неподвижен, а передаточный заряд помещен
в подвижный блокирующий ротор.
СРАВНЕНИЕ ДВУХ ТИПОВ ППУ
Два рассмотренных основных типа ППУ обладают разного
рода преимуществами и недостатками. ППУ с неподвижными
пиротехническими элементами имеют следующие преимущества:
1) провода не деформируются; 2) огневая цепь прерывается меха-
нически; 3) максимально безопасны в обращении.
Однако конструкцию ППУ с подвижными пиротехническими
элементами легче приспособить к требуемым условиям, что при
соответствующем выполнении позволяет преодолеть указанные
Система
Инициирующий
элемент
Блокирующий элемент----Исполнительный орган
(алл разрыва цепи)
Запал
положение
Отверстие для
выхода газов
Мембрана
Детонатор
(инициатор)
Предохранительное
положение
Кумулятивный заряд
с линейной выемкой
-1 Заряд
самоликвидатора
ф и г. 6.1. ППУ с^блокирующим ротором и неподвижными пиротехническими элементами,
Система
Элемент,
расположенный
в роторе
Элемент, инициирующий
и прерывающий огневую цепь
Передаточный__ Исполнительный
заряд орган
Электрозапал
Детонатор,
срабатывающий
при воздействии
ударной
волны
Передаточный
' заряд
Увеличение
энергии
Инициатор
Мощный
детонатор
Фиг, 6.2, ЦПУ с блокирующим ротором и подвижными пиротехническими элементами.
192
Глава 6
недостатки. В любом варианте конструкции ППУ должно быть
исключено самопроизвольное переключение в пусковое положе-
ние, пока устройство специально не будет переведено в это поло-
жение.
К недостаткам ППУ с неподвижными пиротехническими эле-
ментами относятся недостаточная универсальность конструктив-
ной схемы, усложнение пиротехнической цепи (из-за присут-
ствия ротора) и необходимость установки пиротехнических
элементов в начальной стадии монтажа (соображения техники
безопасности). В свою очередь ППУ с подвижными пироэлемен-
тами требуют громоздкой системы включения, которая усложняет
устройство и затрудняет контроль его надежности. Как и во
многих других случаях, выбор между этими двумя основными
схемами требует анализа условий конкретного применения ППУ.
КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ
МЕХАНИЧЕСКАЯ
Простейшие конструкции ППУ для разрыва огневой цепи
имеют механически перемещаемые пиротехнические элементы или
блокирующий ротор. На практике в этой схеме ППУ используют-
ся вытяжной шнур, пусковое устройство кулачкового типа, обычно
применяемое на ракетах, запускаемых с направляющих, зубчатая
передача с механическим приводом. ППУ такого типа обычно
предельно просты, однако возможны затруднения при проекти-
ровании механического привода.
Разработаны различные ППУ в основном механического
типа, содержащие пироэлектрические элементы, которые обеспе-
чивают перевод устройства из предохранительного в пусковое
положение, а в ряде случаев наоборот. Эти элементы представ-
ляют собой небольшие приводы сильфонного типа, содержащие
пиротехническую смесь. При воспламенении этой смеси давление
газа поднимается, сильфон растягивается и перемещает блоки-
рующий элемент из предохранительного положения в пусковое.
Обычно такая конструктивная схема используется только
для перевода ППУ в пусковое положение, поскольку для повтор-
ного перевода ППУ в предохранительное положение необходимы
дополнительные сложные (Приспособления. Подобные варианты
конструкций редко используются для систем ППУ, требующих
пробного включения при ^предстартовой проверке.
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ
Некоторые проблемы, связанные с проектированием или
использованием ППУ чисто механического типа, удается решить
путем ввода в схему электродвигателя или соленоида. В этих
Предохранительные и пусковые устройства
193
случаях электроприводы служат для перемещения предохрани-
теля, выключателей и (или) пиротехнических элементов. При
использовании электроприводов улучшаются условия дистан-
ционного управления ППУ.
СХЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
И ИНЕРЦИОННЫХ НАГРУЗОК
Разработаны конструкции ППУ, в которых перевод в пуско-
вое положение осуществляется по достижении определенных
условий окружающей среды. К этим условиям можно отнести и
перегрузки, действующие на ракету, высоту полета (в этом случае
используются барометрические переключатели), а также другие
сигналы окружающей среды. Наиболее распространенный вариант
ППУ этого типа занимает пусковое положение по достижении
определенной перегрузки и срабатывает от электросигнала или
за счет энергии предварительно сжатой пружины. Эти устрой-
ства, разумеется, не могут использоваться для запуска двигателя
первой ступени, ввиду того что динамические нагрузки возникают
после старта ракеты. Однако даже на борту первой ступени мож-
но использовать такие ППУ для других целей. ППУ этого типа
обычно имеют минимальные объем и вес.
ЭЛЕКТРОННАЯ
Некоторые ППУ предназначаются лишь для обеспечения
безопасности электроцепи воспламенения. Применение такой
схемы устраняет ряд проблем электромеханического характера,
свойственных ППУ обычного типа, по при этом не обеспечивается
безопасность обычных механических элементов.
ТИПЫ ПРИВОДОВ
Важнейшим этапом проектирования ППУ после принятия
основной схемы является выбор привода для перемещения
блокирующего ротора или пиротехнических элементов. Этот
выбор определяет тип устройства и позволяет классифицировать
ППУ по системам переключения из предохранительного положе-
ния в пусковое. Существует пять методов перевода ППУ в пуско-
вое положение и его включения: механический, электромехани-
ческий, инерционный комбинированный (с участием параметров
окружающей среды), электронный.
ППУ можно также подразделить по назначению запала,
при срабатывании которого либо происходит воспламенение
заряда, предназначенного для генерирования нагретых газов
под давлением, либо инициирование детонационной волны.
13—1088
194
Глава 6
МЕХАНИЧЕСКИЙ
Основная операция механического привода (фиг. 6.3) состоит
в перемещении блокирующего ротора из предохранительного
положения в пусковое. Это перемещение может осуществляться
с помощью вытяжного шнура, кулачкового механизма, штока
с возвратно-поступательным движением или сильфонного при-
вода с пиротехническим элементом.
Блокирующий ротор с помощью вытяжного шнура переклю-
чается из предохранительного положения (огневая цепь разомк-
нута) в пусковое. Поступательное движение вытяжного шнура
можно преобразовать во вращательное, применяя кулачковый
или зубчатый механизм для перевода ППУ в пусковое положение.
Шток с возвратно-поступательным движением действует так же,
как и вытяжной шнур. Для перемещения блокирующего ротора
можно использовать комбинации из нескольких механизмов.
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ
Вращательное или возвратно-поступательное движение бло-
кирующего ротора можно обеспечить с помощью соленоидов (но-
воротных или с линейным перемещением) и от электродвигателя
постоянного тока (прямого привода или через коробку передач).
Электромеханические приводы для перевода ППУ в пусковое
положение обычно применяются в системах воспламенения двига-
телей первой ступени ракет, а также в тех случаях, когда но ус-
ловиям монтажа и функционирования необходимо дистанционное
управление переключением устройства в пусковое положение.
Разработано большое количество прецизионных моментных
электродвигателей постоянного тока, служащих в качестве источ-
ника энергии для электромеханических приводов ППУ. Для попе-
ременного включения и выключения ППУ также используются
небольшие поворотные и возвратно-поступательные соленоиды.
Реализация повышенных требований к электромеханическим при-
водам ППУ осложняется в связи с генерированием радиочастот-
ных шумов при замыкании и размыкании электрических цепей.
Если уровень радиочастотных шумов превышает допустимый,
то они оказывают отрицательное воздействие на большинство
электродвигателей постоянного тока и соленоидов. В связи с этим
электроцепи необходимо Экранировать.
|Z ИНЕРЦИОННЫЙ
Перевод ППУ в пусковое положение после старта ракеты
может быть осуществлен за счет развиваемого ускорения. Эти уст-
ройства обычно имеют тормозной регулятор для обеспечения
Тип привода
Система
Механический
(электропиро -
технический)
Толкающий шток (действует
Пусковое положение
Сильфонный
привод
Вытяжной
шнур
Электро-
механический
Е
Переключатели
О .
Поворот на 90
в пусковое
положение
Элек тродвига тель
постоянного тока
Инерционный
Использующий
параметры
окружающей
среды
Датчик
Электродвигатель
Ф п г. 6.3. Типы приводов для перевода ППУ в пусковое положение.
13*
196
Глава 6
задержки перевода ППУ в пусковое положение, который должен
происходить лишь на определенном расстоянии от стартовой
позиции. Этот перевод осуществляется либо непосредственно
путем перемещения блокирующего ротора, или освобождения
ротора, поджатого пружиной, либо путем перемещения механиз-
ма боевого взведения, который при этом становится пусковым
устройством системы воспламенения.
КОМБИНИРОВАННЫЙ
ППУ, для перевода которых в пусковое положение используется
комбинированное воздействие механизмов и окружающей среды,
применяются во многих системах управляемых снарядов. Приме-
рами таких систем являются:
1. Барометрическое реле, источник энергии (батарея) и элект-
родвигатель. На заданной высоте над уровнем моря реле подает
сигнал на батарею, которая начинает вырабатывать энергию
для электродвигателя, соленоида или пиротехнического сильфон-
ного привода, а те в свою очередь перемещают блокирующий
ротор.
2. ППУ, переводимые в пусковое положение под действием
инерционных сил; для воспламенения используется электриче-
ский импульс.
3. ППУ, с механическим принципом перевода в пусковое
положение; для воспламенения используются инерционные силы
или электрический импульс.
Очевидно, можно предложить много конструкций ППУ комби-
нированного типа.
ЭЛЕКТРОННЫЙ
Электронные ППУ выполняют свои функции при включении
их в соответствующую электрическую цепь. Электронные ППУ
могут быть использованы в качестве предохранителей пиротех-
нических механизмов переключения ППУ в пусковое положение.
ИСПЫТАНИЯ
При составлении программ испытаний ППУ возникает ряд
специфических проблем, которые обусловлены тем, что пиротех-
нические средства можно использовать только один раз; следо-
вательно, проведение нескольких циклов испытаний одного
и того же устройства исключено. Соответственно крайнюго важ-
ность приобретает порядок проведения испытаний отдельных
узлов для оценки воздействия условий окружающей среды и (или)
Предохранительные и пусковые устройства 197
определения рабочих характеристик. Обычным методом разреше-
ния этой проблемы является тщательный выбор ряда взаимо-
связанных условий окружающей среды, отражающих тактико-
технические требования к данному узлу. В конце этих испытаний
устройство проверяется на срабатывание. Особое значение имеют
испытания по отработке и оценке ППУ и содержащихся в них
пиротехнических элементов.
ТИПЫ ИСПЫТАНИЙ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
ИСПЫТАНИЯ НА БЕЗОПАСНОСТЬ ОБРАЩЕНИЯ
Испытания на безопасность обращения проводятся в ходе
разработки ППУ. Натурный или модельный ППУ переводится
в предохранительное положение и замыкается цепь воспламене-
ния пиротехнических элементов. Цель этих испытаний — пока-
зать, что при воспламенении в предохранительном положении
не происходит дробления элементов системы. Для проверки без-
опасности в обращении рекомендуется проводить 25 испытаний.
ИСПЫТАНИЯ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ
Испытания проводят с ППУ в пусковом положении или после
того, как узел неоднократно переводился из предохранитель-
ного положения в пусковое. Цель этих испытаний — проверка
надежности воспламенения концевого элемента огневой цепи.
Часто для этого используют устройства, достаточно точно модели-
рующие геометрические параметры элементов узла и их взаимо-
связь. В ходе таких испытаний проверяется надежность огневой
цени на основе данных статистического анализа. Использование
модельных устройств значительно удешевляет проведение много-
численных испытаний. Например, для проверки только 97 %-ной
надежности при 95 %-ном доверительном уровне требуется около
100 испытаний.
ПРОТИВОРЕЧИЕ ТРЕБОВАНИЙ
Для обеспечения безопасного обращения требуется макси-
мально ограничить количество пиротехнической смеси и преду-
смотреть максимально возможный объем свободного простран-
ства, чтобы снизить уровень энергии до безопасной величины
при случайном срабатывании системы. С другой стороны, для
обеспечения воспламенения в пусковом положении ППУ тре-
буется гарантированный запас энергии пиротехнического состава
и тщательная обтюрация, чтобы эта энергия могла быть направле-
на к исполнительному органу. Эти противоположные требования
198
Глава 6
можно удовлетворить в процессе описанных выше испытаний
на безопасность обращения и работоспособность системы. Тща-
тельный анализ полученных данных позволяет найти компромис-
сное решение, обеспечивающее выполнение этих требований.
ПРИМЕР ПРОГРАММЫ ИСПЫТАНИЙ
ЦЕЛЬ ИСПЫТАНИЙ
В качестве примера типичной программы испытаний можно
рассмотреть общую проблему проектирования ППУ — выбор
толщины мембраны для детонационной цепи. В данном случае
целью испытаний является определение необходимой толщины
однородной герметизирующей мембраны между детонатором и шну-
ровым зарядом ВВ.
ИСПЫТАНИЯ НА БЕЗОПАСНОСТЬ ОБРАЩЕНИЯ
Эти испытания проводятся с ППУ в комплекте с детонаторами,
содержащими в качестве основного заряда примерно 165 мг
бризантного ВВ (тетранитрат пентаэритрита), передаточными
зарядами и шнуровым ВВ. Для обеспечения безопасности персо-
нала требуется соблюдение следующих мер предосторожности:
1. При обращении с детонаторами, их транспортировке и хра-
нении электропроводка должна быть тщательно изолирована
и закорочена шунтирующим зажимом или соединением неизоли-
рованных концов.
2. Провода детонатора разъединяются только при провероч-
ных испытаниях мостиков или непосредственно перед оконча-
тельным замыканием электрической цепи.
3. Сила тока при проверке сопротивления цепи не должна
превышать 10 ма.
СОРТИРОВОЧНЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Перед монтажом на стендовую установку измеряют и записы-
вают сопротивление мостиков каждого детонатора. Детонаторы,
не удовлетворяющие установленным требованиям, снимаются
с дальнейших испытаний.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ
На стендовой установке, изображенной на фиг. 6.4, прово-
дится серия предварительных испытаний по Брустону [1]. В про-
цессе этих испытаний подбирается толщина алюминиевой мемб-
раны. Материал мембраны должен быть таким же, что и мате-
риал внутреннего корпуса ППУ (алюминий марки 7075-Т6).
Предохранительные и пусковые устройства
199
Выполняется столько испытаний (обычно около 5), сколько необ-
ходимо для определения толщины мембраны, соответствующей
приблизительно 50%-ной вероятности инициирования шнурового
заряда ВВ. Затем проводится серия испытаний по Брустону
(не менее 20), при которых толщина мембраны (от испытания
к испытанию) меняется на малую величину (около 0,25 мм).
При этом можно оценить толщины мембраны, при которых вероят-
ность инициирования шнурового
заряда ВВ составляет 10, 50
и 90%.
Критериями срабатывания и
отказа системы являются соответ-
Ф и г. 6.4. Установка для испытаний.
1 — шнуровой заряд ВВ; 2 — детонатор;
3 — мембрана.
ственно инициирование и отказ шнурового заряда ВВ. При про-
ведении этих испытаний не ставится задача определения мини-
мальной толщины стенок алюминиевого корпуса, при которой
не происходит его разрушения, когда срабатывает детонатор.
ДОВОДОЧНЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Воспламенение. На основе данных, полученных в ходе пред-
варительных испытаний, на той же стендовой установке (фиг. 6.4)
проводится серия из 50 испытаний но Брустону. В этих опытах
Переменная
толщина
подбирается толщина алюминиевой мем-
браны, которую увеличивают от опыта
к опыту на 0,125 ± 0,025 мм. Первое
испытание проводится при толщине
мембраны, приблизительно эквивалент-
ной толщине, обеспечивающей 50%-ную
вероятность срабатывания в ходе пред-
Ф и г. 6.5. Установка для испытаний на бе-
зопасность обращения.
варительных испытаний с использованием тех же самых крите-
риев срабатывания и отказа системы.
200
Глава 6
Безопасность обращения. После выбора окончательного вариан-
та конструкции ППУ проводится серия из 25 испытаний по Бру-
стону с использованием результатов предварительных испытаний.
В этих опытах устанавливается минимальная толщина стенок
алюминиевого корпуса, который не разрушается при срабаты-
вании детонатора в предохранительном положении. При прове-
дении этих испытаний используется стендовая установка, анало-
гичная рассмотренной ранее, с той лишь разницей, что в данном
случае полость, в которую истекают продукты детонации, имеет
форму внутренней полости, которую заполняют продукты детона-
ции в случае срабатывания детонатора в предохранительном поло-
жении (фиг. 6.5). При проведении этой серии испытаний от испы-
тания к испытанию меняется толщина задней стенки полости.
Недопустимо любое разрушение алюминиевого корпуса: разрыв,
растрескивание, раскол. Деформация без нарушения целост-
ности корпуса допускается.
КОНТРОЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ КОНСТРУКЦИИ
Безопасность обращения. На моделирующей установке
(фиг. 6.6), точно воспроизводящей конфигурацию ротора и внут-
реннего корпуса ППУ, проводится 10 испытаний с обоими дето-
Ф и г. 6.6. Моделирующая установка для испытаний.
1 — детонатор; 2 — ротор; з — шнуровой заряд BB; 4 — передаточный заряд;
5—мембрана.
Примечания: 1. Внутренний свободный объем модели должен быть равен сво-
бодному объему натурного ППУ. 2. Угол поворота ротора относительно предохрани-
тельного или пускового положения проверяется на установке и не должен превы-
шать ±0,5*.
Предохранительные и пусковые устройства 201
наторами *), срабатывающими в предохранительном положении,,
и с присоединенными шнуровыми зарядами ВВ.
Конструкция ППУ должна удовлетворять следующим требо-
ваниям: 1) алюминиевый корпус не должен разрушаться, как
и при испытаниях на безопасность в обращении; 2) шнуровые
заряды ВВ не должны инициироваться.
Воспламенение. Проводятся 10 испытаний с обоими детонато-
рами, срабатывающими в пусковом положении, и инициирующими
шнуровыми зарядами ВВ, присоединенными к модели (эти испы-
тания эквивалентны двадцатикратной проверке шнурового заря-
да ВВ на надежность воспламенения). При этом шпуры не долж-
ны иметь отказов, а алюминиевый корпус не должен разрушаться.
Отклонение угла установки детонаторов. С использованием
тех же моделей, что и в предыдущих контрольных эксперимен-
тах, проводится серия из 25 испытаний для проверки безопас-
ности и надежности ППУ, когда срабатывающие детонаторы имеют
отклонения по углу установки относительно нормального пре-
дохранительного или пускового положения. В каждом испыта-
нии используется по одному детонатору и шнуровому заряду
ВВ. От испытания к испытанию меняется угол поворота дето-
натора относительно номинального пускового положения (макси-
мум до 60°). Приращение угла и количество испытаний' при
каждом приращении устанавливаются в ходе предварительных
испытаний. Результаты испытания считаются удовлетвори-
тельными, если произошло воспламенение шнурового заряда ВВ.
При осуществлении этой серии испытаний устанавливаются при-
ближенные значения угла поворота, при которых обеспечивается
10, 50 и 90% вероятности срабатывания. Кроме того, должно
удовлетворяться еще одно требование — алюминиевый корпус
должен выдерживать детонацию.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Тщательный анализ результатов описанных испытаний позво-
ляет выбрать и проверить толщину наиболее важного элемента
конструкции — мембраны, которая обеспечивает надежное рас-
пространение детонационной волны к шнуровому заряду и гаран-
тированную безопасность в обращении. Кроме того, удается
установить пределы допусков на отклонение по углу, при кото-
рых сохраняется 90%-ная надежность срабатывания.
’) Условия испытаний при одновременном срабатывании двух детонато-
ров являются более жесткими, чем при последовательном. Поэтому 10 двой-
ных испытаний считаются эквивалентными 20 одиночным и, кроме того, это-
дает больший запас надежности.
202
Глава в
ПРИМЕРЫ КОНСТРУКЦИЙ
ППУ С МЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
ТРЕБОВАНИЯ
Для сверхзвуковых летающих мишеней одноразового приме-
нения требуются самоликвидаторы, срабатывающие в конце
полета. Благодаря преднамеренному разрушению предотвращает-
ся свободное падение неуправляемой мишени, которая в этом
Схема электроцепи
Ф и г. 6.7. ИПУ с вытяжным шнуром.
1 — ротор: 2 — штепсельный разъем; 3 — вытяжной шнур (пусковое положение —
при вытягивании, предохранительное положение — при обратном вводе шнура);
4 — кулачок; 5 — электрозапал; 6 — детонатор; 7 — стопор; 8 — заряд гексогена.
Примечание. Все размеры даны в миллиметрах.
случае представляет собой определенную опасность. Разрушение
должно осуществляться мощным зарядом В13 в середине или
конце активного участка полета. При этом разрушаются топлив-
ные баки и перемешиваются остатки самовоспламеняющихся
компонентов топлива, после чего набегающий воздушный поток
завершает разрушение. Сигналом к переводу ППУ в пусковое
положение может служить отделение мишени от самолета-носи-
теля.
Па основе этих требований разработана конструкция ППУ,
размещаемого между баками с горючим и окислителем и закреп-
П редохранителъные и пусковые устройства
203
ленного в четырех точках (фиг. 6.7). Вытяжной шнур ППУ свя-
зан с самолетом-носителем. Установка ППУ должна производить-
ся в предохранительном положении. ППУ имеет блокирующий
ротор между инициатором и зарядами ВВ. Хорошей практиче-
ской мерой предосторожности является закрепление ротора про-
волочным стопором в предохранительном положении до момента
отделения мишени от самолета-носителя.
При отделении летающей мишени от самолета возникающая
сила натяжения срезает проволочный стопор и вытягивает шнур,
заставляя блокирующий ротор перейти из предохранительного
положения в пусковое с помощью кулачка. В пусковом положе-
нии ротор фиксируется шариковым стопором с пружиной. При
повторном введении шнура обеспечивается перевод ППУ в пре-
дохранительное положение.
Бортовое командное устройство, или реле времени, посылает
электрический импульс (За) к инициатору самоликвидатора.
Выходной импульс инициатора воспринимается детонаторами,
которые в свою очередь вызывают подрыв мощного таблетиро-
ванного заряда гексогена. В результате взрыва ВВ разру-
шаются баки горючего и окислителя, происходит немедленное
смешение самовоспламеняющихся компонентов топлива и разру-
шение летательного аппарата. Для данной конструкции суще-
ствует опасность случайного подвода импульса в момент, когда
ППУ переключается в пусковое положение. В этом случае ликви-
датор немедленно сработает. Во избежание такой опасности
необходимо использовать инициаторы с замедлителями за счет
незначительного увеличения габаритов устройства.
ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Тип и расположение элементов огневой цепи соответствуют
системе D (фиг. 6.2). Для упрощения приняты два отклонения
от стандартного решения. Во-первых, провода от инициатора
закорочены снаружи в предохранительном положении, во-вто-
рых, после первого переключения ППУ не предусматривается
контроль его положения (предохранительное или пусковое).
Наличие проволочного стопора вытяжного шнура с соответствую-
щим предупреждающим ярлыком четко указывает начальное
предохранительное положение. После первого перехода в пуско-
вое положение повторный ввод вытяжного шнура возвращает
устройство в предохранительное положение. Однако в этом случае
лишь отсутствие проволочного стопора указывает, что ППУ сно-
ва переключено в предохранительное положение.
Важная отличительная особенность этого устройства состоит
в том, что положение блокирующего ротора непосредственно
204
Глава 6
связано с движением вытяжного шнура. Такой принцип кон-
струкции позволяет отказаться от ротора с пружиной, рабо-
тающей на скручивание, что могло бы привести к нарушению
функционирования или усложнению проверки системы. Непосред-
ственная передача движения ротору от кулачка обеспечивает
повышенную надежность работы. К тому же ротор зафиксирован
на оси и стопорится в предохранительном положении.
МОНТАЖ
Проверка ППУ перед установкой на изделие состоит из двух
основных этапов: визуального контроля наличия срезающегося
проволочного стопора и проверки на отсутствие обрыва цепи
запала с помощью измерения сопротивления слаботочной аппара-
турой. После проведения монтажных работ ППУ должно нахо-
диться в предохранительном положении, а электрическая цепь
закорочена.
ППУ С ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
ТРЕБОВАНИЯ
В связи с новыми требованиями, предъявляемыми к ППУ
с вытяжным шнуром, был создан пироэлектрический вариант
этого устройства (фиг. 6.8 и 6.9).
Этот вариант, однако, исключает возможность перевода ППУ
в предохранительное положение механическими средствами после
первого переключения в пусковое положение. Большинство
ранее указанных требований к ППУ сохраняется, но с изме-
нением основной схемы изменяется и характер работы ус-
тройства.
Модифицированный блок также закрепляется в четырех точ-
ках между баками горючего и окислителя. После включения
штепсельного разъема и удаления предохранительной чеки уст-
ройство готово к переводу в пусковое положение.
Перевод ППУ в пусковое положение осуществляется путем
перемещения предохранительной заслонки с укрепленными на ней
детонаторами, по завершении которого детонаторы оказываются
между электрозапалами и элементами из бризантного ВВ.
Эта заслонка удерживается в предохранительном положении
пружиной, а от случайного перемещения — предохранительной
чекой.
После отделения мишени от самолета-носителя бортовая систе-
ма питания подает пусковой ток на сильфонный привод. При за-
полнении сжатым газом сильфон растягивается, преодолевая
сопротивление удерживающей пружины, и устанавливает дето-
Схема электроцепи
Ф it г. 6.8. Самоликвидатор с ППУ, имеющим пиротехнический привод.
1 —. штепсельный разъем; 2 — пусковое положение; 3 — предохранительная чека;
-4 — заслонка; 5 — заряд гексогена; 6 — предохранительная чека с предупреждаю-
щим ярлыком; 7 — электрозапал; 8 — сильфонный привод; 9 — детонатор.
Примечание. Размеры даны в миллиметрах.
Фиг. 6.9. Общий вид самоликвидатора.
206
Глава 6
наторы соосно с зарядами ВВ. При растяжении сильфона проис-
ходит его пластическая деформация, в результате чего заслонка
удерживается в пусковом положении.
При поступлении пускового тока срабатывают инициаторы
и последующее функционирование ППУ аналогично уже описан-
ному для варианта с вытяжным шнуром.
ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Выбор элементов огневой цепи производится в соответствии
с общепринятыми методами. Заслонка с сильфонным приводом
уже применялась в ряде других систем самоликвидаторов одно-
разового действия. Предусматривается дублирование как в огне-
вой цепи, так и в приводе заслонки. Благодаря использованию
предохранительной чеки исключается возможность перемещения
заслонки в пусковое положение при случайном срабатывании
сильфонного привода. Предохранительная чека является меха-
ническим средством предотвращения подобного нарушения функ-
ционирования ППУ. Таким образом, при включении сильфонного
привода ППУ переводится в пусковое положение, а при сраба-
тывании электрозапала происходит распространение детона-
ционной волны вдоль огневой цепи и инициирование таблетиро-
ванной смеси.
МОНТАЖ
Проверка ППУ перед установкой на изделие состоит из двух
основных этапов: визуального контроля наличия предохранитель-
ной чеки и проверки на обрыв цени электрозапала. При монта-
же также необходима гарантия, что электрические цепи, идущие
к сильфонному приводу и к электрозапалам, закорочены, когда
ППУ находится в предохранительном положении с удаленной
предохранительной чекой.
КВАЛИФИК ХЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Рассматриваемое предохранительное и пусковое устройство
успешно функционировало после воздействия следующих усло-
вий окружающей среды: термостатирование при низких темпера-
турах (—60° С); совместное влияние температуры (от —50 до
-^80° С) и высоты (24 км)’, совместное воздействие температуры
и вибрации (с частотой от 5 до 1200 гц и амплитудой ±10 g);
стационарные перегрузки (при ускорении 10 g); ударные нагруз-
ки (при воздействии ускорения 20 g в течение 10 мсек).
Испытания по определению воздействия окружающей среды
на огневую цепь с воспламенением основного заряда обходятся
довольно дорого. В связи с этим при квалификационных испыта-
Предохранительные и пусковые устройства
207
ниях используются запал, детонатор и модельный таблетирован-
ный заряд вместо таблетированного заряда из гексогена с экви-
валентным весом и положением центра массы. Благодаря приме-
нению натурных запала и детонатора наиболее чувствительные
элементы самоликвидатора подвергаются квалификационному
испытанию в полном объеме. Этот метод не влияет на квалифика-
ционные характеристики ППУ и значительно снижает стоимость
реализации программы испытаний.
ИСПЫТАНИЯ ПО ПРОВЕРКЕ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ППУ
При проведении этих испытаний топливные баки (без наддува)
устанавливаются на А-образную опору и между ними помещается
самоликвидатор в том же месте, что и на изделии. Одновременно
с самоликвидатором включается камера скоростной киносъемки.
Затем оцениваются полученные результаты.
Ф и. г. (5.10. Результаты испытаний самоликвидатора.
Топливные баки заполняются окрашенной водой, чтобы сразу
было заметным смешение «горючего» с «окислителем». Баки не над-
дуваются, чтобы создать наименее благоприятные условия работы
самоликвидатора.
Для этих испытаний необходимо два комплекта баков горю-
чего и окислителя. Второе испытание гарантирует получение
требуемых результатов, если в случае погрешностей оборудования
во время первого испытания не удастся зафиксировать на пленку
момент разрушения. Стоимость таких испытаний в основном
определяется затратами времени на монтаж, и проведение повтор-
ного испытания не связано с существенным увеличением расхо-
дов.
На фиг. 6.10 приведены результаты испытаний самоликвида-
тора и наглядно демонстрируется степень разрушения, вызван-
208
Глава 6
ного небольшим (менее 28 г) зарядом бризантного ВВ. Эти резуль-
таты, полученные в отсутствие аэродинамических нагрузок, дают
гарантию в том, что размеры разрушении в полете будут соот-
ветствовать требуемым.
ППУ С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
ТРЕБОВАНИЯ
ППУ системы воспламенения, разработанной фирмой «Тиокол
кемикл», для двигателя баллистической ракеты дальнего действия
«Минитмен»,— один из примеров таких устройств с электромехани-
ческим приводом от двигателя постоянного тока. ППУ было
спроектировано и разработано в соответствии с требованиями
к системе воспламенения РДТТ «Минитмен». К этому устройству
предъявляются следующие основные требования: 1) надежность
действия (99% при 95 %-ном доверительном уровне), обеспечи-
вающая запуск всех трех ступеней ракеты; 2) дистанционный
перевод устройства в пусковое положение; 3) надежный предо-
хранитель механического действия, исключающий случайное
воспламенение заряда, а также обеспечивающий 100%-ную
безопасность для всей системы и технического персонала во
время монтажа и обслуживания.
Дополнительно предусматриваются следующие требования:
1) время хранения от 3 до 5 лет без ухудшения характеристик
по надежности воспламенения; 2) высокая надежность воспла-
менения при воздействии вибрации и перегрузок; 3) взаимозаме-
няемость ППУ на любой из трех ступеней ракеты при обес-
печении соответствия с системой проводки бортового оборудо-
вания, контроля и управления.
ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Основные требования на первой фазе разработки проекта:
1. Возможность дистанционного перевода ППУ в пусковое поло-
жение и наличие надежного предохранителя механического типа
в системе электромеханического привода. 2. Уровень напряжения,
используемый в системах «Минитмен» (18—30 в постоянного тока),
обусловливает применение здесь электродвигателя постоянного
тока с большим крутящим моментом. 3. Для хранения в задан-
ных условиях окружающей среды требуется герметизация ППУ.
Последующая разработка и оценка качества устройства
потребовали пять дополнительных фаз. Во время второй
фазы были установлены функциональные параметры элементов,
выбраны материалы и выпущен предэскизный проект конструк-
ции. На третьей фазе отрабатывалась технология производства
Предохранительные и пусковые устройства
209
и сборки и производились испытания девяти прототипов устрой-
ства. Четвертая фаза включала модификацию конструкции прото-
типа, выпуск чертежей головной серии и требований к укупорке.
Затем изготавливались и всесторонне испытывались 18 ППУ
головной серии. Пятая фаза включала производство достаточного
количества устройств для продолжения опытов по разработке
системы «Минитмен», а также 35 ППУ для квалификационных
испытаний изделий. Во время шестой фазы был определен окон-
чательный вариант конструкции и заключены контракты на
поставку необходимого количества ППУ для систем ракеты
«Минитмен».
ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА
ППУ двигателя «Минитмен» представляет собой электромеха-
ническое приспособление с двумя электрозапалами для воспламе-
нения пиротехнической цепи при запуске ракетного двигателя.
Фиг. 6.11. ППУ системы воспламенения двигателя ракеты
«Минитмен».
1 — крышка; 2 — электродвигатель постоянного тока; 3 — монтажный
фланец; 4 — переключатели; 5 — корпус; 6 — электрозапал; 7 — ротор;
8 — вспомогательный механизм перевода ППУ в пусковое положение
с предохранительной чекой; 9 — сильфонные клапаны для герметизации.
Устройство состоит из следующих основных элементов и узлов
(фиг. 6.11 и 6.12): 1. Крышки из нержавеющей стали с бобышками
для крепления электропроводов и монтажа узлов. 2. Алюми-
ниевого корпуса, имеющего два окна, закрытых мембранами
толщиной 0,13 мм, и предохранительный выключатель. 3. Алю-
миниевого шлицевого роторного вала, на котором монтируется
двигатель, переключатель, кривошипные механизмы и который
1 4—1088
Ф п г. 6.12. Основные элементы ППУ системы воспламене
ния двигателя ракеты «Минитмен».
Фиг. 6.13. Последовательность сборки ППУ системы вос-
пламенения двигателя ракеты «Минитмен».
П редохранительные и пусковые устройства
211
содержит запалы. 4. Плоского двухдискового переключательного
соединения, обеспечивающего раздельное включение двигателя
и огневой цепи. 5. Электродвигателя постоянного тока с большим
крутящим моментом. 6. Корпуса вспомогательного механизма
переключения ППУ в пусковое положение, в котором находятся
сильфонные клапаны, обеспечивающие надежную герметизацию
и поддерживающие внутреннее давление в пределах 1,16 ±
± 0,035 ата. 7. Узла предохранительной чеки для ручной установ-
ки ППУ в предохранительное положение и его надежной механи-
ческой фиксации в заданном положении 8. Двух штепсельных
разъемов с корпусом из нержавеющей стали и стекло-металличе-
ских уплотнений. Один штепсельный разъем имеет семь штырей
и служит для подачи питания на переключатель ППУ; другой
штепсельный разъем с четырьмя штырями находится в электри-
ческой цепи, подающей питание на включатели электрозапалов.
Изделие в сборе показано на фиг. 6.13.
МОНТАЖ И РАБОТА
Ниже описываются монтаж и работа ППУ в бортовой системе
двигателя ракеты «Минитмен». Устройство ввинчивается в днище
двигателя. Металлический сальник служит для обеспечения надеж-
ной герметизации. Окна корпуса с двумя мембранами ориентиро-
ваны в направлении пары аналогичных окон в крышке с пиро-
элементами системы воспламенения. На этой стадии монтажа
предохранительная чека удаляется из механизма переключения
ППУ (устройство не может быть переключено в пусковое
положение, пока не выполнена эта операция). Провода системы
питания механизма силового привода и системы включения огне-
вой цепи, идущие от блока управления и регулирования, соеди-
нены и загерметизированы с соответствующими штепсельными
разъемами ППУ.
При подаче постоянного тока напряжением от 18 до 30 в через
штепсельный разъем цепи силового привода включается двига-
тель постоянного тока (развивающий номинальный выходной
крутящий момент на валу 2160 г-см при напряжении постоянного
тока 18 в), который приводит в движение шлицевой вал ротора,
связанный с кривошипно-пружипным механизмом, имеющим упор-
ный подшипник, для установки и фиксации устройства в пуско-
вом положении. В этом положении электрозапалы, находящиеся
на конце вала, располагаются против окон с мембранами в кор-
пусе. При повороте вала ротора (на 120°) также замыкается элек-
трическая цепь.
При подаче тока (4,5 а) срабатывают электрозапалы. Продукты
сгорания пиротехнической смеси, имеющие высокое давление
14*
212
Глава 6
и температуру, прорывают мембраны в окнах корпуса, преодо-
левают воздушный зазор шириной 1,27 мм и прожигают мембраны
толщиной 0,13 мм в окнах крышки с пироэлементами, вызывая
инициирование огневой цепи системы воспламенения двигателя.
Пиротехническая цепь срабатывает от одного или двух запалов.
ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ
Герметизация устройства и заполнение его газом при повы-
шенном давлении преследуют двоякую цель. Во-первых, благо-
даря заполнению ППУ смесью 98% сухого азота и 2% гелия
при давлении 1,16 + 0,035 ата обеспечивается антикоррозийная
атмосфера для серебряных элементов переключателей и позоло-
ченных клемм. Во-вторых, поддержание внутри ППУ условий,
соответствующих условиям на уровне моря, уменьшает опасность
повреждения электрической цепи на максимальных высотах при
включении двигателей второй и третьей ступеней.
Электрические штепсельные разъемы и сильфонные клапаны
герметизируются в крышке с помощью стандартных кольцевых
прокладок. Эти соединения имеют покрытие из эпоксидной смолы.
Герметичность уплотнительных узлов проверяется в процессе
изготовления каждого изделия путем проведения испытаний при
давлении 70 ат. Такие испытания дают гарантию, что при уста-
новке ППУ в ракетном двигателе не произойдет нарушения задан-
ного уровня давления в камере сгорания, что обеспечит требуе-
мые характеристики работы сопла и скорость горения заряда.
Прочностные характеристики ППУ таковы, что воспламенение
обеспечивается при уровне перегрузок до 15 g и установившихся
случайных вибрациях с частотой 5—2000 гц, среднеквадратичной
амплитудой синусоидальных колебаний до 5 g и дисперсией
0,2
РАБОТА ППУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПЕРЕГРУЗОК
ТРЕБОВАНИЯ
Общим требованием для воспламенителей ракетных двигате-
лей твердого топлива маршевой ступени является включение
ППУ под действием перегрузок. Маршевые ступени особенно
чувствительны к увеличению веса; поэтому имеющийся бортовой
источник электропитания обычно недостаточен для приведения
в действие электродвигателя электромеханического ППУ. Рас-
полагаемая электрическая мощность обычно обеспечивает лишь
срабатывание электрозапалов. Кроме того, запуск двигателя
маршевой ступени, как правило, происходит на значительном
расстоянии от места старта. В случае если стартовая ступень
не развила достаточной тяги в течение требуемого времени или
Ф п г. 6.14. ППУ инерционного типа с электрическим инициированием огневой цепи.
7 — штепсельный разъем; 2 — масса'. 3 — рычаг-фиксатор с роликом на конце; 4 — электрозапал; 5 — мем-
брана; 6 — таблетированная смесь; 7 — блокирующий ротор; 8 — пружина; 9 — скручивающая пружина;
10 — переключатель; 11 — шестерня; 12— зубчатая рейка, 13 — тормозной регулятор.
214
Глава 6
не удалось достигнуть заданного уровня перегрузки, ППУ воз-
вращается в предохранительное положение. Следовательно, требо-
вания к ППУ определяются в зависимости от уровня перегрузки,
вызывающей перевод ППУ в пусковое положение, и затрат элек-
троэнергии на инициирование огневой цепи. Таким образом,
перевод ППУ в пусковое положение осуществляется под дейст-
вием перегрузок на разгонном участке траектории.
ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Отмеченные выше требования могут быть выполнены путем
применения в ППУ системы из пружин и инерционных масс,
соответствующих заданным уровням перегрузки и периодам
задержки. Для определения расстояния
удаления от места старта необходимо
дважды проинтегрировать ускорение.
Масса подбирается таким образом,
чтобы удерживать в предохранительном
положении поджатый пружиной ротор
и освободить его только в момент за-
вершения всего цикла перехода в пу-
сковое положение.
Схема расположения пиротехниче-
ских элементов аналогична схеме А
на фиг. 6.1.
Фиг. 6.15. Общий вид ППУ инерционного
типа (диаметром 32 мм).
Движение системы масса — пружина и поворот ротора могут
также использоваться для привода переключателей, контролиру-
ющих положение ППУ и подающих пусковой ток на электрозапалы.
На фиг. 6.14 и 6.15 изображен конструктивный вариант ППУ
инерционного типа. Основные элементы ППУ показаны на фиг. 6.14.
К ним относятся: 1) ротор, поджатый пружиной; 2) система
масса — пружина, реагирующая на перегрузки; 3) тормозной
регулятор между массой и неподвижными элементами ППУ;
4) блокирующий ротор с окном, закрытым мембраной. Ротор зафик-
сирован в предохранительном положении при помощи рычага
с роликом на конце, непосредственно соединенного с ротором,
причем ролик входит в прорезь массы.
Движение массы происходит за счет перегрузки, преодолеваю-
щей усилие пружины, а ее замедление обеспечивается регуля-
П ре дох рачительные и пусковые устройства
215
тором. В конце хода массы ролик рычага выходит из щели, позво-
ляя ротору, нагруженному пружиной скручивающего действия,
перейти из предохранительного в пусковое положение.
Движение ротора вызывает изменение положения переключа-
теля, размыкание ранее накоротко замкнутых проводов электро-
запала и подключение этих проводов к электрической цепи. При
подаче пускового тока на электрозапалы происходит иницииро-
вание огневой цепи. Продукты сгорания электрозапала прожигают
мембрану ротора и воспламеняют таблетированную пиротехни-
ческую смесь в корзиночном корпусе воспламенителя.
В том случае, когда тяга двигателя стартовой ступени ракеты
оказывается недостаточной для перемещения массы на полную
длину хода, с уменьшением перегрузки пружина возвращает
массу в исходное положение и ППУ опять оказывается в предо-
хранительном состоянии. Это действие обеспечивается выбором
соответствующих параметров системы масса — пружина.
7
СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ
ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ
Финочио Д., мл. (Dan F. Finochio)
Порядок расположения материала в данной главе был выбран
в предположении, что большинство читателей интересуют сле-
дующие вопросы: что такое взрывающиеся проволочные мостики
(ВПМ), каковы их преимущества по сравнению с обычными
системами инициирования и как они применяются? Вопрос о том,
какие явления происходят при взрыве проволочек, отступает
на второй план. По этой причине раздел «Теория взрыва про-
волочек» помещен в конце главы. Прежде чем читатель присту-
пит к этому разделу, он сможет на основе практических сообра-
жений установить целесообразность использования ВПМ для
интересующей его системы. Затем у него, возможно, появится
желание ознакомиться хотя бы с одной прием.чемой теорией
и выяснить, что же действительно происходит при взрыве про-
волочек.
Явление взрыва проволочных мостиков известно давно. Оно
исследовалось уже в 1774 г., когда Нэрн использовал взрывающиеся
проволочки для доказательства одинакового значения силы тока
во всех элементах последовательной цепи.
Явление взрыва тонких проволочек под действием электри-
ческого тока стало представлять практический интерес начиная
с 1920 г. когда Андерсон [1] показал, что температуры, возни-
кающие в данном процессе, приближаются к температурам
Солнца.
Приблизительно с 1945 г. исследование явления взрыва про-
волочек приобрело значительный размах благодаря установлен-
ным преимуществам высокой скорости развития процесса взрыва
и расширению области применения взрывающихся проволочек:
в генераторах ударных волн, источниках света и инициаторах
для зарядов ВВ. В последнем случае энергия, высвобождающаяся
при взрыве мостика, непосредственно вызывает детонацию мало-
чувствительного основного заряда ВВ без использования иници-
ирующих ВВ, обладающих высокой чувствительностью. К настоя-
щему времени опубликован ряд отчетов по исследованию взры-
вающихся проволочек [2].
Системы с взрывающимися проволочными мостиками
217
ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМСЯ
ПРОВОЛОЧНЫМ мостиком
Эта система содержит взрывающийся элемент, который ини-
циируется мощным электрическим импульсом (напряжением
до 2500 в) с заданной амплитудой и временем нарастания. При
взрыве проволочного мостика происходит детонация заряда ВВ.
Система с ВПМ в целом представляет собой комплекс электрон-
ных и взрывных элементов и состоит из трех отдельных, но взаимо-
связанных компонентов: электровзрывного устройства, электро-
кабеля и блока питания (фиг. 7.1). Электровзрывное устройство'
3
Ф и г. 7.1. Схема устройства с взрывающимся проволочным мостиком.
1 — электровзрывное устройство; 2 — электрокабель; з — блок питания.
является концевым элементом системы с ВПМ и может применять-
ся в воспламенителях, детонаторах, газогенераторах, пиропатро-
нах, пировыключателях, пироклапанах, пирорезаках, пиро-
толкателях, поршневых приводах и др. Блок питания является
входным элементом системы с ВПМ и обеспечивает подачу кратко-
временного импульса энергии (1,69 дж) высокого напряжения,
требуемой для надежного срабатывания электровзрывного устрой-
ства. Электрокабель связывает оба элемента в единую систему
и служит для передачи электрической энергии от блока питания
к взрывающемуся проволочному мостику. Ниже будет рассмотрен
в отдельности каждый из трех элементов системы ВПМ.
ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЕ УСТРОЙСТВО
Электровзрывное устройство обеспечивает быстрое выделение
мощного импульса энергии (в виде тепла, фронта пламени, дав-
ления или ударной волны), который нельзя получить с помощью
эквивалентных по размерам механических или электрических
систем. Электровзрывные устройства применяются на ракетах
или космических аппаратах для выполнения по команде опреде-
ленных химических и механических функций как в земных, так
и космических условиях. В качестве примеров могут служить
218
Глава 7
системы зажигания ракетных двигателей, газогенераторы, систе-
мы разделения ступеней ракет, отсечки тяги, регулирования
подачи топлива в двигатель, удаления обтекателей, раскрытия
панелей солнечных батарей и т. д.
Основные преимущества ВПМ.
1. Максимальная плотность энергии (наибольшее выделение
энергии в единице объема) по сравнению с другими (неядерными)
источниками.
2. Практически мгновенное выделение энергии.
3. Надежная воспроизводимость характеристик.
4. Разнообразие форм выделяемой энергии — тепло, давле-
ние, пламя и свет.
При рациональном использовании взрывающихся проволоч-
ных мостиков обеспечивается очень высокий коэффициент усиле-
ния мощности (отношение выходной мощности к входной). Кроме
того, при хранении в течение многих лет они сохраняют постоян-
ную готовность к действию.
Электровзрывное устройство с замкнутой цепью содержит
следующие элементы:
1. Проволочный мостик низкого сопротивления (менее 1 ом),
приваренный или припаянный к концевым электродам, которые
изолированы друг от друга и от корпуса с помощью керамиче-
ских или других диэлектрических материалов.
2. Малочувствительный к внешним воздействиям заряд ВВ
или пиротехнический состав, запрессованный около проволочного
мостика (давление прессования составляет несколько сот атмосфер).
В последнее время проводились работы по созданию систем
с ВПМ, электровзрывные устройства которых имеют разомкнутую
цепь. В связи с отсутствием достаточного количества данных
по характеристикам конструкций этого типа и их надежности
здесь будут приведены только две характерные схемы с разомк-
нутой цепью (фиг. 7.2—7.4).
ЭЛЕКТРОКАБЕЛЬ
Назначение электрокабеля — передача энергии высоковольт-
ного разряда конденсатора от блока питания к взрывающемуся
проволочному мостику (в электровзрывном устройстве) за доли
микросекунды. Начальная сила тока I, проходящего по электро-
кабелю, ограничена величиной, приблизительно равной входному
напряжению Е, деленному на характеристический импеданс
Z0(I = EIZq). Начиная от этого уровня, сила тока приближается
к значению, вычисляемому по закону Ома для постоянно-
го тока, возрастая по ступенчатой зависимости с интервалом
между ступенями, равным удвоенному времени передачи импуль-
Фиг. 7.2. Детонатор коаксиального типа с ВПМ.
1 — керамическая облицовка; 2 — электрод; з — керамический стер-
жень; 4 —искровой промежуток; 5 — проволочный мостик; в — дето-
нирующая смесь; 7 — электрод; 8 — металлическое покрытие.
Ф и г. 7.3. Детонатор с двумя электродами и ВПМ.
1 — корпус; 2 — заряд тетранитрата пентаэритрита; 3 — гильза;
4 — уплотнение.
а « электрод; б — схема узла с искровым про-
межутком.
220
Глава 7
са по кабелю. Если нагрузка имеет фиксированное сопротивление,
равное по величине характеристическому импедансу кабеля,
то сразу же по достижении фронтом импульса нагрузки устанав-
ливаются условия постоянного тока. В этом случае осуществляет-
ся наиболее эффективная передача энергии от источника к на-
грузке. Импеданс типичных стандартных коаксиальных кабелей,
50 ож, слишком велик для оптимальной передачи энергии в уст-
ройствах с взрывающимися проволочными мостиками существую-
щих типов. Однако кабели с этим импедансом могут применяться
в коротких электрических линиях (приблизительно 1,2 м), обычно
используемых в сочетании с блоками питания, имеющими один
выход. Для более длинных линий или для обеспечения оптималь-
ных условий передачи энергии в настоящее время применяются
плоские кабели или другие коаксиальные кабели с малым импе-
дансом (23,3 ом/м). В связи с этим проблема передачи энергии
сводится к отысканию наилучшего компромиссного решения при
выборе кабеля, который должен соответствовать характеристикам
блока питания и переменному сопротивлению проволочного
мостика. Хотя невозможно непосредственно применить обычные
принципы выбора импеданса, передача энергии будет наиболее
эффективной, если поддерживать сопротивления элементов блока
питания и кабельной системы достаточно низкими по сравнению
с нагрузкой и свести к минимуму паразитную индуктивность,
которая ограничивает скорость нарастания импульса тока.
ПУСКОВОЙ БЛОК ПИТАНИЯ
Типичный блок питания передает энергию 1,69 дж к нагрузоч-
ному сопротивлению менее 1 ом за время менее 1 мксек. Это устрой-
ство запускает конденсаторную зарядно-разрядную цепь.
На фиг. 7.5 и 7.6 приведены схемы типичных блоков питания
с одним и несколькими выходами соответственно. Типичный блок
питания системы с ВПМ выполняет следующие операции:
1. Входной пусковой постоянный ток от бортового источника
энергии ракеты или космического аппарата преобразуется в пере-
менный ток. 2. Напряжение переменного тока увеличивается
до 2600 в с помощью цепи повышающего трансформатора. 3. Пере-
менный ток преобразуется в постоянный напряжением 2600 в
для зарядки конденсатора. 4. Заряд конденсатора разряжается
через искровой разрядник с помощью независимой запускающей
схемы, которая обеспечивает быстрое повышение напряжения
до уровня, превышающего напряжение запирания искрового
разрядника.
Конечно, блок питания должен быть спроектирован таким
образом, чтобы к нему можно было подвести постоянный или
I I
I_____________J
Ф и r. 7.5. Схема блока питания с одним выходом.
Примечание. Вспомогательное нагрузочное сопротивление для снятия заряда (при выключении) и для контроля
устройства. к - ,
222
Глава 7
переменный ток почти от любого источника, с тем чтобы обеспе-
чить накопление энергии и запуск разрядных цепей конденсатора.
Это делает систему хорошо приспосабливаемой к различным назем-
ным и летным условиям ее применения.
Пусковой
сигнал
1
Пусковой
сигнал
Блок триггера
Блок триггера
Пусковой
сигнал
Ш
Пусковой
сигнал
7
Блок триггера
Блок триггера
IV
Пусковой
сигнал
v
Пусковой
сигнал
Блок триггера
Блок триггера
Блок триггера
VI
Пусковой
сигнал
V1J
Питание
Общий
вход
Преобразователь
входного
постоянного тока
низкого напряжения
6 постоянный ток
высокого
напряжения
R1
R2
-K-Wv
Искровой входные
разрядник Разгемы
14
15
R7
Отсечка
тяги
Газогенератор
второй ступени
Отделение
первой ступени
Воспламенение
в двигателе
второй ступени
Отделение
второй ступени
Воспламенение
в двигателе
первой ступени
Газогенератор
первой ступени
11
*112
R4
R5
RG
Контроль
высокого
напряжения
Ф л г. 7.6. Схема блока питания с несколькими выходами.
Блок питания должен выполнять многие дополнительные
функции. Например, цепи могут обеспечивать контроль заряд-
ного тока, высоковольтного напряжения на клеммах конденсато-
ров, пускового сигнала, отсутствия повреждений в цепи всей
системы.
Для снятия заряда с конденсаторов при выключении вход-
ного питания используются цепи вспомогательного нагрузочного
сопротивления. В некоторых конструкциях блока питания пре-
дусмотрен прием закодированного входного сигнала зарядки кон-
денсаторов или запуска разрядной цепи конденсатора с заданной
Системы с взрывающимися проволочными мостиками
223
частотой, амплитудой и временем действия. Это предотвращает
случайный запуск искровых разрядников от постороннего источ-
ника энергии.
Важно отметить, что блок питания не является устройством
одноразового действия. В отличие от обычных предохранитель-
ных и пусковых систем он может приводиться в готовность и сра-
батывать несколько сот раз без отказов, что делает его весьма
полезным устройством на всех этапах разработки, хранения,
контроля, испытания, транспортировки и практического исполь-
зования в завершающей стадии.
ТИПЫ СИСТЕМ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ
ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ
Существуют два основных типа систем с ВПМ. К первому типу
относится блокированная система, в которой миниатюрный блок
питания с одним выходом расположен рядом с электровзрывным
устройством и связан с ним очень короткими кабелями. Эта систе-
ма позволяет свести к минимуму потери энергии на передачу
по кабелю. Кроме того, короткие кабели проще экранировать,
чем длинные. Поэтому в системах с ВПМ, где требуется гибкость
проектных параметров, а весовые соображения не являются
определяющими, наиболее желательна блокированная система
с ВПМ.
Ко второму типу относится центральная система с ВПМ.
В системе этого типа один центральный блок питания связан
линиями передачи с несколькими электровзрывными устрой-
ствами, расположенными в определенных точках боевой ракеты
или космического аппарата. Так, например, сигналы от одного
центрального пускового устройства могут направляться к систе-
мам воспламенения двигателя и газогенератора, системам разделе-
ния ступеней, отсечки тяги и другим элементам, которые вклю-
чаются в заданной последовательности. При использовании
центральной системы труднее подобрать импеданс ее элементов,
чем в случае блокированной системы. Однако если определяющим
фактором является вес, то один центральный блок питания может
обеспечить функционирование большого количества ВПМ при
меньшем весе и занимаемом объеме, чем несколько индивидуаль-
ных блокированных систем.
Существует много различных комбинаций двух рассмотренных
основных систем в зависимости от требований к системе в целом.
Например, если требуется сочетание гибкости блокированной
системы с обеспечением гарантированного запаса мощности,
свойственным для центральной системы, то миниатюрные блоки
питания с двойным выходом, расположенные в непосредственной
224
Глава 7
близости к электровзрывным устройствам, с которыми они связа-
ны кабелем, могут заменить блоки с одним выходом. Гарантиро-
ванный запас мощности центральной системы обеспечивается
путем: 1) увеличения размеров конденсатора и блокирования
конденсаторов или 2) оптимизации параметров цепи конденсатора
для обеспечения одновременного срабатывания двух и более
электровзрывных устройств.
Разрядные цепи конденсаторов в блоках питания с несколь-
кими выходами отделены и полностью изолированы друг от друга.
Поэтому короткое замыкание или обрыв цепи одного выхода
не оказывает влияние на работу других выходов. Ниже перечис-
лены несколько существующих систем блоков питания, представ-
ляющих некоторые вариации двух основных типов:
1. Независимый блок питания с одним выходом на каждый
электровзрывной механизм.
। 2. Блоки питания с несколькими выходами соответственно
количеству нагрузок.
3. Центральный блок с одним источником питания высокого
напряжения и многими пусковыми выходами; возможны вариан-
ты с одним или несколькими циклами разрядов конденсаторов.
4. Блоки питания с несколькими выходами, с источником пита-
ния высокого напряжения и конденсаторами с несколькими цик-
лами разрядов для последовательного подключения к нагрузкам.
5. Центральный низковольтный источник переменного тока,
обеспечивающий подачу тока к блокам питания с одним выходом.
Для осуществления правильного выбора системы с ВПМ мини-
мального веса с оптимальными характеристиками необходимо
иметь полное представление о ее назначении, последовательности
срабатывания во времени, длине кабелей и линий, размерах
космического аппарата и т. д. На основе этих данных составляет-
ся весовая сводка, с помощью которой осуществляется окончатель-
ный выбор оптимальной системы.
СРАВНЕНИЕ ВПМ С НИЗКОВОЛЬТНЫМИ СИСТЕМАМИ
При использовании систем с ВПМ в ракетной технике вместо
обычных низковольтных систем выявляются определенные пре-
имущества. Наиболее характерными являются: 1) большая без-
опасность; 2) повышенная скорость срабатывания и возможность
одновременного выполнения ряда функций; 3) более высокая
надежность.
СРАВНЕНИЕ ПО БЕЗОПАСНОСТИ
В обычных системах, которые считаются надежными, исполь-
зуются чувствительные к нагреву инициирующие ВВ, такие,
Системы с взрывающимися проволочными мостиками
225
как свинцовая соль стифниновой кислоты, азид свинца, диазоди-
нитрофенол и другие, контактирующие с проволочными мостиками
высокого сопротивления. При подведении слаботочного импульса
(малого напряжения) к такому проволочному мостику последний
нагревается и инициирует чувствительный к нагреву заряд ВВ.
Проволочный мостик в такой системе может оказаться недо-
статочно нагретым, чтобы произошло его разрушение, и часто
остается невредимым, если только но разрушается под действием
последующей детонации заряда ВВ. Если низкоамплитудный
импульс блуждающего тока способен инициировать заряд ВВ без
разрушения мостика, то возможны катастрофические послед-
ствия, так как при любой последующей проверке отсутствия
обрыва в цепи замкнутый мостик будет давать показания об от-
сутствии обрывов после включения системы, хотя в действитель-
ности система уже сработала. Эта возможность становится угро-
жающей, если учесть, что низковольтные системы всегда подвер-
жены случайному инициированию блуждающими токами малой
амплитуды, часто имеющими место в боевых ракетах и космиче-
ских аппаратах. Во избежание случайного включения при воздей-
ствии таких низкоамплитудных импульсов часто приходится
применять дополнительные блокирующие устройства с разры-
вом цепи, что увеличивает вес, стоимость и усложняет систему
в целом. Кроме того, чувствительные к нагреву заряды инициирую-
щего ВВ, используемые в низковольтных системах, чувствитель-
ны также и к механическим воздействиям, которые могут вызвать
их детонацию, вследствие чего обращение с ними в лаборатор-
ных, полевых условиях и на стартовой позиции становится опас-
ным.
В высоковольтной системе с ВПМ используется та же самая
конструкция взрывного устройства, но с другими характеристи-
ками проволочного мостика и типами взрывчатых веществ.
В высоковольтной системе с ВПМ проволочный мостик имеет
сравнительно низкое сопротивление (менее 1 ом). Вместо чув-
ствительных к теплу и механическим нагрузкам зарядов иници-
ирующего ВВ в данном случае применяются относительно нечув-
ствительные бризантные ВВ типа тетранитрата пентаэритрита
(тэн), циклотетраметилентетранитрамина (октоген), циклотриме-
тилентринитрамина (гексоген) и некоторых нечувствительных
пиротехнических воспламенительных смесей, которые находятся
в непосредственном контакте с проволочным мостиком. Эти ВВ
не могут быть случайно инициированы при воздействии механиче-
ских нагрузок, блуждающих токов, низкоамплитудных импуль-
сов. Обычно для взрыва проволочки требуется импульсная подача
высоковольтной энергии (1,69 дж), соответствующая разряду
2600 в конденсатора емкостью 0,5 мкф (за время менее 1 мксек).
15—1088
226
Глава 7
Совместное воздействие тепловой энергии, ударной волны и дав-
ления газов, образующихся при взрыве проволочки, вызывает
непосредственное инициирование находящегося в контакте с про-
волочным мостиком ВВ, не чувствительного к обычным воздей-
ствиям при сборке, транспортировке системы с ВПМ и т. д.
и применяемого обычно в качестве основного заряда в боепри-
пасах. Использование тока высокого напряжения для иницииро-
вания повышает безопасность системы в обращении и исключает
потребность в дополнительных блокирующих элементах с разры-
вом цепи, а также в пусковых и предохранительных устройствах.
Не допускается случайное включение разработанных систем
с ВПМ при воздействии: 1) переменного тока напряжением 250 в
(частотой 60—400 гц) в течение одной минуты от источника
с импедансом 0,5 ом; 2) постоянного тока напряжением 500 в
от конденсатора емкостью 1 мкф; 3) тока напряжением 20 000 в
от конденсатора емкостью 500 Пф.
После прохождения всех трех испытаний система должна
нормально функционировать при подаче из блока питания сигна-
ла напряжением 2600 в при емкости 0,5 мкф.
Чтобы оценить безопасность систем с ВПМ, можно рассмотреть
соотношения для энергии.
Энергия, требуемая для срабатывания системы с ВПМ, равна
W = 4~CV2,
где С—емкость, ф\ V—напряжение, в.
Принимая
С = 0,5-10"6ф
и
7=2600 в,
получим
W = <9’5ДАО~6) (2600)2 = 1,69 дж = 1,69 • 107 эрг.
Требуемый уровень энергии для срабатывания обычных систем
равен
T7=/2/?i,
где 1 — сила тока, a; R — сопротивление, ом; t — время, сек.
Если Z = la, R = 0,5 см, t = 2-10-3 сек, то
W = (I)2-5-2 • 10"3 = 0,01 дж= 105арг.
Системы с взрывающимися проволочными мостиками 227
1,69 10б ^з38000
5
условиях, где возмо-
К взрывающемуся проволочному мостику энергия подводится
в течение 10~6 сек, и поэтому подводимая мощность равна
1,69-106 дж/сек.
В описанных выше обычных системах подводимая мощность равна
I2R ~ (I)2 • 5 — 5 вт — 5 дж!сек.
Отношение
Потребная мощность для ВПМ _
Потребная мощность для обычной системы
Таким образом, при использовании ВПМ в
жен случайный подвод электромагнитной энергии, коэффициент
безопасности в 338 000 раз выше, чем для обычной системы.
Система с ВПМ также безопасна при воздействии радиочас-
тотных сигналов, хотя этот факт еще не стал общепризнанным,
однако (это, в частности, известно проектировщикам электро-
систем) следует учитывать возможность радиочастотных наводок
под влиянием силовых линий передач. Во избежание случайных
включений систем с ВПМ вследствие воздействия радиочастот-
ных сигналов или подвода к устройству постоянного, а также
низкочастотного переменного тока используются закодированные -
по частоте предохранительные устройства. В таких системах
сигнал переменного тока заданного напряжения, частоты и про-
должительности действия может быть наложен на пусковой
сигнал постоянного тока в форме кодированного входного импуль-
са. В этом случае в цепь блока питания включается дешифратор,
и разряд конденсатора происходит только при получении соот-
ветствующего кодированного сигнала в цепи триггер —искро-
вой разрядник.
СРАВНЕНИЕ ПО СКОРОСТИ И ОДНОВРЕМЕННОСТИ
СРАБАТЫВАНИЯ
Для электрического инициирования детонации в типичной
низковольтной системе прежде всего необходимо повысить тем-
пературу мостика до уровня, достаточного для активации чув-
ствительного к тепловому воздействию ВВ, находящегося в кон-
такте с мостиком. В лучшем случае это занимает несколько сот
микросекунд, а полное время срабатывания электровзрывного
устройства обычно занимает несколько миллисекунд. При низких
начальных температурах (например, —75° С) инициирование
и полное срабатывание системы значительно замедляются вслед-
15*
228
Глава 7
ствие дополнительных затрат времени на прогревание мостика
от отрицательной температуры до нормальной.
В устройствах с ВПМ температура мостика повышается до
5000° К и более за несколько наносекунд. Взрыв мостика проис-
ходит менее чем за 1 мксек, а полное время срабатывания элек-
тровзрывного устройства составляет несколько микросекунд с от-
клонением по времени срабатывания (при одновременном подво-
де мощности к нескольким нагрузкам) порядка сотых долей
микросекунды.
СРАВНЕНИЕ ПО НАДЕЖНОСТИ
Польза цифровых данных по надежности элементов или систе-
мы в целом определяется их достоверностью. Типичные требования
к надежности могут составлять 0.9995 при доверительном уров-
не 90%. Это означает, что при испытании 2300 изделий не должно
быть ни одного отказа. При таком требовании к надежности
проектирование элемента или системы должно выполняться
самым тщательным образом. Как же определить, что элемент
или система имеют в действительности надежность 0,9995 при
90 %-ном доверительном уровне, а не 0,9 при том же доверитель-
ном уровне или даже 0,75 при 70%-ном доверительном уровне?
Для этого проводятся дорогостоящие испытания на надежность.
Так, например, обычные низковольтные системы часто имеют
надежность до 0,9995 при доверительном уровне 90% или выше.
Однако для обеспечения такой надежности потребовалось нала-
живание производства и испытание тысяч изделий в течей не
нескольких лет.
Аналогично данным для обычных низковольтных систем накоп-
лено большое количество материалов по надежности систем с ВПМ.
К сожалению, эти материалы не публикуются в открытой печати.
Следует отметить, однако, что потенциально системы с ВПМ
могут иметь более высокую надежность, чем низковольтные
системы. Это подтверждается рассмотрением энергетических
характеристик тока, поступающего в электровзрывное устройство.
Для типичной низковольтной системы установлены следующие
предельные характеристики по силе тока:
0,2 а —отказ,
0,3 а — пороговое значение,
0,5 а—100%-ное срабатывание.
Пороговый уровень (т. е. минимальная сила тока, при которой
устройство может сработать) составляет приблизительно 0,3 а.
Следовательно, сила тока (0,5 а), гарантирующая срабатывание
устройства, соответствует коэффициенту запаса мощности 66%,
Системы с взрывающимися проволочными мостиками
229
т. е. сила тока на 66% больше, чем необходимо для срабатывания
системы.
Для типичной системы с ВПМ установлены следующие пре-
дельные характеристики по напряжению тока:
500 в—отказ,
1300 в — пороговое значение,
2600 в—100%-ное срабатывание.
Пороговый уровень напряжения для данной системы с ВПМ
составляет 1300 в. Таким образом, гарантированное напряжение
срабатывания системы с ВПМ имеет 100?о-ный коэффициент
запаса мощности по отношению к пороговому уровню в отличие
от 66%-ного запаса для типичных низковольтных систем, рас-
смотренных выше.
При оценке надежности необходимо принимать во внимание
как вероятность случайного срабатывания системы, так и вероят-
ность отказа после получения команды на пуск. Рассмотрим
безопасность указанных двух систем с точки зрения вероятности
случайного срабатывания.
Для рассмотренной выше типичной низковольтной системы
пороговая сила тока составляет 0,3 а, что соответствует лишь
50%-пому коэффициенту безопасности между силой тока, соот-
ветствующей 100%-ному отказу, и минимальной силой тока, при
которой возможно срабатывание устройства.
Пороговый уровень 1300 в для системы с ВПМ обеспечивает
160%-ный коэффициент безопасности между напряжением 100%-
ного отказа и минимальным напряжением, при котором возможно
срабатывание устройства.
Рассмотренные выше значения коэффициентов запаса мощно-
сти и безопасности свидетельствуют о существенно более высокой
потенциальной надежности систем с ВПМ, поскольку более
высокое значение коэффициентов в обоих случаях приводит:
1) к уменьшению возможности подачи в электровзрывное устрой-
ство недопустимо низкого уровня энергии по команде на сраба-
тывание; 2) к уменьшению возможности случайного включения
системы при воздействии механических нагрузок или импульсов
блуждающего тока низкой амплитуды.
ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМАМ С ВПМ
(ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ) 13]
Для обеспечения взрыва проволочного мостика должны быть
выполнены основные требования в отношении источника энергии,
накопления, высвобождения и передачи энергии. В идеальном
случае эти требования, по-видимому, легко выполнимы. Однако
230
Глава 7
необходимость обеспечения очень большой силы тока от высоко-
вольтного источника при скорости ее нарастания порядка
109 а!сек требует тщательного рассмотрения характеристик функ-
ционирования каждого элемента.
В некоторых случаях можно объединить источник энергии
и устройство для ее накопления подобно термоэлектрическим
батареям. Будучи полезным для ряда конкретных применений,
этот метод имеет недостатки (недостаточная проектная гибкость,
одноразовость действия и большая величина отношения веса
к вырабатываемой мощности), препятствующие широкому исполь-
зованию подобных систем для питания многофункциональных
устройств с ВПМ.
ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
С помощью обычных источников питания, предназначенных
для других электротехнических или электронных устройств,
не удается получить энергию высокого напряжения, удовлетво-
ряющую заданным требованиям. В связи с этим в систему с ВПМ
обычно вводится высоковольтный генератор с питанием от низко-
вольтных источников постоянного или переменного тока.
НАКОПЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ
Самым практичным методом накопления энергии считается
применение конденсаторной цепи. Этот метод имеет следующие
преимущества: 1) использование источника с низким импедансом
в соответствии с требованиями обеспечения взрыва проволочного
мостика; 2) относительно длительное время пребывания в заря-
женном состоянии в сочетании с требованием лишь очень малой
силы тока для компенсации потерь; 3) возможность проведения
повторных циклов при последовательном включении ряда нагру-
зок и повторных испытаниях системы; 4) относительно малый
вес и требуемый объем.
Были рассмотрены и другие методы накопления энергии.
Для этого можно использовать индуктивную цепь. В этом случае
накопленная энергия (1/2L/2) требует непрерывного восполнения
подачей тока, сила которого в практических случаях должна
достигать нескольких ампер. Для уменьшения потерь силы тока
требуется резкое увеличение индуктивности, что может привести
к увеличению веса и объема устройства. Можно также применять
конденсаторы, которые заряжаются при параллельном включе-
нии в цепи с низким напряжением и разряжаются при последо-
вательном включении. Однако этот метод приводит к существен-
ному усложнению системы.
Системы с взрывающимися проволочными мостиками
231
ВЫСВОБОЖДЕНИЕ ЭНЕРГИИ
Разряд конденсатора на проволочный мостик (в некоторых
случаях через соединительный кабель) является сложным про-
цессом переключения, требующим 1) поддержания высокого
напряжения; 2) отсутствия утечек (с точки зрения пробле-
мы изоляции выходов мощности); 3) силы тока по крайней
мере 2000 а; 4) осуществления процесса переключения за доли
микросекунды; 5) малого разброса параметров при переклю-
чении.
Желательной характеристикой является способность к мно-
гократному переключению в процессе испытания. На основе
анализа и предшествующего опыта было установлено, что для
выполнения данной функции лучше всего подходят управляемые
искровые разрядники. Эти устройства удовлетворяют всем выше-
указанным требованиям, имеют малые размеры и не подвержены
влиянию сильных вибраций и ударных нагрузок. Для некоторых
целей были успешно использованы высоковольтные электронные
трубки с холодным катодом, рассчитанные на большую силу тока.
ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ
В системах с ВПМ энергия разряда конденсатора, как правило,
не передается непосредственно к проволочному мостику, поэто-
му необходимо использовать линию передачи.
Максимальная энергия, которую можно передать, и мощность,
подводимая к проволочному мостику, зависят от параметров
линии передачи. К этим параметрам относятся: 1) характеристи-
ческий импеданс; 2) длина линии; 3) скорость распространения;
4) конечная нагрузка и разрывы цепи.
Характеристический импеданс любой используемой линии
передачи определяется распределением электрических парамет-
ров R, L, С и G. Для повышения к. п. д. желательно, чтобы
удовлетворялась теорема о максимальной передаваемой энергии
с обеспечением согласования импедансов линии и конечной
нагрузки. Однако импеданс источника приближенно определяет-
ся генератором постоянного напряжения с очень низким внутрен-
ним импедансом. Импеданс нагрузки меняется по величине и вна-
чале соответствует низкому сопротивлению порядка миллиом,
а затем к моменту взрыва проволочки возрастает до величины
10—15 ом. Следовательно, нельзя обеспечить согласование импе-
дансов элементов системы и требуется компромиссное решение.
С помощью теории линий передач, подтвержденной эксперимен-
тальными данными, было установлено, что лучше всего осуществ-
лять передачу энергии, обеспечив согласование импеданса линии
232
Глава 7
передачи с импедансом проволочного мостика непосредственно
перед моментом взрыва, т. е. использовать линию с сопротивле-
нием 7—10 ом. (Интересно отметить следующее явление: на прак-
тике наблюдается некоторое увеличение импедансов типичного
искрового разрядника, использованного в качестве переключате-
ля, и взрывающегося проволочного мостика, улучшающее согла-
сование с высоким импедансом линии передач.)
В тех случаях, когда импедансы нагрузок не согласуются
с импедансом линии, передача тока подчиняется хорошо извест-
ным правилам и зависит от отражений сигнала у нагрузки.
При наличии этих отражений сила тока в проволочном мостике
возрастает по ступенчатой зависимости. На первой ступени
сила тока в линии приблизительно равна входному напря-
жению, деленному на характеристический импеданс линии.
Продолжительность каждой ступени равна удвоенному времени
передачи сигнала по кабелю, определяемому скоростью его рас-
пространения.
Учитывая, что требуемая скорость нарастания силы тока
в проволочном мостике имеет порядок 109 а!сек, можно показать,
что 1) импеданс кабеля должен быть достаточно низким, чтобы
обеспечить максимальное нарастание силы тока на каждой
ступени, 2) время передачи сигнала по кабелю должно быть по
возможности минимальным, чтобы обеспечить требуемую скорость
возрастания силы тока в проволочном мостике.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ
ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ
Системы с ВПМ могут применяться всюду, где используются
обычные системы запуска, так как достаточно лишь заменить
обычное пусковое и предохранительное устройство на систему
с ВПМ. Обе системы могут работать, по существу, от одинаковых
источников энергии, обычно источников постоянного тока напря-
жением 28 в, находящихся на борту ракеты или космического
аппарата.
В связи с этим возникает вопрос, почему в некоторых случаях
предпочтительней использовать системы с ВПМ? Чтобы ответить
на этот вопрос, необходимо рассмотреть космический летательный
аппарат с учетом требований, предъявляемых к сложному много-
позиционному одновременному или последовательному функцио-
нированию систем. С помощью взрывающихся проволочек можно
обеспечить скорость срабатывания и синхронность действия,
необходимые для инициирования одновременно нескольких элек-
тровзрывных устройств. Кроме того, системы с ВПМ, содержащие
малочувствительные к внешним воздействиям ВВ, безопасны при
Системы с взрывающимися проволочными мостиками 233
случайном воздействии 1) высокоэнергетических радиочастотных
полей, 2) низковольтных потенциалов, 3) механических на-
грузок.
К дополнительным преимуществам систем с ВПМ относится
простота и безопасность контроля на отсутствие обрывов цепи
как в лабораторных условиях, так и на стартовой позиции.
Рассмотрим многоступенчатую ракету, схематически изобра-
женную на фиг. 7.7.
В процессе предстартовой сборки и подготовки желательно
провести проверку на отсутствие обрывов цепей для обеспечения
целостности системы в различных ее фазах. Например, необхо-
димо убедиться в отсутствии нарушений целостности всех цепей
подсистемы запуска двигателя, начиная от бортового источ-
ника питания и кончая электрозапалами системы воспламенения
двигателя. Поскольку для накопления энергии в блоке питания
и управления разрядкой конденсатора для инициирования вос-
пламенителей обычно требуется постоянный ток напряжением
28 в или переменный ток напряжением 110 <?, целесообразно исполь-
зовать имеющиеся низковольтные источники энергии (на несколь-
ко вольт) для проверки на отсутствие обрывов во всей подсисте-
ме — по линии передачи и через цепь проволочного мостика
в воспламенителе двигателя. Такую проверку можно выполнить
на стартовой позиции после завершения сборки подсистемы,
по опасаясь случайного воспламенения. Электросхема системы
контроля цепи с ВПМ показана на фиг. 7.8.
Можно также проводить испытания цепи накопления
энергии блока питания как отдельного функционирующего звена
системы.
В противоположность этому при использовании обычной систе-
мы воспламенения с мостиком накаливания, которая срабатывает
от низковольтного источника питания, нельзя применять имеющие-
ся низковольтные источники энергии для проверки на отсутствие
обрывов цепи подсистемы. Поэтому для осуществления проверки
той же самой подсистемы запуска двигателя необходимо удалить
электрозапалы из воспламенителей двигателя и поставить вместо
них макетные элементы — индикаторные выключатели или изме-
рительные устройства (фиг. 7.9). Это усложняет процедуру провер-
ки перед запуском, особенно в связи с тем, что в современных
космических аппаратах электрозапалы не всегда расположены
в легко доступных местах.
Вследствие чрезвычайно высокой скорости срабатывания (за
время порядка микросекунды) системы запуска с ВПМ особенно
эффективны на летательных аппаратах, где необходимо одновре-
менное включение нескольких устройств. Например: 1) при одно-
временном зажигании в нескольких ракетных двигателях, 2) при
Системы с взрывающимися проволочными мостиками
235
одновременном инициировании нескольких пироболтов или
шнуровых зарядов ВВ для разделения ступеней или само-
ликвидации, 3) при одновременном открытии нескольких сопел
противотяги для отсечки тяги, «обнуления» тяги или реверса тяги.
Кроме того, системы запуска с ВПМ более эффективны, чем низко-
вольтные системы, на летательных аппаратах, где интервал
времени между последовательными срабатываниями отдельных
систем должен составлять от нескольких микросекунд до не-
скольких миллисекунд, как, например, при отделении первой
ступени, включении двигателя второй ступени и выполнении
последовательности операций включения системы управления
вектором тяги второй ступени.
Вернемся еще раз к типичной схеме многоступенчатой ракеты,
изображенной на фиг. 7.7, и покажем, почему использование
систем с ВПМ при обычной последовательности операций запуска
не только практически выгодно, но и крайне желательно. Прежде
всего необходимо обеспечить включение воспламенителей двигателя
первой ступени. Если требуется одновременное воспламенение, то
система с ВПМ, осуществляющая передачу энергии от блока
питания к взрывающемуся мостику за время менее 1 мксек, обеспе-
чит большую одновременность инициирования воспламенительных
устройств двигателя, чем медленнее срабатывающая низковольт-
ная система воспламенения, у которой разброс по времени сраба-
Ф и г. 7.7. Схема многоступенчатой ракеты.
1 — акселерометр угловых ускорений системы наведения и управления; 2 — теле-
метрическое оборудование; 3 — юбка (отсек 49); 4 — переходник «вафельной» кон-
струкции (отсек 39) для вариантов ракеты, запускаемых по программе научных иссле-
дований или учебно-боевой подготовки: 5 — обтекатель кабеля, используемый в бое-
вом варианте ракеты; в — обтекатель кабеля, используемый в исследовательском
варианте ракеты; 7 — ось тангажа (управление по тангажу осуществляется с помо-
щью сопел 2 и 4); 8 — сечения разделения ступеней; 9 — спускаемый аппарат (от-
сек 41); ю — система управления и наведения (отсек 42); 11 — двигатель 3-й ступени
(отсек 44); 12 — промежуточный отсек между 2-й и 3-й ступенями (отсек 45; 13 —
двигатель 2-й ступени (отсек 46); 14 — промежуточный отсек между 1-й и 2-й сту-
пенями (отсек 47); 15 — двигатель 1-й ступени (отсек 48); 16 — корпус; 17 — лайнер;
18 -- топливо; 19 — ось рыскания (управление по рысканию осуществляется с по-
мощью сопел 1 и з); 20 — блок кодово-импульсной и амплитудно-импульсной моду-
ляции; 21 — блок управления соплами; 22 — воспламенитель; 23 предохрани-
тельное и пусковое устройство системы воспламенения; 24 — дефлектор, предохра-
няющий донную часть от нагрева; 25 — электробатарея: 26 — предохранитель преж-
девременного 'разделения; 27 — самоликвидатор (шнуровой заряд); 28 — воспламе-
нитель; 29 — предохранительное и пусковое устройство системы воспламенения;
зо — предохранительное и пусковое устройство самоликвидатора: 31 —блок управ-
ления соплами и электробатарея блока управления соплами; 32—электробатарея;
33 —предохранитель преждевременного разделения; 34 — вытяжной шнур; 35 —
дефлектор, предохраняющий донную часть от нагрева; 36 — воспламенитель; 37 —
пусковое и предохранительное устройство; 38 — кумулятивный заряд самоликвида-
тора; 39 — предохранительное и пусковое устройство самоликвидатора; 40 —дефлек-
тор, предохраняющий донную часть от нагрева; 41 — блок управления соплами
и электробатарея блока управления соплами; 42 — предохранительное и пусковое
устройство самоликвидатора; 43 — самоликвидатор (шнуровой заряд ВВ с линейной
кумулятивной выемкой); 44 — командный блок самоликвидатора; 45 — блок-система
с частотной модуляцией поднесущих и несущей; 46 — блок азимута (на территории
США); 4 7 — блок электробатарей.
236
Глава 7
тывания достигает нескольких миллисекунд. Затем осуществляет-
ся операция включения газогенераторов для управления вектором
тяги. Для выполнения этой функции пригодна как обычная низко-
вольтная система, так и система с ВПМ, хотя на практике обычно
Подача энергии в
накопительное
устройство
(подготовка к пуску)
Сигнал_____
на пуск
О'
Контроль
о— —
Блок
питания
системы
с ВПМ
Электровзрывное
устройство
Ф п г. 7.8. Электросхема системы контроля цепи с ВПМ.
нецелесообразно вводить разнородные системы в один летательный
аппарат, если только нет абсолютной необходимости в этом. Сле-
дующие операции — отсечка тяги двигателя первой ступени,
Макетный
элемент
Ф и г. 7.9. Электросхема системы контроля низковольтной цепи
воспламенения.
отделение первой ступени и включение двигателя второй ступе-
ни—могут быть выполнены последовательно с интервалами времени
порядка нескольких микросекунд с помощью одного блока питания
системы с ВПМ, имеющего несколько выходов, который находится
на второй ступени космической ракеты. Этот же блок применяется
для включения двигателей первой ступени и генераторов системы
Системы с взрывающимися проволочными мостиками
237
управления вектором тяги. При использовании обычной равноцен-
ной низковольтной системы требуется по крайней мере от трех
до пяти предохранительных и пусковых устройств для выполне-
ния тех же самых функций и значительно большее время между
последовательно выполняемыми операциями. Системы с ВПМ
обеспечивают высокую скорость выполнения последовательных
операций, а также одновременность функционирования, которые
не доступны для низковольтных систем. Описанные выше типич-
ные функции могут, конечно, выполняться на различных ступенях
ракеты в зависимости от летных требований. Самоликвидация
обычно обеспечивается независимыми системами. Можно пере-
числить и такие функции, как одновременное открытие смотровых
люков для систем навигации или выдвижение приборных датчи-
ков; отделение пилотируемой или приборной возвращаемой на
Землю капсулы; коррекция траектории и управление по крену,
тангажу и рысканию с помощью запуска вспомогательных двига-
телей; включение резервных источников энергии для двигатель-
ных установок и (или) целей связи.
ТЕОРИЯ ВЗРЫВА ПРОВОЛОЧЕК |3|
Механизм взрыва проволочек пока не изучен до такой степени,
чтобы можно было говорить об общей теории. Считается, что это
явление включает ряд физических процессов, часть которых до
Фп1. 7.10. Электросхема системы с ВПМ.
сих пор не исследована, а для объяснения других имеется по
нескольку теорий. Ниже рассмотрен подход, использованный
Чейсом [4|, который, систематизировав работы многих исследова-
телей, представил убедительное объяснение явления взрыва про-
волочных мостиков.
Основная электросхема системы с ВПМ представлена на
фиг. 7.10.
238
Глава 7
Конденсатор С заряжается от источника энергии Е при про-
хождении тока через зарядное сопротивление R. В некоторый
момент времени переключатель S замыкает цепь, и разряд кон-
денсатора С проходит через проволочный мостик, вызывая его
взрыв. Сам проволочный мостик имеет очень низкое сопротивление
Фиг. 7.11. Типичная кривая изменения силы тока, проходяще-
го через ВПМ, в функции времени.
и индуктивность, а другие элементы цепи выбираются таким обра-
зом, чтобы они имели минимальное сопротивление, распределен-
ную емкость и индуктивность.
Идеализированная кривая изменения силы тока, проходящего
через ВПМ при разряде конденсатора, представлена на фиг. 7.11.
Явление взрыва состоит из следующих стадий:
1. В момент времени t0 переключатель 5 замыкает цепь, к про-
волочному мостику приложено напряжение и по нему течет ток.
Сила этого тока, определяемая параметрами R, L и С цепи, возра-
стает, проволочный мостик нагревается до точки плавления метал-
ла и выше. Эта стадия процесса протекает менее чем за 1 мксек
и поэтому физическое состояние проволочки определяется действи-
ем инерционных сил и магнитного давления. При дальнейшем
нагревании расплавленной проволочки ее температура в конце
концов достигает точки кипения. Однако кипение в этот момент
не является равновесным вследствие того, что температура должна
достигнуть уровня, при котором компенсируются не только
затраты тепла на испарение, но и на преодоление фазового барье-
ра. Следовательно, проволочка перегревается до момента, пока
этот барьер не будет преодолен.
Системы с взрывающимися проволочными мостиками
239
2. В интервале времени — t2 температура проволочки стано-
вится достаточно высокой, чтобы стал возможен фазовый переход,
в процессе которого происходит испарение проволочки с интен-
сивностью взрыва. При взрывоподобном испарении металл про-
волоки переходит в коллоидное состояние и представляет собой
непрерывную жидкометаллическую фазу с распределенными в ней
включениями пара металла.
Ф и г. 7.12. Типичная кривая изменения силы тока,
проходящего через ВПМ, при отсутствии резервной
энергии в блоке питания для вторичного пробоя.
3. В интервале времени t2 — t3 коллоидное состояние перехо-
дит в аэрозоль, состоящий из непрерывной газовой фазы с распре-
деленными в ней жидкими каплями. Это приводит к заметному
изменению электрических характеристик системы, поскольку
элемент цепи на этом участке представляет собой газовую среду
с распределенными в ней металлическими частицами. В результате
такого явления проводимость элемента падает.
4. Интервал времени t3 — t!t характеризуется низкой прово-
димостью и называется периодом выдержки. Течение тока про-
должается, но сила его постоянна и относительно мала, поскольку
проводимость обеспечивается лишь ограниченным количеством
ионов и электронов в элементе цепи. Поскольку переход конденси-
рованной (жидкой) фазы в газ происходит очень быстро, то мгно-
венное значение плотности образовавшегося газа очень велико.
При этой плотности носители электрического заряда, движущиеся
в поле между концами проволочки, не получают достаточной
энергии между соударениями для ударной ионизации. Это условие
аналогично проводимости за счет термоионной или автоэлектрон-
ной эмиссии.
5. Состояние, характеризуемое высокой плотностью газа, очень
кратковременно и существует лишь благодаря тому, что расшире-
240
Глава 7
ние газа задерживается силами инерции и давлением среды
в окрестности проволочки. Через очень короткий период времени
к моменту £4 давление газа падает и одновременно возрастает
средняя длина свободного пробега молекул газа, что вызывает
интенсивную ударную ионизацию вследствие соударения носите-
лей заряда, принимающую лавинный характер. В результате сила
тока повышается до уровня, определяемого точкой t$ на фиг. 7.11.
Уровень силы тока ограничивается параметрами цепи Н, L и С.
Ф и г. 7.13. Типичные кривые изменения силы тока, про-
ходящего через BUM, при наличии резервной энергии, кото-
рая увеличивается при переходе от кривой А к кривой В.
Интервал времени соответствует стадии вторичного пробоя,
или вторичного зажигания, при явлении взрыва ВПМ.
Продолжительность периода выдержки между моментами ts
и /4 в значительной степени зависит от энергии разряда конденса-
тора С. Если этой энергии достаточно лишь для обеспечения
взрывоподобного испарения проволочки и не хватает для вторично-
го пробоя, то кривая изменения силы тока имеет вид, показанный
на фиг. 7.12. Если же эта энергия выше уровня, необходимого
для взрывоподобного испарения, то кривая принимает различные
формы, показанные на фиг. 7.13. Продолжительность периода
выдержки возрастает по мере увеличения запаса энергии.
ВИДЫ ВЫДЕЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ [2]
При взрыве проволочного мостика происходит преобразование
электрической энергии в тепловую и механическую. Эти формы
энергии образуются вследствие быстрого увеличения силы тока
в мостике в сочетании с влиянием магнитных полей и больших
радиальных сил, связанных с процессом взрыва.
Системы с взрывающимися проволочными мостиками
241
До сих пор не удается полностью разделить оба вида энергии
вследствие их зависимости от параметров, оказывающих сов-
местное влияние. Однако для упрощения каждый вид энергии
будет рассмотрен в отдельности.
ТЕПЛОВАЯ
Типичное значение плотности рассеиваемой энергии в прово-
лочном мостике имеет порядок 100 000 кал!см\ Эта плотность
энергии, сравнимая с плотностью энергии, выделяемой в период
взрывоподобного испарения проволочного мостика, приблизи-
тельно в 25 раз превышает плотность энергии при взрыве
бризантных ВВ. Благодаря высокой плотности энергии темпера-
тура проволочки повышается до очень высоких значений. Для
серебряного проволочного мостика при отсутствии ионизации
температура торможения достигает приблизительно 180 000° К.
В случае полной ионизации с разгоном частиц до удаления их
в бесконечность средняя температура торможения падает прибли-
зительно до 20 000° К, если принять, что ионы и электроны нахо-
дятся в равновесии [5]. Фактическое значение температуры лежит
между двумя указанными пределами. Повышение температуры
проволочки обусловлено также влиянием высокого магнитного
давления вследствие большой силы тока в проволочке. Температу-
ра, при которой может происходить испарение, возрастает
в направлении от поверхности проволочки к ее оси. Следовательно,
испарение происходит, начиная с поверхности проволочки. Внача-
ле наблюдается испарение внешней поверхности в окружающий
воздух при атмосферном давлении. Этот процесс, однако, протека-
ет настолько быстро, что внутренние слои проволочки начинают
испаряться прежде, чем уже образовавшийся пар успевает уда-
литься из прилегающего к ее поверхности слоя. Вследствие экра-
нирующего действия образовавшегося пара развивается высокое
давление, что приводит к повышению температуры испарения
оставшейся части проволочки. Для рассматриваемых коротких
интервалов времени (порядка 10“8 сек) энергия излучения от ВПМ
на фазе взрывоподобного испарения пренебрежимо мала. Однако
в течение длительного периода выдержки этот способ передачи
энергии может стать существенным, если только поверхностный
слой аэрозоля не слишком охладится. Типичная величина энер-
гии излучения для столбика пара диаметром 0,5 мм и дли-
ной 0,75 см составляет 0,8 дж за 30 мксек [6].
Энергия излучения в аэрозоле очень велика и приходится
в основном на дальнюю ультрафиолетовую область в диапазоне
длин волн от 100 до 2000 А. Максимальному пику яркости соот-
ветствует световой поток ~108 лм [6J. Яркость меняется в зависи-
16 — 1088
242
Глава 7
мости от плотности тока в проволочке, а’ также от ее формы
и материала. К одному из проявлений выделяемой тепловой
энергии можно отнести образование облака плазмы вследствие
совместного действия тепловых и электрических факторов в среде
аэрозоля, образующегося при взрыве проволочного мостика.
При протекании процессов в паровой фазе аэрозоль, как уже ука-
зывалось, подвергается воздействию очень высоких давлений.
Следующую фазу процесса составляет быстрое расширение аэро-
золя, сопровождающееся увеличением средней длины свободного
пробега молекул в смеси газа и жидкости. Если система еще распо-
лагает достаточной электрической энергией, то развивается удар-
ная ионизация носителей заряда с последующим образованием
плотного облака плазмы. Концентрация ионов и электронов
в плазме пропорциональна плотности энергии в проволочке
и зависит от работы выхода материала проволочки.
Скрытая теплота отверждения жидких капель, а также скрытая
теплота конденсации газа и последующего отверждения также
относятся к располагаемым видам энергии после того, как мате-
риал проволочного мостика превратится в аэрозоль. Величины
этих теплот весьма велики вследствие очень высоких температур,
развивающихся при взрыве проволочки.
МЕХАНИЧЕСКАЯ
Рассмотрим теперь механическую энергию, выделяемую при
взрыве мостика. Механические силы проявляются во время быстро-
го расширения поверхности проволочки при переходе процесса
в фазу взрывоподобного испарения. Как указывалось ранее, это
расширение вызывается внезапным образованием замкнутого объе-
ма пара в момент завершения процесса испарения и перехода
в аэрозольное состояние. Оно протекает как свободное расшире-
ние в окружающую среду воздуха пониженного давления со ско-
ростью, составляющей приблизительно 15 000 м!сек при зна-
чительной плотности энергии в проволочке. Этот эффект вызывает
образование ударной волны, что характерно для взрыва про-
волочного мостика. При расширении столба пара волна разреже-
ния распространяется через паровую среду в обратном направле-
нии, отражается в центре столба пара (или проходит через него)
и в конце концов взаимодействует с фронтом волны давления,
постепенно ее ослабляя. Вполне возможно, что процесс испарения
управляется механизмом волн разрежения, хотя тип разрежения
может не быть одним и тем же в различных случаях. Волна разре-
жения перемещается с радиальной скоростью, которая равна
сумме скорости звука в паре и радиальной скорости расширения
пара.
Системы с взрывающимися, проволочными мостиками
243
Другим видом механической энергии является кинетическая
энергия, выделяемая при столкновении жидких капель материала
проволочки с окружающей средой или твердой фазой, находя-
щейся в непосредственной близости к ВПМ. Предположим, что
при подаче энергии 0,32 дж к платиновому мостику диаметром
0,025 мм и длиной 4,75 мм в стадии расширения процесса паро-
образования образуется аэрозоль, состоящий на 50 вес. % из
капель вещества моста, распределенных в газовой фазе. Эти
капли могут рассматриваться как коллоидные частицы и имеют
диаметр ~10-6 см, объем (сферы) 0,52-Ю-18 см3 и вес 11-10-18 г.
В таком случае количество капель равно 5 • 1012. Кинетическая
энергия, передаваемая каждой каплей (для рассматриваемого
уровня подводимой энергии), движущейся со скоростью около
2000 м!сек к поглощающей поверхности, которая окружает ВПМ,
составляет 22• 10-8 эрг. Для принятых идеальных условий при
передаче энергии полный располагаемый запас кинетической
энергии всех капель достигает 106 эрг. Это эквивалентно энер-
гии 0,1 дж, или примерно 1/3 энергии, подводимой к прово-
лочному мосту. При такой оценке не учитывается тепловая энер-
гия капель в форме скрытой теплоты отверждения, когда жидкие
капли переходят в твердое состояние на холодной поверхности
окружающих элементов.
Сводка данных для оценки параметров системы
с взрывающимся проволочным мостиком
Типичный проволочный МОСТИК
Материал Платина
Диаметр 0,050 мм
Длина 1,50 и 2,54 мм
Типичные выходные характеристики блока питания
Напряжение 2600 в при емкости 0,5 мкф
Энергия 1,69 дж
Контроль системы с ВПМ
во время комплексно й проверки ракеты
Подача энергии в накопитель-
ное устройство блока пита-
ния
Разрядка накопительного уст-
ройства блока питания
Подключение батарей к блоку питания
Минимально потребное время накопле-
ния энергии до момента разрядки
2—10 сек X количество выходов
Автоматическая при отключении источ-
ника энергии
Автоматическая при подаче пускового!
сигнала
16*
244
Глава 7
Подача пускового сигнала Батареи подключены к блоку питания Время задержки между подачей пуско- вого сигнала па триггер и разрядкой конденсаторной цепи 0,003 сек Цепь триггера разомкнута после подачи сигнала на разрядку конденсаторной цепи
Проверка на
Подача высокого напряжения
Функционирование
Отсутствие обрыва в проволоч-
ном мостике (контроль ом-
метром)
Дублирование
работоспособность
Отрицательный потенциал постоянного
тока 5 в при разомкнутой цепи и импе-
дансном сопротивлении 30 000 ом; на-
пряжение постоянного тока на кон-
денсаторе 2600 в
Отрицательный потенциал постоянного
тока 15 в при разомкнутой цепи и импе-
дансном сопротивлении 10 000 ом через
2,5 мсек после появления выходного
сигнала. Выходной сигнал также ре-
гистрируется при подаче питания, при-
чем форма волны выходного сигнала
обратна форме волны заряда в кон-
денсаторе; изменение напряжения от
15 в до нуля
100 000 ом при разомкнутом мосте,
10 000 ом при замкнутом мосте (оце-
ночно)
Дублирование проволочных мостов не
практикуется; дублирование элементов
электроники и других устройств воз-
можно
о в а н и я
Технические треб
Выходные характеристики (при одном
электровзрывном устройстве)
Подача энергии на входе
Время зарядки конденсатора (накоп-
ления энергии в блоке питания)
Время разрядки конденсатора после
отключения источника питания
(при выключении устройства)
Диссипация энергии в устройстве
Подача пускового сигнала триггеру
Уплотнение
Импеданс линии передачи
Импульсная характеристика линии
передачи
к блоку питания
0,5 мф при напряжении постоянного
тока 2600 ±130 в
Напряжение постоянного тока 28±2 в,
ток па входе 500 ма, реактивный ток
500 ма
2—10 сек X количество выходов
10—40 сек X количество выходов
От момента подачи питания до мо-
мента подачи пускового сигнала
28 ± 0,05 вт!сек X количество триг-
геров
Напряжение постоянного тока 28±2 в
Максимальный ток 100 ма
Минимальное время 3 мсек
Утечка не должна превышать
10-8 см3/сек
7—10 ом
Отрицательный потенциал 3000 в, ток
2500 а в течение 10 мксек
Системы, с взрывающимися проволочными мостиками
245
Весовые и габаритные характеристики
блока питания
Элементы
Источник высокого напряжения г)
Управляемый искровой разрядник* 1)
Изоляция и узел сопротивлений
Разрядный конденсатор (с «заземлением»)
Провода и соединения
Вес, кг Объем, слгЗ
0,135 98,4
0,135 98,4
0,045 49,2
0,090 49,2
Дополнительно
16,4 см3 на каж-
дое соединение п
16,4 см3 на каж-
дый разрядный
конденсатор
1) Для конденсаторов с 1—4 выходами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Anderson J. A., Proc. National Academy of Science, U.S., 6, p. 42,
1920.
2. C h a c e W. G., Watson E. M., A Bibliography of the Electrically
Exploded Conductor Phenomenon, AFCRL-62-1053, 1962.
3. Exploding Bridgewire Systems for Spacecraft Application, Librascope Divi-
sion General Precision, Inc., Rep. № L/SU-676, 1961.
4. Exploding Wires, ed. by Chace W. G., Moore H. K., Plenum Press,
1959 (имеется русский перевод: «Взрывающиеся проволочки», ИЛ, М-,
1963).
5. Study of Electrically Exploded Wire Materials, Picatinny Arsenal, EOS
Report 210-QL-4, 1961.
6. billiard, D г о s d, Exploding Wires for Light Sources in Fast Photo-
graphy, Naval Ordnance Laboratory Memo № 10840.
I
8
ИСТОЧНИКИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Сарноу Дж. (Jason W. Sarnow)
Несмотря на препятствия, обусловленные традиционным ха-
рактером развития инфракрасных пиротехнических средств,
быстрый прогресс технологии различных инфракрасных устройств
в середине 50-х годов стимулировал разработку химических
источников ИК-излучения. За этот период чувствительность
ИК-приемников в системах поиска, слежения, навигации, управ-
ления и связи увеличилась на несколько порядков. Срочно
потребовались мощные источники в соответствии с требованиями
наземных и летных полигонных испытаний и эффективности
поиска. Параметры окружающей среды могут изменяться в широ-
ких пределах от условий космического пространства до условий
на уровне моря, от стационарных мишеней до скоростей, в 2 раза
превышающих скорость звука (а в перспективе, возможно, даже
, и существенно больших). Разработка ИК-систем представляет
' большую сложность с точки зрения создания химических источни-
ков, действующих в атмосфере. Требуемая интенсивность сигнала
должна быть достаточно высокой, чтобы его можно было обнаружить
на расстоянии нескольких километров в течение продолжитель-
ного периода времени. Одной из важных областей применения
ИК-излучателей являются беспилотные мишени, служащие для
испытания ракет с ИК-головками наведения в различных такти-
ческих условиях. ИК-излучатели применяются в системах слеже-
ния за ракетами для определения их положения и траектории.
ИК-излучатели были испытаны на ракете «Пого-хи» на высоте
105 км. Одна из интересных возможных областей использования
ИК-средств связи — слежение за баллистическими ракетами
и орбитальными космическими летательными аппаратами.
Может возникнуть вопрос: почему бы в этих случаях не при-
менять обычные источники излучения? Имеется ряд причин,
оправдывающих применение ИК-излучателей, и главная из них —
потребность в простом и дешевом источнике, который мог бы
надежно функционировать в самых различных условиях окру-
жающей среды и не вызывать значительного увеличения веса
лета тельного аппарата. Ни один стандартный источник излучения
не может конкурировать с ИК-излучателями по количеству выде-
Источники инфракрасного излучения.
247
ляемой энергии на единицу объема и простоте конструкции.
Обычными методами не удается обеспечить высокие уровни излу-
чения, и, хотя применение инфракрасных излучателей обусловли-
вает относительно непродолжительный период работы системы,
что может явиться в некоторых случаях препятствием к их исполь-
зованию, они нашли широкое применение.
Первоначально разработки были связаны почти исключительно
с конкретными и не терпящими отлагательства целями и сравни-
тельно мало усилий было направлено на усовершенствование
методов измерения и фундаментальные исследования. Задача
усложнялась отсутствием необходимых приборов и стандартного
метода определения инфракрасного излучения. Попытки рассчи-
тать характеристики излучателя на больших высотах оканчива-
лись неудачей, и лишь в настоящее время этот вопрос рассматри-
вается в рамках точной науки. Поэтому на протяжении указанно-
го активного периода разработки ИК-излучателей не удалось
осуществить воспроизводимые измерения, позволяющие выпол-
нить соответствующий анализ. Однако это не вызвало серьезных
затруднений в решении основных практических задач, хотя интуи-
ция и инженерный риск играли в течение этого периода более
значительную роль, чем накопление надежных и проверенных
данных. В первую очередь были изучены обычные осветительные
составы, поскольку технология таких составов уже была разра-
ботана. К сожалению, использование в качестве единицы мощно-
сти свечи не обеспечивало для хороших ИК-излучателей надежно-
го измерения.
В последующих разделах будут описаны методы анализа,
рассмотрено разработанное оборудование и указаны перспективы
развития этих средств.
МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Исследование источников теплового излучения следует начи-
нать с рассмотрения вопроса об абсолютно черном теле. Абсолютно
черное тело представляет скорее абстрактную концепцию, чем
физические условия, и соответствует случаю, когда все падающее
излучение поглощается телом без отражения и пропускания
энергии через тело. В соответствии с законом Кирхгофа для тако-
го идеального излучателя поток излучения х) абсолютно черным
телом в равновесных условиях равен потоку поглощенного излу-
чения (на тех же длинах ноли). При удовлетворении этих условий
Здесь и далее при переводе па русский язык терминов были использо-
ваны рекомендации Проекта терминологии по теории теплообмена, разра-
ботанного АН СССР, 1967.— Прим, переа.
248
Глава 8
величина поверхностной плотности потока излучения тела при
температуре Т в соответствии с законом Стефана — Больцмана
равна
Е0 = оТ\ (8.1)
где
о = 5,673-10-12 втп!см2-град11— const.
До сих пор рассматривалось абсолютно черное тело без указа-
ния размеров. Для реальной поверхности любого (непрозрачного)
тела необходимо учитывать фактическую площадь и степень черно-
ты е — Е1Еа^С1 черн. Согласно закону Кирхгофа, отношение
поверхностной плотности потока излучения тела к его поглоща-
тельной способности не зависит от материала тела.
Распределение энергии по спектру для абсолютно черного тела
определяется законами Вина, Рэлея — Джинса и Планка.
Закон Вина:
WK = C№~C^T. (8.2)
Закон Рэлея—Джинса:
(8.3)
Закон Планка:
WK = СД-5 [ес2/лт_ 1Г1. (8.4)
Соотношение, полученное Планком на основе принципа кван-
тования энергии, хорошо согласуется с экспериментально полу-
ченными спектральными кривыми излучения (фиг. 8.1).
Для определения длины волны, при которой энергия макси-
мальна, необходимо продифференцировать уравнение (8.4). Полу-
ченное решение можно записать в следующем виде:
сс = KmT = const — 2897,2 мк*град. (8.5)
Это закон смещения Вина (а — постоянная Вина).
После подстановки в уравнение (8.4) можно показать, что
максимальная энергия пропорциональна температуре в пятой
степени. Все кривые для абсолютно черного тела, изображенные
на фиг. 8.1, подобны, что можно проиллюстрировать путем изобра-
жения кривых в логарифмических координатах и взаимного их
наложения. Это следствие закона смещения Вина использовалось
при рассмотрении отклонения характеристик излучателя от
характеристик абсолютно черного тела и может также служить
иллюстрацией того, чем абсолютно черный многоэлементный излу-
чатель отличается от абсолютно черного тела, находящегося
Источники инфракрасного излучения
24»
при определенной температуре. Данный вопрос будет рассмотрен
более подробно в последующих разделах.
Теория инфракрасных пироизлучателей по существу опреде-
ляется законами излучения и их модификациями, отражающими
специфические свойства системы. Пиротехнический излучатель
не является ни плоской пластиной, ни полостью (хотя в принципе
иногда он может быть представлен и этими формами), а облаком
мелкодисперсных частиц
или, что более соответст-
вует истине, агломератов
различной формы и разме-
ров. Градиент температуры
внутри много элементно го
излучателя зависит от
скорости распространения
пламени, интенсивности
охлаждения частиц, их
концентрации и оптиче-
ских свойств. Поглощение
большими по размеру
Фиг. 8.1. Кривые спектраль-
ной плотности потока излуче-
ния абсолютно черного тела
в соответствии с законом
Планка.
и более холодными граничными частицами может привести
к ослаблению излучения. В тех случаях, когда максимальная
температура пламени конкретной пироизлучающей системы лими-
тируется образованием продуктов сгорания, имеющих высокую
теплоту испарения, то уменьшение давления может привести
к значительному понижению температуры кипения, а следователь-
но, максимальной температуры и излучаемой энергии (вслед-
ствие перехода в парообразное состояние дополнительного коли-
чества конденсированной фазы.— Прим, перев). При рассмотрении
пироизлучателей многие методы заимствуются из области твердых
ракетных топлив, и в частности теория скорости горения и резуль-
таты исследования процессов сгорания.
В последующих разделах будут рассмотрены аналитические1
методы, которые были разработаны за последние 5 лет, и приведе-
ны экспериментальные данные. Много полезной информации
250
Глава 8
можно получить на основе имеющихся данных по распределению
нагретых частиц углерода по размерам, и хотя такие частицы редко
характеризуют реальное пиротехническое пламя, тем не менее
это значительно облегчает анализ и экстраполяцию данных по
пламенам, содержащим окислы в конденсированной фазе.
ИЗМЕРЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКА ДАННЫХ
За последнее десятилетие достигнуты значительные успехи
в области обнаружения и измерения ИК-излучения. В настоящее
время имеется ряд хороших учебных пособий для общего знаком-
ства с предметом (см. список литературы в конце этой главы).
Хотя выражение для распределения энергии по длинам волн
спектра, полученное Вином, не считается наилучшим, оно проще
в употреблении. Поскольку это выражение применялось в каче-
стве модели целым рядом авторов, оно также будет использовано
и в настоящей главе.
Излучение источника часто характеризуется интенсивностью
излучения /дх в интервале длин волн ДХ со всей рабочей поверх-
ности источника. Это — поток энергии излучения источника, от-
несенный к единице телесного угла, и выражается в втп!стпер.
Объемная эффективность излучателя характеризуется объемной
плотностью энергии излучения. Эта величина представляет собой
энергию излучения, отнесенную к единице телесного угла и едини-
це объема излучателя, ее размерность втп-сек!стер-сж\ Параметр
/дх, объемная плотность энергии излучения, скорость горения
состава пироизлучателя, а также кривая спектрального распре-
деления плотности потока излучения являются основными данны-
ми для оценки и сравнения ИК-источников. Методика проведения
таких измерений и соответствующая обработка данных описаны
в работе [3].
Измерение характеристик излучения факела пироисточника
(неизвестного спектрального состава) с помощью обычного радио-
метра дает наименее точные результаты. Радиометр обнаружи-
вает и измеряет энергию излучения по тепловым эффектам.
Энергия излучения, воспринимаемая чувствительным элементом,
преобразуется в сигнал, амплитуда которого пропорциональна
падающему потоку. Ограничиваясь рассмотрением только тер-
мисторных болометров и полупроводниковых чувствительных эле-
ментов, следует отметить, что эти приборы совершенно не при-
способлены для измерения потока излучения от источников высо-
кой энергии на близком расстоянии. Задача усложняется в связи
с использованием собирающих оптических линз и фильтров
с изменяющейся в широких пределах иропускательной способно-
стью по длинам волн (фиг. 8.2).
I
Источники инфракрасного излучения
251
Чувствительность полупроводникового датчика обычно бывает
слишком высокой и изменяется с длиной волны и температурой
источника (фиг. 8.3). Спектральная чувствительность термистора
характеризуется более плоской диаграммой, этот прибор имеет
меныпую чувствительность по сравнению с полупроводниковым.
Хотя термистор стоит дороже, он дает меньшие ошибки измерения.
, Фиг. 8.2. Спектральная характеристика пироизлучателя п про-
пускательная способность фильтра (максимум интенсивности из-
лучения источника соответствует значительно меньшей длине волны,
чем середина кривой, характеризующей пропускательную способ-
ность фильтра; совпадение обеих кривых привело бы к уменьше-
нию ошибки).
Фирмой «Барнс энжинеринг» разработан прибор (фиг. 8.4) для
измерения сигналов от пиротехнических излучателей без исполь-
зования собирающих линз путем применения шести термисторов,
имеющих независимые каналы. С помощью этого прибора можно
независимо исследовать 6 спектральных областей. Если спектраль-
ное распределение энергии излучения источника относительно
равномерное без заметных пиков или провалов, то будут обеспе-
чены вполне надежные результаты измерения. Необходимо учиты-
вать поглощение излучения атмосферой и ослабление, связанное
с рассеиванием сигнала на значительных расстояниях. На основе
результатов работы Говарда и др. [2] Лармор и Пассман [3] опре-
делили коэффициенты объемного поглощения для иаров воды
и двуокиси углерода. На длине волны около 4,4 мк, возможно,
в зоне поглощения окислив азота, наблюдались отклонения [4],
в связи с чем могут потребоваться соответствующие поправки.
Для наиболее надежных измерений необходим спектрометр
с быстрой разверткой (и сканированием фронта пламени) и тща-
тельно тарированный радиометр. При вычислении интенсивности
252
Глава 8
излучения, поступающего в радиометр в момент времени t, необ-
ходимо вносить поправки с учетом данных спектрометра для
того же момента времени. В последнее время создан эталон высо-
котемпературного абсолютно черного тела (3000° К), поскольку
Температура источника, °К
ф и г. 8.3. Изменение чувствительности полупроводникового
датчика в зависимости от температуры источника.
этот температурный режим является наиболее характерным для
большинства пиротехнических систем (фиг. 8.5). Применение
Ф и г. 8.4. Радиометр для пиротехнических излучателей.
подобного эталона позволяет исключить радиометрическую ошиб-
ку, связанную с тарировкой при низких температурах. Фирмой
«Блок ассошиэйтс» разработан инфракрасный интерферометриче-
ский спектрометр, который одновременно производит развертку
Источники инфракрасного излучения
253
по интервалу длин волн [5]. Разработана также небольшая модель
для работы в полевых условиях.
Основные полосы ослабления сигнала обусловлены поглоще-
нием парами воды и двуокиси углерода.
Энергия, воспринимаемая чувствительным элементом, умень-
шается с учетом коэффициента пропускания фильтра. Спектраль-
ная интенсивность излучения
источника определяется по пока-
заниям прибора и спектральной
чувствительности датчика
Таким образом, спектральная
интенсивность излучения источ-
ника может быть выражена сле-
дующим образом:
N>. = (Г)/(Г,) (Гн^>) (W,
(8.6)
где Ддх — спектральная чувстви-
тельность прибора, воспринимаю-
щего излучение, вт! стер • см2 мк- в;
V — сигнал, записывающего ус-
тройства, в; Tf, Гн2о и Тсго —от-
носительная интенсивность про-
пускаемого излучения при про-
хождении соответственно через
фильтр, Н2О и СО2*
<Х> и г. 8.5. Эталон абсолютно черного
тела, нагретого до температуры 3000’К.
Поскольку обработка результатов измерения вручную весь-
ма трудоемка, в ряде лабораторий были предложены методы
обработки с использованием вычислительных машин. Блок-схема
варианта электронно-вычислительного устройства представлена
на фиг. 8.6.
НЕКОТОРЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ИЗЛУЧЕНИЯ
ОТ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
Кэлдин [6, 7] вывел выражение для температуры планковского
облака раскаленных твердых частиц. В этом случае окисел, обра-
зующийся при горении металла, накаляется за счет теплоты сгора-
Ф и г. 8.6. Блок-схема варианта устройства для обработки результатов измерений интен-
сивности излучения пироисточника с выдачей данных в цифровой форме или непосредственно
в виде графика на диаграммной бумаге.
Источники инфракрасного излучения
255
ния и охлаждается вследствие излучения. Измеряя спектральное
распределение энергии, излучаемой при охлаждении, Кэлдин
вычислил с помощью этого выражения начальную температуру
охлаждающегося излучателя.
Для нестационарного режима охлаждения лишь за счет излу-
чения идеального рассеивателя Кэлдин получил соотношение,
связывающее температуру (равномерно распределенную по излу-
чателю), удельную теплоемкость, поверхность излучателя и его
степень черноты, не зависящую от температуры и длины волны:
1
i/ » • их* _ Q — *—•
T—(3kt-]-TQ) 3, (8.7)
где Т — температура в момент времени /; То — температура
в начальный момент времени; k = KA&hns, причем К — постоян-
ная Стефана; А — площадь поверхности, сж2; в — степень черно-
ты; тп — масса, г; s — удельная теплоемкость, кал!г-град.
Используя закон Вина для спектральной плотности потока
излучения (видимый участок спектра), получаем
А = СА’8ехр( — С21кТ), (8.8)
после подстановки уравнения (8.7) можно вычислить следующий
определенный интеграл (в пределах от t = 0 до t —> оо):
ОО
J JxdT
о
£A2[1 + 2go + 2(Wk)2]eXp(_G/Wo), (8.9)
который пропорционален
[V5exp ( — C2/kTo)]
К + 2 , (8.10)
L 2 ' 2 * )
где [X {1+^-4 2(W}]
L I ^2 \ / J J
— дополнительный
множитель
в законе Вина. Это уравнение может оказаться полезным при
вычислении соответствующей поправки к соотношениям, получен-
ным затем для многоэлементного ИК-излучателя.
Подвергая сомнению предположение Кэлдина о постоянной
температуре, Бут счел возможным в некоторых случаях ввести
эффективную температуру (7е) в зависимости от температуры
внутренних зон источника и температуры на поверхности. При
большой оптической толщине охлажденного слоя ТР — Ts, а при
малой оптической толщине охлажденного слоя ТР — То. Для
практических целей (когда aR — 3, где а — na2N в пределах
сферы с граничным радиусом R,N — концентрация частиц радиу-
са а) можно использовать выражение
П^0,39Г<|-0,61П.
(8.11)
256
Глава 8
Эго выражение справедливо, даже если охлажденный слой настоль-
ко тонок по сравнению с радиусом облака, что средняя температу-
ра равна TQ. Бут разработал точную теорию для температуры
и интенсивности излучения в функции времени t и расстояния
г от центра облака в предположении равномерного распределения
плотности. Он установил, что
^-Ро^ = е(7-4аГ‘), (8.12)
где s — удельная теплоемкость, р0 — плотность, а — радиус
частицы. Для поверхностной плотности потока излучения как
функции параметра у получено выражение
v z
J (у) = j exp ( —2|3Z) dZ j XT4 (X) exp фХ) dX =
о о
= A exp фу) ф-2? exp (—|3y)—4|3cf exp фу). (8.13)
Величины А и В определяются из граничных условий при г — О
и г = R, когда у = 0 и у — ncPNR соответственно. Тогда полный
поток излучения будет равен
U=ZnR2J(R). (8.14)
Теоретическая модель Бута справедлива для непланковского
излучателя.
Пока еще не получено экспериментального подтверждения
ни одной из теорий и не производился столь точный расчет реаль-
ных систем с пироизлучателями. Однако исследования, проведен-
ные Эвансом [9], Кацем и Рейзеном, а также актуальность про-
блемы связи с ракетами могут стимулировать разработку модели
пламени, обеспечивающей надежное количественное определе-
ние параметров излучения в функции времени.
РАСЧЕТ И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ
КОЭФФИЦИЕНТА ОБЪЕМНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ
Недавно выполненные исследования Сталла иПласса [10] позво-
ляют рассчитать коэффициент спектрального объемного поглоще-
ния для частиц углерода, который хорошо согласуется с результа-
том, полученным Ван де Хальстом [11] на основе комплексного
показателя преломления. Метод Уэйта и Уайтинга сравнивался
с данными Ван де Хальста и оказался пригодным при условии,
что концентрация частиц углерода такова, что они не могут
покрыть площадь в 1 см2, если их собрать из объема 1 см3 и поме-
стить вплотную одна к другой на поверхности. Анализ поглоще-
Источники инфракрасного излучения
257
ния света частицами углерода ламповой сажи и канальной (газо-
вой) сажи, выполненный Рюди [12], выявил возможность вычисле-
ния коэффициента объемного поглощения для множества малых
частиц с концентрацией порядка 109 частиц/см3. Если же кон-
центрация превышает 1012 частиц/см3, то необходимо учитывать
длину свободного пробега фотонов между частицами. Рюди сделал
вывод, что при отсутствии дифракции или рассеивания частицы
углерода действуют как простые геометрические экраны и коэффи-
циент объемного поглощения пропорционален произведению Ала2
(полное поперечное сечение частиц).
Анализ Уэйта и Уайтинга выполнен для случая частиц радиу-
сом 800 А при малой длине волны (приблизительно 0,5 мк).
Если пренебречь рассеиванием, степень черноты частиц, содержа-
щихся в 1 см3 и распределенных но поверхности 1 см2 с концентра-
цией 109 частиц/см2, составляет около 0,3. Объем частицы радиу-
сом 800 А равен 2,14-10-1& см3, а при концентрации 109 частиц/см2
средняя толщина слоя частиц составит 2,14-10-6 см. Коэффи-
циент объемного поглощения может быть найден из соотношения
» 8V 1—ехр( —ут7), (8.15)
где — спектральная степень черноты (принята равной 0,3);
у — коэффициент объемного поглощения, см-1; d — средняя тол-
щина.
Решая относительно у, получаем у — 1,65-105 см~\
Ван де Хальст [12] получил следующее выражение для ком-
плексного показателя преломления:
tarp/j
т -- г-------
к со /
при распространении электромагнитных волн с циклической часто-
той (0 в однородной среде с проводимостью о, диэлектрической
постоянной и диамагнитной константой, равной единице.
Соотношение
(8.16)
также характеризует колебательный процесс, где к — волновое
число в вакууме, Хне — длина волны и скорость света в вакууме.
Для принятых на практике обозначений
т п—in', (8.17)
где п2 + п'2 = 2пп = 4лн/(о; в результате п и п' могут быть
выражены в зависимости от о и о. Формула Ван де Хальста
17—11)88
258
Глава 8
для коэффициента поглощения имеет следующий вид:
у~2кп'
Л
На основании данных Сенфтлебена и Бенедикта [12] была вычисле-
на величина т для частиц углерода при X = 0,491 мк, радиусе
частиц а < 900 А и х = 2ла/Х < 1,12:
т-1,59 — 0,66г. (8.18)
После подстановки и решения относительно у найдено
1,69-105 см-1. (8.19)
Этот результат очень хорошо согласуется с результатом Уэйта
и Уайтинга.
На основе результатов измерений оптической плотности
и толщины испаряющихся углеродных пленок получено значение
п' = 0,55 при X = 5461 А. Тогда коэффициент объемного погло-
щения будет равен
у — 1,265 • 105 смТ1.
Торн и Уинслоу [14] при исследовании проницаемости тонких
углеродных пленок определили, что при температуре 2383° К
и X = 6610А п' — 1,05, следовательно, коэффициент объемного
поглощения будет равен
у -- 2,47 • 105 слг1,
Агар [15] получил значение и' —0,90, при котором
у-2,15-105 см'1.
Результаты, полученные с помощью различных эксперименталь-
ных методов, хорошо согласуются с расчетным значением Сталла
и Пласса. Это дает специалистам пиротехникам методику расчета
излучения при протекании ряда реакций при условии, что имеются
экспериментальные данные по тонким пленкам (из соответствую-
щих конденсированным продуктам реакции веществ). Лимити-
рующим условием, однако, является ограничение Рюди. Рассмо-
тренный метод позволяет с приемлемой точностью рассчитать
эффективность спектрального излучения для данной реакции
и повысить ее путем соответствующего увеличения скорости горе-
ния и (или) регулирования размера частиц основных излучающих
компонентов. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в сле-
дующих разделах.
Источники инфракрасного излучения
259
СТЕПЕНЬ ЧЕРНОТЫ И СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ
На основе анализа, выполненного в предыдущем разделе,
следовало ожидать, что пиротехнические источники излучения
с более высокой концентрацией частиц в единице объема пламени
будут отличаться повышенной интенсивностью излучения, чем
более быстро горящие составы. Суммарная энергия, определяемая
площадью под кривой излучения для почти идентичных составов,
имеет более высокое значение в случае быстро горящих составов
(в частности, этот вывод справедлив для составов на основе нитрата
натрия и магния). Хотя окончательного подтверждения еще не по-
лучено, было предложено использовать быстро горящие составы
для увеличения эффективности излучения пламени, содержащего
частицы. Однако увеличение скорости горения может отразиться
на размерах основных излучающих частиц и, возможно, привести
к уменьшению сечения поглощения. Расчеты полного и рассеиваю-
щего сечений и степени черноты облака частиц различных твердых
продуктов пламени излучателя могут оказаться полезными при
определении излучения несерого тела и, возможно, обеспечат
средство спектрального контроля пиротехнических источников.
Кроме того, теоретически показано, что изменение глубины факела
путем использования многосопловых блоков может обеспечить
высокую степень черноты облака частиц.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ НА ОСНОВАНИИ
' ДАННЫХ ПО СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ
Если условия в объеме пламени с установившейся концентра-
цией частиц продуктов реакции считать адиабатическими и изо-
термическими, то на основании данных по размеру частиц и ско-
рости горения можно определить степень черноты облака частиц.
Рассмотрим заряд пиротехнического излучателя, горящий с одно-
го торца. Известно, что во взвешенное состояние может перейти
20 г углерода. Измерения частиц показали, что их радиус равен
800 Л. Пламя имеет приблизительно цилиндрическую форму диа-
метром 10 см и полный объем 800 см3. Объем одной частицы
составляет 2,14-10-15 см!3 и при плотности вещества частиц 2,2 г!см3
ее вес будет равен 4,7-10 15 г. Следовательно, имеется 4,3-101&
частиц углерода. Если время горения равно 20 сек, то в полном
объеме пламени при стационарных условиях диспергируется
в секунду 2,15-1014 частиц. Концентрация частиц в единице объема
N будет составлять 2,15-1014/8-102 = 2,7-1011 частица; см!3 и при
толщине 10 см значение для параметра L (количество частица!см3)4)
0 Концентрация L, определенная Сталлом и Классом, очевидно, являет-
ся произведением концентрации в единице объема на длину пути.
17*
260
Глава 8
Сталла и Пласса будет равно 2,7-1012 частица/см2. Сравнение
с фиг. 9.9 ЦО] указывает на фактическую дисперсию излучения
для абсолютно черного тела при длинах волн вплоть до 12 мк.
Степень черноты определяется по уравнению
1— охр ( — ух), (8.20)
где х = VpNDf, Vp — объем частицы, см3/частица; N — кон-
центрация частиц, частица/см3; Dj — диаметр зоны пламени, см.
Можно показать, что
(8.22)
где W — полный вес излучающих компонентов, содержащихся
в прессованном заряде, d — плотность вещества излучающих
частиц, Vj — полный объем зоны пламени, a N — максимальная
концентрация частиц, которая может быть получена при условии,
что углерод мгновенно диспергируется из заряда в объем, занимае-
мый пламенем. С учетом зависимости от времени можно записать
V W
1 1 VpdVft ’
где t — полное время горения заряда, сек.
Для получения максимальной степени черноты при заданной
длине волны (предположим е^, — 0,99) в функции времени горения
для исследуемого источника излучения, а также результирующего
объема пламени приравняем выражения для Nt, полученные из
уравнений (8.20) и (8.22). Тогда
yDjW
t d Vf In 0,01
(8.23)
Следует отметить, что параметр (DfW)/Vf связан с параметром
концентрации L (Сталла и Пласса) и это свидетельствует о том,
что, если пренебречь рассеиванием, степень черноты является
функцией только массы вещества в зоне пламени. Это можно
подтвердить путем приведения значения L на фиг. 6—9 работы
[10] к массе и сравнением при эквивалентных массах. В результате,
конечно, для эквивалентных масс будет получена одинаковая
степень черноты.
МАКСИМАЛЬНАЯ РАСЧЕТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ПЛАМЕНИ
Хотя расчетное значение часто не соответствует измеренному
и само измерение представляет серьезные трудности, все же
полезно знать предельные условия. Обычно максимальная темпе-
ратура ограничивается точкой кипения продукта сгорания
Источники инфракрасного излучения
261
с минимальной температурой кипения. Имеющиеся данные по
теплоемкости компонентов при высоких температурах весьма
ограничены, а диссоциация продуктов сгорания при повышенных
температурах еще более увеличивает неточность расчетов. Тем
не менее упрощенный расчет, тщательное наблюдение пламени
и хорошая инженерная интуиция могут обеспечить получение
приемлемых расчетных данных, которые будут полезны при
вычислении излучения факела. Догорание, т. е. процесс, при
котором нагретые продукты или избыток горючих компонентов
могут реагировать с атмосферным кислородом, иногда оказывает
влияние на измеряемую величину. Однако мы будем пренебрегать
этим фактом в последующих расчетах. В данном методе предпо-
лагаются адиабатические условия, которые на самом деле не имеют
места: теплопроводность, конвекция, излучение и потери на расши-
рение уменьшают возможную тепловую энергию. Следовательно,
при таком допущении исключена вероятность получения точного
результата, однако все же имеет смысл использовать данный метод.
Метод расчета будет иллюстрироваться на примере реакции,
рассмотренной Кацем и Рейзеном [16]:
2А1 WO3 —> W + А12О3 - ЛН298°к - 198 250 кал. (8.24)
Максимальная температура является функцией тепловыделения
при химической реакции и количества тепла, поглощенного про-
дуктами сгорания. Это можно выразить формулой
Т
, - \НТо = ^\НТо_т + dT, (8.25)
То
где АНт0 — энтальпия продуктов реакции при начальной темпера-
туре; S АНТ(}_ Т — сумма всех теплот фазового перехода продуктов
реакции в интервале температур от То до Г; Ср — удельная тепло-
емкость продуктов реакции; Т — конечная температура.
Используя значения, полученные Гласнером [17], можно запи-
сать
198 250-26 000 -1 (26,12 + 4,388» 10~3Г- 7,26^--1-°° }dt +
2*3 S
т
+ 46000+ 8400 + j (5,74 + 0,76-10’37’) <?£.
298
(8.26)Э
0 Данные по Нт — Но можно получить пз таблиц JANAF.
262
Глава 8
Интегрирование правой части выражения с учетом температу-
ры кипения А12О3 (3700° К) дает величину 175 650 кал. В результа-
те остается 22 600 кал на испарение А12О3 (АЯИСП = 90 000 кал).
Таким образом, происходит только частичное испарение окиси
алюминия и температура пламени ограничена температурой кипе-
ния А12О3. Поскольку вольфрам кипит при температуре выше
3700° К, его теплота испарения не учитывается.
Решение можно получить графическим методом путем по-
строения кривой поглощаемого тепла в интервале температур,
Ф и г. 8.7. Определение максимальной температуры пламени по расчетной
зависимости поглощенного тепла от температуры*
в котором происходят фазовые превращения продуктов реакций.
Точка пересечения кривой с горизонталью, соответствующей
тепловому эффекту реакции, определяет искомую температуру.
Данный метод исключает необходимость проведения трудоемкого
интегрирования (фиг. 8.7).
ТЕМПЕРАТУРА И СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ
Линейная скорость горения зарядов ИК-источников зави-
сит от давления, при котором происходит горение топлива, и, как
установлено, подчиняется степенному закону
г~арп, (8.27)
где а и п — эмпирические константы системы. Постоянное значе-
ние этих констант пригодно лишь в ограниченном интервале
давлений. Можно предположить, что скорость горения зависит
от начальной температуры заряда и количества тепловой энер-
Источники инфракрасного излучения
263
(8.28)
гии. поступающей к поверхности заряда и передаваемой по
твердой фазе. Кроу и Гримшоу [18] представили температурную
зависимость скорости горения топлив в следующем виде:
а' рп
г = -—
Т' — TQ ’
где Т' — характеристическая константа, имеющая размерность
температуры, а Т0 — начальная температура топлива. Распре-
деление температуры внутри твердого топлива бесконечной толщи-
ны при квазистационарном процессе и отсутствии источников
выделения (или поглощения) энергии за счет химических реакций
или фазовых переходов (плоская задача) описываются известным
уравнением, полученным в подвижной системе координат, связан-
ной с поверхностью горения:
где Tq — начальная температура топлива, Т8 — температура
поверхности горения, г — скорость горения, х — расстояние от
поверхности горения, а — коэффициент температуропроводности.
Хыоггет [19] модифицировал уравнение (8.28) с учетом повыше-
ния температуры пороха за счет поглощения
а'рп
(8.29)
(8.30)
г Г-(7\Н-Д7\У’
где АТ к — увеличение температуры пороха. Если заряд обладает
большой яоглощательной способностью, можно ожидать значи-
тельного повышения градиента температур, что в некоторых слу-
чаях может весьма усложнить определение температуры под
поверхностью горения в выбранной точке. Величина АТК эквива-
лентна Ту в уравнении (8.29) для данной точки у поверхности
горения.
Приближенное выражение для оценки поверхностной плотности
потока излучения горящей поверхности может иметь следующий
вид:
1 = 0П[1-Н1ОТ], (8.31)
где Тт — максимальная температура пламени, — сечение погло-
щения частицы, N — концентрация частиц при температуре Тт.
d — средняя (эффективная) толщина слоя частиц [см. формулу
(8.15)]. Повышение температуры поверхности горения можно
приближенно вычислить по удельной теплоемкости, плотности
и скорости горения смеси:
ДЛ=4-- (8.32)
грСр
264
Глава 8
Пеннер [20] установил, что поправки на увеличение скорости
горения твердых топлив вследствие влияния падающего потока
энергии излучения несущественны.
Имеется мало экспериментальных данных [за исключением
уравнений типа (8.27)], подтверждающих правильность представ-
ленных в этом разделе соотношений для пиротехнических систем.
Справедливость этих соотношений зависит от допустимых пре-
делов экстраполяции результатов, полученных для твердых
ракетных топлив, в область пиротехнических излучающих систем.
РАЗРАБОТКА МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ ИЗЛУЧАТЕЛЯ
Получение точного решения общей задачи излучения от неста-
ционарного источника, как было показано Бутом [8], является
весьма сложной задачей и требует определения давления, темпера-
туры и скорости для элементов изотропной (в разумном приближе-
нии) системы в функции времени, концентрации частиц (сле-
довательно, нужны данные по кинетике химического процесса
и агломерации), а также точной оценки спектральных характе-
ристик излучения. В связи со сложностью оценки всех неста-
ционарных условий можно использовать для поставленных целей
общее решение.
Экспериментальные исследования ряда пиротехнических осве-
тительных смесей, образующих при горении окислы металла,
показали, что спектральное распределение поверхностной плотно-
сти потока излучения этих систем аналогично распределению
для абсолютно черного тела или планковского излучателя (см.
фиг. 8.1). Правильнее говорить о цвете пламени излучателя»
рассматривая его как серое тело в области между максимальной
температурой пламени и температурой, при которой нагретые
продукты сгорания вносят лишь несущественный вклад
в спектральное излучение (по диаграмме распределения). Для
определения интегральной (и спектральной) эффективности излу-
чения (степени черноты) требуется сравнение с многоэлементной
моделью абсолютно черного тела. Поэтому необходимо выделить
изотермические зоны пламени (фиг. 8.8). Этот метод был предло-
жен Эвансом [9] и будет использован в данном случае. Выбирают-
ся температурные пределы для миогоэлементной модели абсолютно
черного тела, которые соответствуют измерениям термопарами
для выбранных зон пламени, исследуемых с помощью спектро-
метра. Принимается, что степень черноты частиц не зависит от
температуры. Модель состоит из нескольких источников спектраль-
ной энергии излучения на каждой выбранной длине волны,
находящихся в последовательно расположенных элементарных
зонах. Если температурные пределы rMaFC и 7\1Ш1 составляют
Источники инфракрасного излучения
265
2500 и 1500° К, то элементарные зоны могут соответствовать при-
ращению температуры на 100° К. Более мелкое дробление не
приведет к существенному понижению кривой спектральной энер-
гии. Интегральный поток излучения этой системы вычисляется
для каждой длины волны и делится на количество элементарных
ф и г. 8.8. Изотермические
зоны пламени типичного
излучателя по результатам
измерений термопарамп.
Длина волны, мк
Фиг. 8.9. Сравнение спектральных
интенсивностей излучения многоэлемент-
пого излучателя и абсолютно черного
тела, имеющих максимумы при длине
волны 1,5 мк.
зон (излучателей). Ио результатам расчетов строится график
совместно с экспериментальной спектральной кривой (по резуль-
татам измерений пламени с помощью термопар). Сравнение инте-
гральных потоков излучения, определяемых площадью под каж
дой кривой, позволяет практически определить эффективность
излучения исследуемого источника. Другими словами, величина
интегральной степени черноты будет определена не на основе
модели абсолютно черного тела при некоторой произвольной тем-
пературе и длине волны, соответствующей максимуму потока
Таблица 8.1
Распределение спектральной плотности потока излучения
многоэлементного излучателя в интервале температур
элементарных зон от 1500 до 2500° К
Приращение температуры между соседними зонами-
10000 К (А), 500° К (В), 250° К (С) и 100° К (D)
Длина волны, мк Спектральная плотность потока излучения, вт/см2-мк
А в С D
0,4000 1,034 0,708 0,509 0,392
0,4500 2,839 1,970 1,461 1,159
0,5000 6,023 4,241 3,232 2,635
0,5500 10,651 7,619 5,951 4,960
0,6000 16,496 11,996 9,575 8,135
0,6500 23,143 17,111 13,927 12,029
0,7000 30,114 22,636 18,748 16,426
0,7500 36,966 28,242 23,759 21,078
0,8000 43,351 33,645 28,706 25,749
0,8200 45,715 35,698 30,618 27,575
0,8400 47,954 37,674 32,475 29,360
0,8600 50,060 39,562 34,268 31,095
0,8800 52,026 41,356 35,988 32,770
0,9000 53,849 43,050 37,630 34,379
0,9200 55,526 44,640 39,187 35,916
0,9400 57,058 46,123 40,657 37,376
0,9600 58,445 47,498 42,035 38,756
0,9800 59,689 48,746 43,320 40,052
1.0000 60,794 49,921 44,511 41,263
1,1000 64,384 54,145 49,074 46,028
1,2000 65,264 56,046 51,494 48,758
1,3000 64,162 56,118 52,148 49,763
1,4000 61,728 54,854 51,462 49,424
1,5000 58,476 52,685 49,825 48,107
1,6000 54,783 49,950 47,561 46,126
1,7000 50,917 46,907 44,922 43,730
1,8000 47,056 53,740 42,096 41,108
1,9000 43,314 40,576 39,216 38,399
2,0000 39,761 37,500 36,375 35,700
2,1000 36,434 34,565 33,634 33,075
2,2000 33,350 31,803 31,030 30,567
2,3000 30,511 29,266 28,584 28,199
2,4000 27,910 26,841 26,307 25,986
2,5000 25,536 24,646 24,198 23,930
2,6000 23,376 22,629 22.255 22,030
Источники инфракрасного излучения
267
Продолжение табл. 8.1
Длина волны, мк Спектральная плотность потока излучения, вт/см^-мк
А в с D
2,7000 21,412 20,785 20,470 20,281
2,8000 19,628 19,100 18,834 18,675
2,9000 18,010 17,563 17,338 17,204
3,0000 16,541 16,162 15,971 15,857
3,5000 10,989 10,815 10,726 10,674
4,0000 7,511 7,425 7,381 7,355
4,5000 5,277 5,231 5,208 5,194
5,0000 3,801 3,776 3,763 3,755
5,5000 2,800 2,785 2,778 2,773
6,0000 2,105 2,095 2,091 2,088
7,0000 1,252 1,248 1,246 1,245
8,0000 0,788 0,787 0,786 0,785
9,0000 0,520 0,519 0,519 0,518
10,0000 0,356 0,356 0,356 0,355
излучения, а для более реальной (но, без сомнения, также идеали-
зированной) многоэлементной модели. В табл. 8.1 иллюстрируется
уменьшение спектральной плотности потока излучения много-
элементного излучателя с увеличением количества выбранных
элементарных зон, а также сдвиг максимума потока в сторону
больших длин волн. В столбце Л суммируются данные для двух
элементарных излучателей, в столбце В — трех, в столбце С —
пяти и в столбце D — одиннадцати. Очевидно, что расчет излуче-
ния по максимальной температуре в зоне пламени или точкам
с максимальным потоком излучения приведет к значительной
ошибке. Графики на фиг. 8.9 и 8.10 являются иллюстрацией
сказанному выше. Кривая Е соответствует излучателю в виде
абсолютно черного тела при температуре 2500° К. Данные сведены
в табл. 8.2, из которой видно, что для одиннадцатиэлементного
излучателя плотность потока излучения (столбец D) составляет
менее половины соответствующего значения для абсолютно черного
тела (столбец Е).
Изящный метод визуального исследования характеристик излу-
чения не абсолютно черного тела разработан Френсеном [21].
Суть его в следующем. В логарифмических координатах строится
график для абсолютно черного тела. В этих же координатах
строится скорректированный график для пиротехнического излу-
чателя. Затем производится наложение графиков с подгонкой
участков обеих кривых, которые мало различаются. Далее выпол-
268
Глава 8
няется перестроение обеих кривых в обычных координатах.
Комбинирование обоих методов, по-видимому, обеспечит наиболее
удовлетворительные данные по определению интегральной и спек-
тральной эффективности излучателя в виде неизотермическо-
го облака частиц. Метод Френсена иллюстрируется на фиг. 8.11.
Фиг. 8.10. Уменьшение спектральной плотности потока излучения и сдвиг
максимума в сторону больших длин волн с увеличенном количества элементов
в модели излучателя.
А — двухэлементный излучатель; максимум спектральной плотности потока излуче-
ния при длине волны 1,19 лк; В—трохэлементный излучатель; максимум спектраль-
ной плотности потока излучения при длине волны 1,29 мк; С — пятиэлеменч ный излу-
чатель; максимум спектральной плотности потока излучения при длине волны
1,29 3 их; D — одиннадцатпэлемептпый излучатель; максимум спектральной плотно-
сти потока излучения при длине волны 1,31 мк\ Е — абсолютно черное тело при тем-
пературе 2500° К; максимум спектральной плотности потока излучения при длине-
волны 1,16 мк.
В общем случае с увеличением температуры возрастает степень
черноты тонких окисных пленок [22], что сопровождается смеще-
нием максимума спектральной плотности потока излучения
в область более коротких длин волн и увеличением отклонения
от кривой для многоэлементной модели абсолютно черного тела
в интервале более длинных волн. Аналогичный эффект был отме-
чен [10] для изотермического облака частиц углерода с переменной
концентрацией. Другими словами, с увеличением длины волны
энергия излучения облака в большей степени зависит от концен-
трации. Результирующий спектральный эффект для диспергиро-
Источники инфракрасного излучения
269
Таблица 8.2
Сравнение спектральной и интегральной плотностей потока
излучения многоэлементных излучателей и абсолютно черного тела
(одноэлементный излучатель)
Характеристика А в с D Е
^-элемен- тный излуча- тель 3-эле- монтный излуча- тель 5-эле- ментный излуча- тель 11-эле- ментный излуча- тель одноэле- ментный излуча- тель (аб- солютно черное тело)
Длила волны, соответствую- щая максимуму спек- тральной плотности пото- ка излучения, мк 1,190 1,290 1,293 1,309 1,160
Максимум спектральной плотности потока излуче- ния, вт см2'мк 65,276 56,178 52,151 49,782 124,00
Плотность потока излуче- ния, ст! см'1 124,5 113,0 106,8 103,0 220,0
ванных частиц окисла в реальном пламени пиротехнического
излучателя заключается в том, что резко выраженный максимум
спектральной плотности потока излучения находится в области
коротких длин волн с интенсивным спадом кривой в направлении
более длинных волн.
В этом разделе не принималась во внимание возможность
экранирования излучения из центральных зон излучателя и пред-
полагалась абсолютная прозрачность (что связано с ранее упомя-
нутым ограничением Рюди по предельно допустимой концентрации
частиц). Геометрические характеристики пламени до сих пор не
описаны соответствующим образом. Приведенная здесь модель
представляет продольное сечение с одинаковыми элементарными
излучателями. Вместе с тем очевидно, что низкотемпературная
зона должна содержать значительно большее количество эле-
ментарных излучателей и может быть экспериментально иссле-
дована с помощью соответствующим образом расположенных
термопар.
Для расчета можно использовать систему соотношений [23]
т _ ( ^1 ) д ) Л I I ( Gj ) д
Г {С,\ Д 1
+ ( ^еС2Л«тг ) А+ • • • !-( ^е<-гЛ„Тп ) Л»’ <8-33>
270
Глава 8
где J х — составляющие потока излучения каждого элементарного
объема при температуре Т. Сумма этих составляющих характери-
Ф и г. 8.11. Наложение
кривой для абсолютно чер-
ного тела на эксперимен-
тальную кривую для по-
следующей перестройки
обеих кривых в линейных
координатах.
------ расчетная кривая для
абсолютно черного тела (в дан-
ном примере при температуре
2000° К);------ эксперимен-
тальная кривая для пиротех-
нического излучателя.
зует поток, излучаемый в единицу времени со всей поверхности
многоэлементной модели абсолютно черного тела на единицу
интервала длин волн в пределах телесного угла 2л стер.
КОНСТРУКЦИИ ИК ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
В настоящее время несколько промышленных фирм производят
много типов ИК-излучателей для военных целей, главным обра-
зом для авиации. Эти устройства используются в системах для
наземных и воздушных мишеней и в системах слежения за снаря-
дами, мишенями и метеорологическими ракетами. Фирмы-изгото-
вители гарантируют интенсивность излучения (со всей рабочей
поверхности источника) генерируемых сигналов от 100 до
1000 emlcmep при длинах волн 1,8—2,7 мк и времени горения от
20 до более чем 100 сек. Обычно пиротехнические излучатели весят
менее 1,35 кг, хотя полный вес конструкции может быть несколько
больше. Объемная плотность энергии излучения на уровне моря
составляет приблизительно 0,122 кет-сек!стер-см3.
В табл. 8.3 приведены некоторые конструктивные данные
ИК-излучателей, применяемых для военных целей. На фиг. 8.12—
8.14 представлены типичные конструкции излучателей для мише-
Ф и г. 8.12. ИК-пзлучатели для систем слежения за целью.
а —-с пассивной системой воспламенения; б — с электрозапалами.
1 — стальной или алюминиевый корпус; 2 — заряд излучателя; 3 — отверстия пас-
сивной системы воспламенения (для передачи форса пламени от внешнего теплового
источника к воспламенительному составу); 4 — крышка из пластика; 5 — пснома-
териал (заполняющий свободный объем в крышке); 6 — воспламенительный заряд'
7 — передаточный заряд; 8 — отверстие для болта; 9— основание, к которому болтом
кренится ПК-излучатель; 10 — резьбовой хвостовик для крепления; 11 — электро-
запал.
Примечание. Все ра шеры даны в миллиметрах.
Фиг. 8.13. ИК-излучателп для систем слежения и общего назначения.
272
Глава 8
ней, систем слежения, сигнальных трассеров и т. д. Необычная
конструкция ИК-излучателя, разработанная фирмой «Спешиал
л г. 8.14. Составной ИК-излучатсль блочного тина (модель 89), содержа-
щий сигнальные трассеры для летающих мишеней.
I — корпус для съемных блоков с ИК-излучателями; 2 — пластина-фиксатор; з — кон-
тейнер из эпоксидной смолы; 4 — блок ИК-излучателей одноразового использования.
Примечай и е. Все размеры даны в миллиметрах.
девайсес», показана на фиг. 8.15. В ней используется пиротехни-
ческая смесь алюминия, окиси железа, бора, хромата бария
Фиг. 8.15. Источник, моде-
лирующий абсолютно черное
тело.
1 — излучающий конус; 2 — втул-
ка из графита, сапфира пли плав-
леного кварца; 3 — безгазовая
пиротехническая смесь.
Примечание Все размеры
даны в миллиметрах.
и связующего, которая предназначена для быстрого нагревания
графитового конуса и создания источника излучения с быстро
меняющейся температурой до установления постоянной интенсив-
ности излучения на протяжении 10 сек.
Источники инфракрасного излучения
273
Таблица 8.3
Сравнение стандартных ИК-излучателей ])
Обо.ш а- чение Размеры Тип воспламе- нения Способ крепления Выходной поток излу- чения, отне- сенный к единице те- лесного угла 2) Время горе- ния 3), сек
диа- метр, ЛМ1 длина, ММ вес, кг
HI 1 1 Л 25,4 225 0,45 Электроза- пал Резьбовой хвостовик 150—250 40
1П 11 />' 25,4 256 0,45 То же Болт 150—250 40
II I 12 Л 25,4 225 0, 15 Пассивный1) Резьбовой хвостовик 150—250 40
1Г! 12 />’ 25,4 256 0,45 То же Болт 150—250 40
11'211 Л 50,8 334 0,90 Электроза- пал Резьбовой хвостовик 1000 90
1Г2! 1 Н 50,8 377 0,90 То же Болт 1000 90
II 212.1 50,8 334 0,90 Пассивный Резьбовой хвостовик 1000 90
II 212 /? 50,8 377 0,90 То же Болт 1000 90
И 137 35,0 228 0,68 Электроза- пал Резьбовой хвостовик 450 40
1Г138 35,0 228 0,68 То же То же 900 20
И'203.1 50,8 197 0,45 » » » » 1000 40
н лоз/; 50,8 420 1,13 » » Муфта 1000 40
11'203 Л 50,8 222 0,5 » » Резьбовой хвостовик 1000 60
ГЛ Г-15 7? 50,8 241 0,68 » » Штифт 800 70
>) По данным фирмы «Атлаптик рисерч».
2) Для полосы шириной 1,8 — 2,7 мк.
:)) Па уровне моря.
') Воспламенение осуществляется передачей (по огневой цепи) форса пламени
от внешнего теплового источника. — Прим, персе.
ТЕНДЕНЦИИ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ ИК-ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
РЕГУЛИРУЕМОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Спектр пиротехнического излучателя более всего соответствует
среде, представляющей модифицированное серое тело, причем
максимум спектральной плотности потока излучения приходится
на более короткие длины волн, а затем спектральная плотность
потока резко падает с увеличением длины волны. Положение
максимума определяется главным образом наибольшей темпера-
турой пламени. Этот максимум обычно расположен на меньшей
18—1088
274
Г л а в а 8
длине волны, чем максимум чувствительности сульфида свинца.
Часто основная доля интегральной плотности потока приходится
на видимую область спектра. В связи с этим возник теоретический
интерес к разработке принципов, с помощью которых можно
было бы уменьшить компоненты потока, приходящиеся на корот-
кие волны. Было предложено два практических метода [24, 25],
которые основаны на использовании оптических свойств материала.
В одном случае предусматривается горение пиротехнической смеси
в длинной прозрачной цилиндрической трубке, внутренние стенки
которой защищены потоком воздуха, имеющим высокую скорость.
Прозрачность трубки регулируется с помощью термостойких окон,
расположенных на поверхности цилиндра и пропускающих ИК-
излучение. Во втором случае предусматривается создание излу-
чательной бомбы. В замкнутой тонкостенной камере, изготовлен-
ной из высокопрочного металла или сплава, сжигается смесь
с минимальным выделением газа в процессе реакции, например
термит. Поверхность камеры имеет тонкослойное покрытие из
огнеупорного материала, обладающего требуемыми оптическими
свойствами.
Принципы действия устройств, различия и трудности осущест-
вления этих двух методов лучше всего иллюстрировать путем
рассмотрения свойств, относящихся к оптическим характеристи-
кам вещества. К этим свойствам относятся: поглощение, излуче-
ние, отражение и пропускание энергии. Полностью непрозрачное
тело не пропускает излучения ни на одной частоте. Общее требо-
вание к окнам — обеспечение высокой пропускательной способно-
сти. При этом большая часть поступающей энергии проходит через
среду без потерь, и поэтому тело пе подвергается заметному нагре-
ву. Если окно представляет полосный фильтр, пропускающий
ИК-излучение, то это означает, что излучение на более коротких
длинах волн, главным образом в видимой части спектра, отражает-
ся и не проникает через поверхность. Все материалы в какой-то
степени поглощают часть падающего излучения в некотором
интервале длин волн. В результате этого наблюдается повышение
температуры материала окна, так как между ним и падающим
потоком происходит обмен энергией. Следовательно, если материал
не является непрозрачным, то часть падающего излучения про-
пускается в некотором интервале длин волн, не оказывая влияния
на окно, часть отражается и часть поглощается (в результате чего
температура материала окна повышается). Термин окно применяется
к тем материалам, пропускательная способность которых очень
велика в заданном интервале длин волн, отражательная способ-
ность также велика, но в других частях спектра, а поглощатель-
ная способность очень мала для всего спектра. Обычно таким
материалом является стекло. Недостатком стекла является сравни-
Источники инфракрасного излучения
275
тельно низкая точка плавления. Кроме того, стекло не может
выдерживать большие термические напряжения.
Второй метод пропускания энергии в заданном интервале длин
волн основан на высокой поглощательной способности в этом
интервале и высокой отражательной способности на всех осталь-
ных длинах волн. Закон Кирхгофа устанавливает равенство
потоков излучения и поглощения. Поглощенное излучение взаимо-
действует со свободными и связанными электронами, повышая
уровень их энергии, следовательно, и температуру вещества.
Для большинства термостойких материалов передача энергии
через вещество осуществляется путем взаимосвязанных колебаний
узлов решетки, и это явление получило название фононопроводно-
сти. Эта энергия на некоторых длинах волн может в свою очередь
передаваться и излучаться с холодной стороны тела, приводя
к установлению некоторого стационарного, или равновесного, со-
стояния. Такой процесс требует конечного времени и определяется
коэффициентом температуропроводности, который характеризует
скорость изменения температуры по времени в элементе единично-
го объема. Конечно, чем больше энергии поглощается в единицу
времени, тем быстрее происходит нагрев; однако в случае селектив-
ного излучателя будет поглощаться только небольшая доля сум-
марного падающего излучения. Следовательно, для узкополосных
термостойких излучателей необходимо выбирать материалы с отно-
сительно низким коэффициентом температуропроводности. Вслед-
ствие этого будут достигнуты более высокие внутренние темпера-
туры, что хотя и вызовет задержку во времени, тем не менее
обеспечит повышение температуры металлического подслоя, а сле-
довательно, и термостойкого материала. Общими требуемыми
свойствами для непрозрачных излучающих материалов являются
высокая стойкость к тепловым ударам, высокая точка плавления,
низкий коэффициент теплового расширения, большая степень
черноты в заданном интервале длин волн и высокая отражатель-
ная способность при меньших длинах волн, а также отсутствие
повышения пропускательной способности в нерабочем интервале
длин волн при повышенных температурах. Теплостойкие мате-
риалы обладают многими из этих свойств.
Обеспечивая более высокие мгновенные значения уровня излу-
чения, метод окон в то же время характеризуется большими поте-
рями энергии в системе. Длина цилиндра определяется интенсив-
ностью охлаждения и скоростью частиц, начальной температурой
и требуемой температурой истекающей струи. Для уменьшения
температуры продуктов сгорания до нормальной (за счет излуче-
ния) перед выбросом струи требуется очень длинная труба. При
этом возникает рост потерь излучения в направлении торца трубы
с отверстием из-за отложений конденсированных продуктов сгора-
18*
276
Глава 8
ния на внутренних стенках, что создает препятствия передаче
сигнала. Применение более коротких труб приводит к потерям
энергии в атмосферу за счет теплоотдачи. Поток излучения строго
направлен, что в зависимости от назначения устройства мо кет
быть его достоинством или недостатком.
Перспективным, но трудным в осуществлении методом является
регулирование размера частиц продуктов реакции для увеличения
до максимума сечения рассеи-
вания при заданной длине волн
для материала с определенным
коэффициентом преломления.
Выбор длины волны, соответ-
ствующей заданному максимуму
излучения, определяет радиус
частиц излучающих продуктов
реакции (фиг. 8.16). Реализация
этого метода на практике весьма
трудна и, возможно, даже не-
осуществима применительно ко
многим химическим реакциям.
Ф п г. 8.16. Изменение коэффици-
ента рассеивания в зависимости от
радиуса частиц и длины волны па-
дающего излучения.
Рассмотрим этот метод на примере химической реакции между
магнием и нитратом натрия:
5Mg + 2NaNO3 5MgO 4- Na2O + N2. (8.34)
Эта реакция характерна для осветительных составов, хотя имеет
максимум спектральной плотности потока излучения при длине
волны выше 1 мк. Затем кривая распределения очень резко падает
с увеличением длин волн (значительно быстрее, чем в случае
соответствующего мпогоэлемептного излучателя), и вновь подни-
мается в интервале длин волн между 4 и 5 мк. Сравнение
спектральной кривой для частиц MgO с кривой для кускового
материала (периклаз) показывает, что полученные результаты
измерения излучения обусловлены либо эффектом рассеивания,
либо излучением в полосе длин воли, соответствующей газовой
фазе. Наклон кривой характерен для излучения серого тела
и может быть связан со значительным парообразованием, что
приводит к образованию оптически плотного пламени. В соот-
ветствии с исследованиями Филкенбурга [26] условий излучения
Источники инфракрасного излучения
277
газов, типичного для абсолютно черного тела, это может привести
к возникновению газообразного излучателя со свойствами абсо-
лютно черного тела для всего спектра излучения. Теория указы-
вает на расширение основных молекулярных полос излучения,
поэтому можно ожидать наличия интенсивных полос MgO, середи-
на которых приходится на длины волн 1,3 и 4,5 мк. Коффин [27],
исследуя горение лент из магния, обнаружил, что металл до
окисления и большая часть образовавшегося окисла испаряется.
Гейдон и Вольфгард |28| подтверждают теорию о частичном
испарении MgO наряду с образованием конденсированных (жид-
ких) сфер из окисла, которые затем после охлаждения пере-
ходят в твердое состояние. Вместе с тем при спектроскопиче-
ских исследованиях видимой части спектра обнаружены характе-
ристики серого тела при температуре 3750° К 1291 и отсутствие
заметного узкополосного излучения. Брювер и Портер |23| на
основании результатов измерений давления паров над твердой
окисью магния сделали вывод, что твердая фаза испаряется глав-
ным образом с образованием молекулярных компонентов при
температуре 304СБ К и что это в основном процесс сублимации.
Для расчета спектральной плотности потока излучения газа
в инфракрасной области спектра ио методу Пеннера для двух-
валентных газов [30] могут быть использованы данные по спект-
роскопическим характеристикам окислов. Однако из-за отсутствия
надежных экспериментальных данных, полученных методом ПК-
спектроскопии для высокотемпературной газообразной MgO
(в молекулярном виде), не удается подтвердить теорию.
Для проверки теории рассеивания можно определить сечение
рассеивания малых частиц MgO с использованием теории Мийо
и построить соответствующий график в функции а = 2лг/Х, как
это показано на фиг. 8.16. Для этого необходимы данные по радиу-
су частиц продуктов реакции и расчеты длин волн, соответствую-
щих максимуму рассеивания. Совпадение этих длин волн с макси-
мумами экспериментальных спектров будет служить подтвержде-
нием этой теории, а при наличии более убедительных доказательств
этот способ может стать эффективным методом регулирования
интенсивности спектрального излучения пиротехнических ИК-
систем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Awcock R. A. et. al., Standard Procedures for Evaluation of Infrared
Emission from Pyrotechnic Devices, Tripartite Technical Cooperation
Program, ASD-TDR-62-483, Aug. 1962.
2. Howard J. N., Burch I). E., W i 11 i a m s D., Infrared Transmis-
sion of Synthetic Atmospheres, J. Opt. Soc. Am., 46, part I, 186; part II,
237; part III, 242; part IV, 334, part V, 452 (1956).
3. Larmore L., Passman S., Correction to Atmospheric Transmission
Tables, Proc. IBIS, 1 (2): 15, Dec. 1956.
278
Глава 8
4. Lakshmi К., Shaw J. H., Absorption Bands of N20 Near 4, 5, J.
Chem. Phys., 23, 1887 (1955).
5. Proceedings of the Infrared Information Symposium (IRIS), vol. 6, p. 151.
January 1961.
6. С a 1 d i n E. F., Light Emission During Cooling of a Planckian Radiator,
Proc. Phys. Soc. (London) 58, 342 (1946).
7. Cal d in E. F., The Determination of the Initial Temperature of a Cooling
Total Radiator From Measurement of the Spectral Distribution of the Energy
Emitted During Cooling, Proc. Phys. Soc. (London), 58, 350 (1966).
8. Booth F., On The Radiation from Transient Light Sources, Proc. Phys.
Soc. (London) A-62, 95—113 (1949).
9. E v a n s R. W., Blunt R. M., laboratory notes and correspondence,
University of Denver, July 1961.
10. Stull V. R., P 1 a s s G. N., Emissivity of Dispersed Carbon Particles,
J. Opt. Soc. Am. 50, 121 — 129 (1959).
11. V a n deHui st H. C., Light Scattering by Small Particles, N.Y.,
Wiley, Inc., 1959.
12. R u c d у R., Absorption of Light by Carbon Particles, Can. J. Res., A,
19, 117 — 127 (1941).
13. С о s s 1 e t t A., Cosslett V. E., Optical Density and Thickness of Eva-
porated Carbon Films, Brit. J. Appl. Phys., 8, 374—376 (1957).
14. T h о r n R. J., Winslow G. H., Transmissivity of Thin Carbon
Films, J. Chem. Phys., 23, 1729—1730 (1955).
15. Agar A. W-, The Measurement of the Thickness of Thin Carbon Films,
Brit. J. Appl. Phys., 8, 35 (1957).
16. К a t z S., R a i s e n E., laboratory notes and correspondence, Illinois
Institute of Technology, Research Institute, 1958.
17. Glassner A., Thermodynamic Properties of the Oxides, Fluorides,
and Chlorides to 2500° K, U.S. At. Energy Comm. ANL-5750, 1957.
48. Crow A. D., Grimshaw W- D., Phil. Trans. Roy. Soc., London,
Ser. A., 230, 387 (1932).
19. H u g g e t t C., Characteristics of Solid Propellants; Lewis B.,
Pease R. N., Taylor H. S. (eds.)., Combustion processes, vol. II,
sec. M., p. 548. Princeton, N.J., Princeton University Press, 1956;
имеется русский перевод: Процессы горения, Фпзматгпз, М., 1961.
20. Penner S. S., J. Appl. Phys., 19, Mass Emissivity of Powder Gases
in Solid Fuel Rockets, p. 278; Effect of Radiation on the Rate of Burning
of Solid Fuel Rocket Propellants, p. 392; Qualitative Experimental Veri-
fication of the Change of Burning Rate of Rocket Powders With Radiation
Path Length», p. 511 (1948).
21. F r a n s о n K., laboratory notes, Illinois Institute of Technology,
Research Institute, Apr. 1963.
22. G r a v i n a A., Katz M-, Investigation of High Emittance Coatings
to Extend the Mach Number Range of Application of Structural Materials,
Republic Aviation Corporation, WADD TR-60-102, Mar. 1961.
23. Brewer L., P о r t e r R. F., A Thermodynamic and Spectroscopic
Study of Gaseous Magnesium Oxide, J. Chem. Phys., 22 (11), 1867
(1954).
24. В 1 о c k M., P e r s k у M-, Infrared Filtering of a Magnesium Flare,
Proc. IRIS, 5 (2), 209, Apr. 1960.
25. Aerojet General Corporation communication, Jan. 1962.
26. Filkenburg W., Conditions for Blackbody Radiation of Gases,
J. Opt. Soc. Am., 39 (2) (1949).
27. Coffin К. P., Some Physical Aspects of the Combustion of Magnesium
Ribbons, Fifth Symposium on Combustion, p. 267, N.Y., Reinhold Publish-
ing Corp., 1955.
Источники инфракрасного излучения
279
28. G aydon A. G., W о 1 f h а г d Н. G., Flames, Their Structure, Radia-
tion and Temperature, p. 345. London, Chapman and Hall, Ltd., 1960.
29. O’B r i e n B., Russell T. A., Spectral Energy Distribution, Tempe-
rature and Color Temperature of the Magnesium Flame in Air, J. Opt. Soc.
Am., 23, 118 (1933).
30. P e n n e r S. S., Infrared Emissivity of Diatomic Gases, U.S. Department
of Commerce NBS Circular 523, p. 75, 1954.
БИБЛИОГРАФИЯ
Bell E. E. et al., Study of Infrared Emission from Flame, Parts I, II, III,
Ohio State University Research Foundation, Contract AF 30(602) —1047,
Columbus, Ohio, 1955—1956.
Ellorn IL, Modern Pyrotechnics, N.Y., Chemical Publishing Co., Inc.,
1961.
G a у d о n A. G., Spectroscopy and Combustion Theory, London, Chapman
and Hall, Ltd., 1948.
G a у d о n A. G., The Spectroscopy of Flames, N. Y., Wiley, Inc., 1957.
Green H- L., Lane W. R-, Particulate Clouds: Dusts, Smokes and Mists,
London, Spon, Ltd., 1957.
Harrison G. R., Lord R. C., Loofbourow J. R., Practical
Spectroscopy, Englewood Cliffs, N.J., Prentice-Hall, Inc., 1948.
Harrison T. R., Radiation Pyrometry and its Underlying Principles of
Radiant Heat Transfer, N.Y., Wiley, Inc., 1960.
Harrison W. N. et al., Standardization of Thermal Emittance Measure-
ments, WADD, WADC TN-59-510, Contract AF 33(616)—5820, Mar.
1960.
Holter M. R. et al., Fundamentals of Infrared Thechnology, N.Y., The
Macmillan Company, 1962.
Middleton W. E., Knowles, Vision throught the Atmosphere,
Toronto, University of Toronto Press, 1952.
Planck M-, Theory of Heat, N.Y., The Macmillan Company, 1949;
имеется русский перевод с немецкого: «Введение в теоретическую
физику», ч. V, Теория теплоты, М.—Л., 1935.
Smith R. A., Jones F. Е., С h a s m а г R. Р., The Detection and
Measurement of Infra-Red Radiation, Oxford, Clarendon Press, 1957.
Weber R. L., Heat and Temperature Measurement, Englewood Cliffs, N.J.,
Prentice-Hall, Inc., 1950.
9
ПИРОТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАМЕДЛИТЕЛИ
Вейнгартеч, Г. {Garry Weingarten)
В этой главе сделана юпытка дать обзор последних наиболее
важных достижений в области разработки пиротехнических замед-
лителей, которые были описаны в открытой технической литера-
туре. При обобщении и классификации имеющихся данных сразу
же были обнаружены серьезные пробелы в этой научно-техни-
ческой области. Возникли также вопросы, связанные с досто-
верностью материалов, их относительной важностью и с общим
подходом к контролю качества и испытаниям на определение
рабочих характеристик. Систематизированные материалы, приве-
денные в настоящей главе, могут оказаться полезными специали-
стам в области пиротехники в качестве исходных данных при
проведении соответствующих исследований и разработок.
Замедлитель представляет собой пиротехническое устройство,
способное к самоподдерживающемуся горению и состоящее из
инициатора, столбика замедлительного состава и концевого заря-
да, обеспечивающего выходной импульс. Все эти элементы разме-
щены в специальном изолированном корпусе. В некоторых кон-
струкциях один или более из перечисленных выше элементов
могут отсутствовать. При использовании замедлителя в качестве
элемента огневой цепи он обеспечивает заданное время задержки
между моментом инициирования и окончательной стадией —
детонацией или горением основного заряда.
Основным элементом замедлителя является пиротехническая
смесь, характеристики которой в идеальном случае должны отве-
чать следующим требованиям:
1. Компоненты смеси должны быть стабильными и пегигро-
скопичными, содержать минимальное количество примесей; они
должны быть недорогими, недефицитнымп и совместимыми друг
с другом.
2. Смешивание, прессование и сборка элементов из этих смесей
должны быть максимально безопасными процессами, что обуслов-
лено характеристиками чувствительности смесей к удару, тре-
нию, влажности, тепловому воздействию и электрическим раз-
рядам.
Пиротехнические замедлители
281
3. Скорость горения смесей должна быть воспроизводимой
от партии к партии и в пределах одной партии с минимальными
отклонениями.
4. Смесь должна легко воспламеняться, обладать стабильными
рабочими характеристиками при небольших изменениях про-
центного состава компонентов.
5. Смесь должна быть совместима с материалом корпуса
и с другими веществами, находящимися с ней в контакте.
6. Скорость горения смеси должна быть относительно нечув-
ствительной к изменениям давления и начальной температуры.
7. При длительном хранении не допустимы изменения рабочих
характеристик смеси либо допустимы очень незначительные изме-
нения.
8. Пиротехнические смеси должны выдерживать вибрационные
и ударные нагрузки при транспортировке, тряске, вращении
и ударах.
9. Заряд из пиротехнической смеси должен выдерживать тяже-
лые условия эксплуатации, в частности при транспортировке,
монтаже и воспламенении.
Поскольку замедлители являются нс только инициаторами
взрыва, но и тепловыми источниками, эти устройства до сих пор
использовались для многих других целей. Замедлительные элемен-
ты применялись как эффективные диверсионные средства, для
повышения безопасности промышленных взрывов, в качестве
источника тепла при пайке и сварке.
Во всех случаях применения замедлителей в первую очередь
требуется надежность и точность временных характеристик. Опе-
режение или запаздывание функционирования устройства приво-
дит к значительному снижению эффективности системы. Первые
замедлительные элементы состояли из столбика или колец прессо-
ванного черного пороха. Элемент в виде столбика обеспечивал
задержку лишь на какой-то определенный интервал времени.
Использовались как обтюрированные, так и проточные устрой-
ства, причем их выбор зависел от назначения конструкции,
а также от основных требований заказчика. Элемент в виде колец
позволял до некоторой степени регулировать продолжительность
рабочего периода с помощью механических устройств, изменявших
положение колец. Основной недостаток черного пороха — его силь-
ная гигроскопичность. Ни один из замедлителей, в которых приме-
нялся черный порох, не мог противостоять случайному попаданию
влаги, в результате чего становился абсолютно неэффективным.
Вследствие ненадежности и плохой воспроизводимости времени
задержки замедлительных элементов из черного пороха, особенно
остро проявившихся в годы первой и второй мировых войн, потре-
бовались другие смеси, обладающие более высокой надежностью,
282
Глава 9
например, термит. Эта смесь обеспечивает получение контро-
лируемой реакции. Благодаря интенсивным исследованиям стало
возможным достаточно точное определение периода задержки
реакции, и эти данные с учетом теплового эффекта термитного
процесса предопределили новый тип состава для замедлителей,
а также для зажигательных устройств современной военной техни-
ки. При разработке два основных фактора оказывали особо важное
влияние на предельные характеристики замедлителей: воспро-
изводимость и влияние начальной температуры и давления. Неко-
торые достижения в этой области очевидны: значительно увеличе-
на надежность, проведены исследования влияния начальной тем-
пературы и давления, что позволило осуществить дальнейшее
усовершенствование конструкции таких замедлителей. Хотя при
разработке систем все еще применялся эмпирический подход,
в связи с необходимостью создания более надежных и воспроизво-
димых устройств потребовалось привлечение научных и инже-
нерных принципов. Исторически, однако, техническое состояние
вопроса опережало его научный уровень.
Требования, особенно в области артиллерии, становились все
•строже и гораздо разнообразнее. Бомбометание с низкой высоты
полета требовало чрезвычайно малых, ранее технически недости-
жимых допусков на срабатывание замедлителей в определенный
момент времени после проникания снаряда или бомбы через
броню и (или) бетон. Аналогично эффективность воздушного
взрыва зенитного снаряда зависит от строгой воспроизводимости
требуемой последовательности процессов в замедлительном элемен-
те при различных условиях функционирования, что долго не
могло быть обеспечено.
Разработчики пиротехнических систем продолжали испытывать
и применять новые составы и исследовать влияние изменения
параметров существующих смесей, чтобы удовлетворить выдви-
гаемые требования и предвидеть новые. В каждом из этих направ-
лений были достигнуты значительные успехи по части разработки
новых смесей, но оставались по-прежнему нерешенными проблемы
воспроизводимости и зависимости характеристик от температуры
и давления. Если рассматривать основные переменные параметры
для одной и той же системы, то оказывается, что химический
состав пиротехнической смеси не является единственной причиной
разброса характеристик замедлителей. Иногда становится пробле-
мой надежное воспламенение. Кроме того, практическая эффек-
тивность разработанной конструкции в большой степени зависит
ст выбора размеров и допусков, физических свойств и стоимости
корпуса, а также стоимости замедлителя в сборе.
Существуют четыре основные конструкции замедлителей, каж-
дая из которых имеет определенные достоинства и недостатки,
Пиротехнические замедлители
283
а также соответствующую область применения. С конструктивной
точки зрения замедлительный элемент может быть обтюрирован
или же иметь проток газов наружу или во внутреннюю полость
устройства. С химической точки зрения пиротехнический замедли-
тель может иметь состав, образующий или не образующий газо-
образные продукты сгорания.
Обтюрированные элементы обычно не подвержены влиянию
давления. Применение элементов с протоком газов связано с раз-
решением вопросов герметизации и соответствующих проблем
гигроскопичности и срока хранения. Кроме того, для этих типов
замедлителей может потребоваться значительный объем для выхо-
да газов, и если такие замедлители недостаточно удачно спроекти-
рованы и изготовлены, то они зачастую не обеспечивают распро-
странения фронта пламени и срабатывания концевого детонатора.
При выборе химических компонентов замедлителей по возмож-
ности применяются безгазовые смеси. Если эти элементы изготовле-
ны прессованием в корпус при давлениях 2100—2450 ат, то они
почти нечувствительны к ударам и вибрационным нагрузкам.
Для их нормального воспламенения недостаточно одного электро-
запала, а может потребоваться небольшое количество специаль-
ного воспламенительного состава. Поскольку смесь изготавливает-
ся в виде сухой массы, то после прессования образцы нередко
становятся хрупкими. Поэтому при воздействии тряски или
вибраций возможно образование трещин или отделение столбика
замедлительного состава от концевого заряда. Введение в состав
пиротехнической смеси связующего улучшает рабочие характери-
стики замедлительного элемента в этих условиях. Однако в составе
продуктов сгорания появляются газообразные компоненты, обра-
зующиеся при горении связующего.
Ввиду сказанного выше становится очевидно, что необходим
тщательный выбор наиболее подходящего типа замедлителя. Если
определяющим фактором является время срабатывания, то выбор
между обтюрированным замедлителем и замедлителем с протоком
газов очевиден. В сложных условиях эксплуатации желательно
введение связующего. Для применения в разнообразных климати-
ческих или космических условиях рекомендуются главным обра-
зом обтюрированные конструкции.
В данной главе будут рассмотрены физико-химические свойства
замедлительных смесей, рабочие параметры стандартных систем
замедлителей и факторы, влияющие на рабочие характеристики.
Будут также рассмотрели»! свойства компонентов, применяемых
в составе замедлителей, методы изготовления и испытания со-
ставов.
Можно отметить четыре основных направления дальнейших
^разработок усовершенствованных замедлителей: проектирование
284
Глава 9
новых элементов, использование новых химических реакций, раз-
работка новых методов испытаний, применение новых компонен-
тов. С точки зрения конструктивного оформления существующие
составы замедлительных смесей употребляются в различных
металлических оболочках, которые могут отличаться как по фор-
ме, так и по методу производства.
Для разрешения проблемы влияния начальной температуры
и давления и обеспечения надежного функционирования замедли-
телей как в обычных, так и в более сложных, необычных условиях
эксплуатации необходим совершенно новый подход.
Этот подход включает использование существующих научных
и теоретических методов и накопленного опыта. Темп прогресса
в этой области будет зависеть от финансовых затрат и привлечения
высококвалифицированных кадров к решению поставленных задач.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗАМЕДЛИТЕЛЬНЫХ
СМЕСЕЙ
При воспламенении замедлительной смеси происходит интен-
сивная экзотермическая окислительно-восстановительная реакция.
При благоприятных условиях воспламенение вызывает распро-
странение фронта пламени, что соответствует началу процесса
горения смеси. Согласно термическому анализу реакций, проте-
кающих до достижения твердой смесью температуры воспламе-
нения^рни во многих случаях происходят в твердой фазе. Имеется
ряд примеров реакций между твердым и жидким компонентами,
при которых плавится окислитель, либо протекают реакции
между газом и твердой фазой, если окислитель разлагается перед
воспламенением. Продукты реакции большинства смесей при ком-
натной температуре являются твердыми веществами, но при тем-
пературе реакции могут находиться в жидком или парообразном
состоянии.
Относительно невысокие скорости горения многих смесей,
состоящих из твердых горючих и твердых окислителей, благо-
приятствуют использованию их в замедлительных системах. Ско-
рость реакции зависит от физического состояния и размера частиц
компонентов, однородности смеси, соотношения горючего и окис-
лителя, температуры в зоне реакции, физического состояния про-
дуктов сгорания и тепловых потерь. Тепловой эффект реакции
можно вычислить с помощью термохимических характеристик
с учетом тепловых изменений, сопровождающих эту химическую
реакцию. Максимально достижимую (адиабатическую) температу-
ру можно вычислить, исходя из известного физического состояния
продуктов сгорания, их теплоемкости, данных по фазовому пере-
ходу и степени диссоциации. Максимально достижимая температу-
Пиротехнические замедлители
285
ра зависит от состояния системы, т. е. от ее начальной температуры
и давления, при котором происходит реакция. При низких значе-
ниях начальных температуры и давления адиабатическая темпе-
ратура понижается, в то время как при высоких значениях этих
параметров адиабатическая температура увеличивается. Методы
расчетов адиабатической температуры приводятся в специальных
руководствах по термохимии; расчеты значительно упрощаются
прп использовании функций свободной энергии и значений
энтальпии.
Поскольку химические реакции в замедлительных системах
происходят между компонентами в твердой фазе, то размеры, фор-
ма и физическое состояние реагентов в процессе реакции, а также
соотношение горючего и окислителя оказывают значительное
влияние на скорость реакции. Скорость окисления горючего
и скорость разложения окислителя являются двумя факторами,
играющими важную роль в процессе химической реакции. Кроме
того, скорость реакции зависит от концентрации компонентов,
а в случае твердой фазы концентрация непосредственно связана
с удельной поверхностью частиц реагентов. Следовательно, чем
мельче частицы или чем больше частиц одного из реагентов, осо-
бенно горючего, содержится в смеси, тем выше скорость горения.
Соотношение компонентов в процессе реакции, протекающей
в твердой фазе, зависит не только от полной массы компонентов,
содержащихся в смеси, но также и от массы, которая фактически
может участвовать в реакции в каждый момент времени. В отли-
чие от жидких компонентов или газов все количество реагентов
не может одновременно участвовать в реакции, поскольку веще-
ство внутри частиц сможет реагировать только после завершения
реакции на их поверхности и удаления соответствующих продук-
тов реакции.
Путем введения третьего компонента в пиротехническую смесь
можно изменить суммарную скорость реакции. Так, если в каче-
стве третьего компонента используется другой окислитель, то
реакция этого окислителя с горючим может ускорить весь про-
цесс, если скорость данной реакции больше скорости реакции
с основным окислителем. Можно также использовать в качестве
третьего компонента горючее, и тогда достигаются идентичные
эффекты ускорения или замедления скорости реакции смеси.
Скорость разложения окислителя и скорость окисления горю-
чего должны быть приблизительно одинаковыми. Если скорость
разложения слишком мала, то и скорость реакции может оказать-
ся слишком малой для обеспечения распространения фронта пла-
мени. Если эта скорость слишком велика, то горючее может ока-
заться неспособным взаимодействовать со всем выделяющимся
окислителем и часть окислителя не прореагирует. Окислительны
286
Глава 9
свойства горючего также играют важную роль, так как если окисел
образует защитное покрытие, то для окисления необходима диф-
фузия кислорода через окисную пленку, от скорости которой
зависит скорость всего процесса. Если же поверхность горючего
не покрыта окисной пленкой, то она будет полностью доступна
для процесса окисления.
Допустимая продолжительность хранения замедлительных сме-
сей зависит от склонности горючего к коррозии. Чем более реак-
ционноспособно горючее и чем мельче его частицы, тем быстрее
Фиг. 9.1. Прекращение горения вследствие тепловых потерь.
Линия раздела между светлой и темной зонами является границей распространения
фронта 11Л.1МСНН.
оно подвергается коррозии. Следовательно, смеси, содержащие
такое горючее, менее стабильны при хранении. Следы влаги
и загрязнение поверхности увеличивают скорость коррозии горю-
чего.
Скорость распространения фронта пламени в замедлительной
смеси является сложной функцией многих взаимосвязанных
переменных. Температура должна быть достаточно высокой,
а скорость — достаточно большой, чтобы интенсивность тепло-
выделения превышала интенсивность теплопотерь. Если начиная
с какого-то момента времени теплопотери станут превышать
тепловыделение, то распространение фронта пламени может
прекратиться (фиг. 9.1). Некоторые смеси, особенно содержащие
три и более компонентов, вступают в реакцию до момента воспла-
менения, т. е. до начала основной реакции, которая определяет
максимальную скорость распространения пламени. Многие иссле-
довании изучали реакции, протекающие до момента воспламене-
Пиротехнические замедлители
287
ния и начинающиеся в момент воспламенения, а также взаимосвязь
этих реакций с температурой воспламенения и энергией активации
замедлительной смеси. Хотя и были установлены общие тенден-
ции, конкретные соотношения до сих пор не опубликованы.
Скорость распространения фронта пламени в замедлительной
смеси, или ее скорость горения, также связаны со скоростью
реакции смеси и теплопередачей в ней. Тепло может передаваться
в глубь столбика смеси за счет теплопроводности, излучения, кон-
векции, а также под действием скоростного напора и температуры
потока газов, которые проникают через пористый материал стол-
бика. Согласно результатам измерений температуры, выполненных
с помощью термопар, вмонтированных в заряды из замедлительной
смеси, в начальный период происходит медленное повышение
температуры, а затем, когда фронт пламени приближается к термо-
паре, температура очень резко повышается. Также было устано-
влено, что температура реакции уменьшается с увеличением
давления прессования смеси. Уменьшение размеров частиц
горючего приводит к увеличению температуры реакции.
Существуют противоречивые мнения относительно роли
процесса теплопроводности смеси. Недавно проведенные исследо-
вания показали, что теплопроводность не настолько важна,
как это предполагалось ранее. Ни теплопередача излучением,
ни конвекция, как установлено, не играют первостепенной роли.
Существуют достаточно убедительные доказательства, что наи-
большее влияние на тепловой поток оказывает интенсивность
газообразования при горении смеси.
Эти исследования наглядно продемонстрировали, что в непро-
реагировавшей смеси существуют градиенты давления и темпера-
туры. Вследствие пониженного давления в этой зоне туда прони-
кают образующиеся горячие газы, которые повышают температуру
пористой массы прессованного порошка. Согласно, результатам
измерений, скорость движения потока газов в 10 раз превышает
скорость распространения фронта пламени. Объем образующихся
при горении газов также значительно превышает объем воздуха,
заполняющего промежутки между частицами прессованного
порошка. Объем этих газов зависит от количества окислителя
в смеси: чем больше содержание окислителя, тем больше объем
газов, и этот фактор может указывать на избыток окислителя.
Газы от инициатора также увеличивают общий объем газов
и повышают давление в системе. Давление газов увеличивается
с уменьшением плотности прессования заряда, т. е. с увеличе-
нием его пористости. Результирующее давление зависит также
Л)т размера частиц горючего: чем меньше размер частиц, тем выше
правление газа. Однако размер частиц окислителя не оказывает
^влияния на давление газов.
288
Глава 9
С практической точки зрения проницаемость газов через
пористый заряд непосредственно влияет на скорость горения
и разбросы характеристик замедлительной системы, имеющей
концевой заряд. Это недавно обнаруженное явление получило
название «эффект упреждения». В системах замедлителей с кон-
цевым зарядом типа азида свинца продолжительность горения
меньше, чем при отсутствии концевого заряда. Это вызвано тем,
что газы, просачивающиеся через столбик смеси перед фронтом
пламени, воспламеняют концевой заряд до того, как к нему
подойдет фронт реакции. Более подробно этот эффект будет
описан в разделе по пиротехническим системам (см. подраздел
«Смеси на основе хромата бария и бора»).
ПИРОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ
Относительно
пне некоторых
низкая скорость реакции и малое газообразова-
пиротехпических смесей благоприятствуют их
Ф и г. 9.2. Типы замедлителей.
а - с протоком газов; б — с
обтюрацией; в — с обтюрацией и
протоком газов в замкнутую по-
лость.
j — инициатор; 2 — корпус;
;] — воспламенитель; 4 — замедли-
тельпая смесь; .5 — концевой за-
ряд; в — свободный объем;
7 — наружный корпус; 8 — вну-
тренний корпус.
использованию в качестве замедлителей. При разработке смеси
для замедлителей военного назначения исследователь сталкивает-
ся с трудной задачей проектирования изделия, которое можно
было бы достаточно просто изготовить из относительно недорогих
и недефицитных материалов и которое должно надежно функции-
Пиротехнические замедлители
289
нировать в широком интервале температур и давлений, выдержи-
вать тяжелые условия эксплуатации (обращения), а также дли-
тельное хранение в неблагоприятных условиях. В настоящее
время известен целый ряд факторов, которые влияют на рабочие
характеристики замедлительных смесей. Чтобы обеспечить выбор
оптимальной смеси, необходимо учесть все эти факторы. Ниже
будет рассмотрена роль каждого из них. На фиг. 9.2 схематически
представлены обычные типы замедлителей.
ВРЕМЯ И СКОРОСТЬ ГОРЕПИЯ
Недавно выполненные исследования параметров, оказываю-
щих влияние на время горения замедлительных смесей, позволили
обнаружить новый и весьма важный эффект. Установлено, что
при использовании концевого заряда из азида свинца значительно
сокращается время горения и увеличивается разброс данных
по времени срабатывания. Это связано с «эффектом упреждения»,
который зависит от количества и скорости образования газов
при горении. Нагретые газы проникают через поры прессованного
столбика перед фронтом пламени и воспламеняют термически
более чувствительный концевой заряд, сокращая время горения.
Разные концевые заряды обеспечивают разные значения времени
горения при одной и той же замедлительной смеси. Некоторые
результаты, характеризующие этот эффект, приведены в подраз-
деле «Смеси на основе хромата бария и бора». Недавно выпол-
ненные исследования показали также, что размеры и тип вос-
пламенителя могут повлиять на скорость горения замедлительной
смеси.
Эти факторы имеют очень важное сопутствующее значение,
вызывая сомнения в правильности опубликованных результатов
предыдущих исследователей, которые не были знакомы с этими
явлениями. В более ранних исследованиях также не учитывались
изменения времени горения как инициаторов, так и концевых
зарядов в зависимости от начальной температуры или в резуль-
тате хранения. Поэтому опубликованные данные не дают истин-
ной характеристики изменения времени горения замедлительных
смесей. Эти данные по времени горения должны рассматриваться
не только с учетом состава замедлительной смеси, но и характе-
ристик изучаемой системы в целом. Поэтому следует иметь ввиду,
что многие опубликованные данные не надежны вследствие того,
что изменение в какой-либо части системы может оказать суще-
ственное влияние на результаты. Данные по скорости горения,
приведенные ниже, следует рассматривать не как абсолютные
значения, а скорее как типичные характеристики, которые можно
использовать лишь при анализе тенденций.
19—1088
290
Глава 9
КОМПОНЕНТЫ ЗАМЕДЛИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ
Еще при разработке первых замедлительных смесей было
установлено, что присутствие влаги значительно ухудшает их
рабочие характеристики, затрудняет воспламенение и распростра-
нение фронта пламени. Влияние влажности становилось наиболее
выраженным при длительном хранении смесей. В связи с этим
были предприняты попытки получить негигроскопичные компо-
ненты. В результате этих исследований стали использовать цир-
коний, сплавы циркония с никелем, титан, молибден, а также дру-
гие металлы и сплавы. Однако оказалось, что эти металлы окис-
ляются в присутствии влаги, вследствие чего после хранения
образцов увеличивается время их горения. Обработка хроматами
и использование других покрытий не привело к желаемым резуль-
татам. Был сделан вывод, что единственным способом обеспечения
однородности и стабильности показателей является хранение
пиротехнической смеси в сухой атмосфере.
Установлено также, что образование газов и паров оказывает
значительное влияние на рабочие параметры смеси, особенно
в случае обтюрированных (герметизированных) систем. Чтобы
уменьшить количество образующихся газов, стали использовать
компоненты с меньшим содержанием примесей и более высокой
точкой кипения, продукты реакции которых также имеют более
высокую точку кипения. Органические связующие, при горении
которых образуется значительное количество газов, были совсем
исключены из состава смесей, если только не выдвигались особенно
жесткие требования по механической прочности столбика. Путем
масс-спектрографических исследований в продуктах горения
замедлительных смесей обнаружены водород, азот, двуокись
углерода и окись углерода.
Время горения можно варьировать путем изменения процент-
ного содержания компонентов, а также размера их частиц. Для
надежного функционирования большинство смесей должно
иметь избыток горючего. Увеличение и уменьшение размера
частиц горючего также оказывают существенное влияние на ско-
рость горения. Чем мельче частицы горючего, тем меньше про-
должительность горения.
КОРПУСА ЭЛЕМЕНТОВ ЗАМЕДЛИТЕЛЕЙ
В качестве конструкционных материалов корпусов замедли-
телей применяются многие металлы, а также пластмасса и кера-
мика. Однако вследствие недефицитности и простоты изготовления
в большинстве случаев применяются алюминий и медь. До сих
пор не появлялось сообщений о несовместимости этих металлов
Пиротехнические замедлители
291
с компонентами замедлительных смесей. Ни тип использованного
материала для корпуса, ни толщина его стенки выше минималь-
ного значения, вычисленного по пределу текучести материала
корпуса, не оказывают влияния на время горения замедлитель-
ных смесей. Однако диаметр заряда, а также внутренний диаметр
корпуса могут играть существенную роль: из-за слишком малень-
кого диаметра заряда часто прекращается распространение фронта
пламени при пониженных температурах, а с увеличением диаметра
повышается надежность и несколько сокращается время горения.
Из конструктивных соображений выбирается обтюрированный
(закрытый) или проточный (открытый) варианты замедлителя.
Время горения в проточных вариантах зависит от внешнего давле-
ния: чем ниже давление, тем больше время горения, чем ниже
коэффициент давления, тем лучше рабочие характеристики.
Заряды в обтюрированных системах горят быстрее вследствие
увеличения давления при образовании газообразных продуктов
сгорания. Любая небольшая утечка из системы замедлителя
приводит к значительному увеличению времени горения. При
проектировании обтюрированной системы необходимо преду-
смотреть некоторый минимальный свободный объем между инициа-
тором и зарядом замедлителя. При отсутствии свободного объема
затрудняется воспламенение заряда и часто резко сокращается
время горения. Поэтому лучше предусмотреть достаточный объем
для перетекания газов внутри системы, так чтобы эффект повыше-
ния давления был пренебрежимо малым.
ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬ ДАННЫХ ПО ВРЕМЕНИ ГОРЕНИЯ
Изготовитель замедлительной смеси должен обеспечить вос-
производимость результатов в пределах каждой партии смеси,
а также от партии к партии. В наиболее контролируемых лабора-
торных условиях разброс результатов в пределах одной партии
составляет около 3%. Разброс при переходе от партии к партии
часто превышает 3%. Этот разброс данных по времени горения
может быть вызван ухудшением смешения, неполным высушива-
нием, изменением содержания компонентов, повышенным содер-
жанием примесей, отклонениями размера частиц и распределения
частиц по размерам. Изменение высоты столбика также может
отрицательно сказаться на воспроизводимости характеристик.
ТЕМПЕРАТУРА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Требования, предъявляемые к военным средствам, предусмат-
ривают надежное функционирование системы замедления в интер-
вале температур от —54 до 70° С при малом изменении времени
19*
292
Глава 9
горения в указанном температурном интервале, т. е. эти замедли-
тельные смеси должны обладать низким температурным коэффи-
циентом. Исследования влияния температуры показали, что
в указанном температурном интервале время горения может
изменяться на величину до 20%. Чем ниже начальная темпера-
тура окружающей среды, тем меньше скорость горения; при
повышении температуры окружающей среды наблюдается увеличе-
ние скорости горения. Эффективные способы уменьшения этого
недостатка пока еще не найдены.
ДАВЛЕНИЕ ПРЕССОВАНИЯ
Ввиду необходимости обеспечения целостности столбика
замедлительной смеси при больших ударных нагрузках проведе-
ны широкие исследования влияния давления прессования на вре-
мя горения. Хотя с увеличением давления прессования наблю-
дается уменьшение времени горения всех смесей, эти изменения
времени горения обычно невелики (менее 10%), особенно при
давлениях прессования выше 1400 ат.
ВЛИЯНИЕ ПЕРЕГРУЗОК И ВРАЩЕНИЯ
Большие перегрузки или вращение сокращают время горе-
ния, а также могут вызвать прекращение распространения фрон-
та пламени. Смеси, при горении которых образуются твердые
шлаки, по-видимому, способны лучше противостоять воздействию
больших перегрузок, чем смеси, образующие жидкие (подвиж-
ные) шлаки.
УСЛОВИЯ ХРАНЕНИЯ
При разработке смеси для замедлителей стремятся получить
состав, который сможет выдерживать длительное хранение при
неблагоприятных условиях. При использовании чистых и негигро-
скопичных материалов для изготовления смеси в условиях,
позволяющих избежать поглощения влаги, получены смеси,
имеющие удовлетворительные рабочие характеристики после
длительного хранения как при высоких, так и при низких тем-
пературах в среде высокой влажности. Однако обычно наблю-
дается небольшое увеличение времени горения после хранения.
Для выявления смесей, не пригодных для длительного хранения,
разработаны методы форсированного хранения образцов в усло-
виях циклического изменения температуры, влажности и давления.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Данные по чувствительности замедлительных смесей к тре-
нию, удару, теплу и электростатическим разрядам зачастую имеют
Пиротелническ ие замедлители
293
олыпой разброс, особенно это касается ранее разработанных
останов. Поскольку эта информация нужна не только для обес-
ечения безопасности при изготовлении, но также для анализа
[еханизма реакций, количество опубликованных данных за
оследнее время существенно возросло. Хотя точные рекомен-
ации по характеристикам чувствительности и степени опас-
ости невозможны, установлены некоторые критерии для целей
онтроля. Смеси, которые очень чувствительны к трению как
о стальным (гладким), так и по волокнистым (шероховатым)
оверхностям, обычно считаются опасными для использования.
Гувствительность к трению только по стали считается допу-
тимой, но необходимо принимать особые меры предосторожно-
ти. Для приемки изделия необходимо, чтобы допустимые нагруз-
и на удар были выше или равны соответствующим нагрузкам
ля тетрила. Если смесь более чувствительна к удару, чем тетрил,
о менее чувствительна, чем азид свинца, то она допустима
приемке, но требует осторожного обращения. Если смесь более
увствительна, чем азид свинца, то она должна классифициро-
аться как опасная.
Хотя замедлительные смеси инициируются специальными
епловыми источниками, значения температуры воспламенения,
оторые приближаются к температурам хранения, считаются
пасными. Однако температура воспламенения смеси не должна
ыть слишком высокой, чтобы не затруднять воспламенение. Сле-
ует помнить, что смесь труднее воспламеняется при уменьшении
емпературы и давления. Смесь считается чувствительной к элек-
ростатическим зарядам, если она инициируется при уровне энер-
ии, равном заряду, который может образоваться на корпусе.
!меси, содержащие мелкодисперсные горючие компоненты, такие,
ак цирконий и магний, весьма чувствительны к воздействию
лектростатических разрядов.
ЗАМЕДЛИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ
В следующих подразделах приведены имеющиеся данные
о ряду смесей, которые еще используются или считаются пригод-
ыми для использования. Исследования по кинетике и теории
орения таких смесей либо отсутствуют вообще, либо являются
есьма неполными, что значительно здтрудняет разработку новых
амедлительных смесей.
За последние 40 лет разработан ряд смесей, которые пред-
тавлены ниже в хронологическом порядке. Времена и скорости
орения смесей, приведенные в таблицах, следует рассматривать
ишь как номинальные значения.
294
Глава 9
СМЕСИ НА ОСНОВЕ СВИНЦОВОГО СУРИКА И КРЕМНИЯ
Хотя порошки на основе свинцового сурика и кремния, в кото-
рых в качестве связующего употреблялось льняное масло или
глицерин, больше не применяются, они будут вкратце рассмот-
рены, поскольку исторически их следует отнести к первым «без-
газовым» заме длительным смесям. Разработка этих смесей нача-
лась до 1926 г., так как нужно было найти заменитель черного
пороха для кольцевых замедлительных зарядов. Вследствие боль-
шого разброса параметров горения, вызванного образованием
подвижных шлаков, которые взаимодействовали с фронтом пла-
мени, эти смеси были признаны непригодными для практического
использования.
В 1929 г. было предложено использовать эти смеси в ВВС для
осколочных бомб, которые сбрасывались с высоты менее 7,5 м.
Они должны были заменить составы на основе черного пороха
с временем горения 7 сек. Ввиду того что систематически наблю-
далось прекращение распространения фронта пламени, смеси,
содержащие свинцовый сурик и кремний, перестали использовать.
Таблица 9.1
Уравнение химической реакции Стехиометри- ческое соот- ношение компонентов Тепловой аффект реакции (рас- четное значение), кал/г
РЬ3О4 -+- 2Si - _>3Pb-;-2SiO2 92,5/7.5 310
3Pb3O4 -(-3Si - —>4Pb j 2РЬО , 3SiO2 94/6 250
3Pb3O4 + 2Si - _» 4Pb+2PbSiO3^SiO2 94/6 255
Состав смеси 84% Pb3O4, 15?6 Si, 1% глицерина.
В табл. 9.1 приведены реакции, которые могут происходить
при стехиометрическом соотношении указанных компонентов
(без учета небольших добавок глицерина).
СМЕСИ ПА ОСНОВЕ ХРОМАТА СВИНЦА И КРЕМНИЯ
Другие «безгазовые» смеси, разработанные для замены черного
пороха, содержали хромат свинца и кремний, а в качестве свя-
зующего— льняное масло или глицерин аналогично рассмотрен-
ным выше смесям на основе свинцового сурика и кремния. Эти
смеси были также разработаны для кольцевых зарядов с обеспече-
П иротпехнические замедлители 295
нием времени задержки от 30 до 35 сек. Хотя указанные смеси
были разработаны до 1932 г., они применялись во время второй
мировой войны в замедлителях авиабомб с временем горения
от 4 до 11 сек. Эти замедлители использовались при рикошетирую-
щем бомбометании с самолетов. Затем появились другие, более
надежные смеси, с лучшими рабочими характеристиками. Пред-
полагалось, что имевшие место отказы были обусловлены испаре-
нием металлического свинца, который образовывался в процессе
Фиг. 9.3. Прекращение горения
вследствие образования газового
пузыря.
реакции; пузыри пара в расплавленном шлаке достигали значи-
тельных размеров, достаточных, чтобы прервать горение смеси
(фиг. 9.3). При прессовании до высокой плотности более медленно
горящие смеси становились трудно воспламеняемыми.
СМЕСИ П\ ОСНОВЕ ХРОМАТА БШ1Я, МАРГАНЦА И СЕРЫ
Требование к замедлительным пиротехническим смесям выдер-
живать повторные удары о твердые поверхности (что характерно
для рикошетирующих авиабомб ВВС) привело к разработке
смесей, содержащих хромат бария, марганец и серу. Замедли-
тели М16-А1 были признаны удовлетворительными. Время горения
смесей, содержащих 70—74% хромата бария, 20—22% марганца
и 3—4% серы, составляло от 8 до 11 сек. По надежности эти смеси
значительно превосходили любую из рассмотренных выше смесей,
содержащих кремний.
Для смесей на основе хромата бария, марганца и серы харак-
терно параллельное протекание двух реакций (табл. 9.2).
При постоянном содержании марганца время горения смеси
зависит только от содержания серы. В табл. 9.3 приведены значе-
ния времени горения смесей разных составов, из которых пзготав-
296
Глава 9
ливается замедлительный элемент М-16 при давлении прессования
2800 кг)см2 (вес замедлительной смеси 1050 мг; вес передаточного
Таблица 9.2
Уравнение химической реакции
Стехиомет-
рическое
соотношение
компонентов
Тепловой эффект
реакции (расчет-
ное значение),
кал г
MnH-S—>MnS
2BaCrO4 + ЗМп 2ВаО
Сг2О3-рЗМпО
63/37
75,4/24,6
540
215
заряда 300 мг, вес стандартного воспламенителя на основе свинцо-
вого сурика и кремния 175 мг).
Предварительные испытания на продолжительность хранения
этих смесей, используемых в замедлителе М16-А1, проводились
Таблица 9.3
Содержание компонентов смеси, % Номинальное среднее вре- мя горения, CI К
сера хромат бария марганец
4,00 72,00 24,00 4,69
5,00 71,25 23,75 4,47
6,00 70,00 23,50 4,03
7,00 69,75 23,25 4,72
8,00 69,00 23,00 4,17
9,00 68,25 22,75 3,10
10,00 67,50 22,50 4,73
11,00 66,75 22,25 4,16
12,00 66,00 22,00 4,30
13,00 65,25 21,75 7,05
15,00 63,75 21,25 5,21
в течение одной, двух и четырех недель при температуре 65° С.
Хотя путем химического анализа не обнаружено заметного изме-
нения состава смеси, после хранения выявилась тенденция к уве-
личению времени горения. В табл. 9.4 представлены эксперимен-
тальные данные для смеси, содержащей 71,4% хромата бария,
23,8% марганца и4,8% серы при давлении прессования 2800 кг/см2,
Дополнительные испытания на продолжительность хранения
проводились в течение 9 мес при температуре 65° С. Были обна-
ружены следующие явления:
П иротпехнические замедлители
297'
1. После хранения в течение первых двух месяцев время горе-
ния возрастало приблизительно на 2 сек; дальнейшее увеличение
было очень незначительным.
Таблица 9.4
Параметр Перед хране- нием После хранения в течение
1 пед. 2 нед. 4 вед.
Номинальное время горения, сек
среднее значение 10,10 10,50 10,41 10,87
максимальное значение 10,70 11,46 10,98 11,44
минимальное значение 9,23 9,94 10,01 9,67
Максимальное отклонение, сек 1,47 1,52 0,97 1,77
Количество отказов на 50 испытании 0 1 0 1
2. Отказы при стендовых испытаниях составляли от одного
на 50 испытаний при хранении в течение 1 мес до четырех на
50 испытаний при хранении в течение 2 мес и снова снижались
до одного отказа на 50 испытаний после храпения в течение 3 мес.
Результаты дополнительных испытаний приведены в табл. 9.5^
Таблица 9.5
Параметр Перед хране- нием После храпения ори температуре 65° С в течение
1 „иге 9 мес 3 мес 4 мес 6 мес 8 мес 9 мес
Поминальное среднее время горения, сек 9,62 11,45 11,88 11,88 11,86 12,70 13,12 13,00
Количество испыта- ний 50 50 50 50 50 50 50 50
Количество отказов 0 1 4 1 1 3 9 7
К наиболее привлекательным характеристикам смесей, содер-
жащих хромат бария, марганец и серу, следует отнести высо-
кую температуру плавления их продуктов химической реакции
и пребывание в твердом состоянии при температуре, дости-
гаемой в процессе горения. Эти смеси легко воспламеняются
при сравнительно высоких давлениях прессования (2800—
7000 кг! см2}, хотя при еще более высоких давлениях прессования
возникает тенденция к увеличению времени горения. Компоненты
Йтих смесей являются недефицитпымн и относительно дешевыми.
298
Глава 9
В табл. 9.6 представлены экспериментальные данные по влиянию
давления прессования на время горения этих смесей.
Наличие влаги или тенденция к ее поглощению замедлитель-
ными смесями всегда считались одной из основных причин отказов
Таблица 9.6
Давление прессования, хг/с,и2 Номинальное среднее время горения,
700 9,51
2800 9,84
3500 10,94
4200 11,66
4900 11,28
воспламенения или аномальной работы. Поэтому были прове-
дены обширные исследования гигроскопичности смесей, имеющих
относительно хорошие рабочие характеристики. В табл. 9.7
Таблица 9.7
Темпе- рату- ра, °C Отно- ситель- ная В 1ЭЖ- пость, % Увеличение веса образца при указанных ус говнях, %
продолжительность выдержки, чп<
24 48 72 96 120 144 16 8
21 90 0,52 0,13 1,13 ...1,39 0,43 1,53 0,63 1,74 0,99 1,82 1,14 1,91 1,29
21 70 0,03 0,03 0,19 . ..0,12 0,02 0,11 0,02 0,14 0,02 0,14 0,02 0,19 0,02
21 50 0,01 0,00 0,08 ...0,05 0,00 0,03 0,00 0,04 0,00 0,04 0,00 0,04 0,00
21 <0 0,01 0,01 0,0!) .. Jo,04 0,01 0,01 0,01 0,05 0,01 0,03 0,01 0,03 0,01
представлены экспериментальные результаты, полученные для
двух различных смесей, содержащих хромат бария, марганец
и серу.
СМЕСИ НА ОСНОВЕ ХРОМАТ V Б\1»ИЯ, ЦИРКОНИЯ, НИКЕЛЯ
И ПЕРХЛОРАТА К\ЛИЯ
Разработанная для замены черного пороха в замедлителях
взрывателей ручных гранат, эта смесь значительно превосходит
по своим характеристикам черный порох и несколько лучше
рассмотренных выше смесей на основе хромата бария, марганца
Пиротехнические замедлители
299
и серы. При выборе в качестве компонентов циркония и никеля
руководствовались соображением, что, будучи негигроскопич-
ными, эти компоненты увеличат стабильность смесей. Было уста-
новлено также, что скорость горения уменьшается при хранении
и что для получения воспроизводимых результатов порошок нике-
ля следует изготавливать с использованием ртутной амальгамы,
а размер частиц циркония должен тщательно контролироваться.
Реакции, протекающие при воспламенении этой смеси
(идбл. 9.8), значительно сложнее предыдущих, поскольку одно-
Таблица 9.8
Уравнение химической реакции Стехиометри- ческое соот- ношение компонентов Тепловой эффект реакции, кал /г
KC104+2Zr - _> КС1 -2ZrOo 43/57 1580
KC104-i-4Ni - KC1 r4NiO 37/63 600
1BaCrO4-|- 3Zr — _> 4BaO-j-2Cr2O3 -3ZrO2 79/21 376
2BaCiO4-(-3Ni - _>2BaO }-Cr2O3-i 3NiO 74/26 41
временно протекает четыре реакции. Каждая из этих экзотерми-
ческих реакций характеризуется своей скоростью горения.
Изменяя относительное содержание циркония и никеля, мож-
но в широких пределах варьировать время горения. Для обеспече-
ния воспламеняемости состава при отрицательных температу-
рах потребовалось ввести в состав смеси перхлорат калия. Дав-
ление прессования выше 2800 кг!смг оказывает незначительное
влияние на время горения, как это можно видеть из представлен-
ных в табл. 9.9 экспериментальных данных.
Таблица 9.9
(/одержание компонентов смеси1), % Давление прессования, кг, cat2
14 0 0 2100 2800 3500 420 0
хромат бария перхло- рат калия никель цирко* НИЙ Номинальное среднее время горения, сск
64 и 20 5 11,0 11,2 11,8 12,1 12,2
64 11 13 12 — — 2,0 2,0 1,9
64 11 21 4 13,0 13,5 14,0 14,3 14,0
1) Вес заряда 1680 мг.
300
Глава 9
Хотя заряды из этих смесей не имели отказов после хранения
в течение 11 мес при температуре —54° С, нормальной температуре
и при температуре 71° С, время горения заметно возрастало с уве-
личением температуры хранения от —54 до 71° С.
Вследствие изменений характеристик после хранения при
разных температурах, а также вследствие того, что обработка
порошков никеля и циркония для предотвращения коррозии
не устраняла всех трудностей, использование этих смесей было
прекращено.
Ниже приведены имеющиеся данные по чувствительности
смеси, содержащей 64% хромата бария, 4% циркония, 21 % никеля
и 11% перхлората калия.
Температура вспышки при воздействии источника 479
нагрева в течение 5 сек, °C
Чувствительность к удару по методике Минного от- 100-]- Ц
дела; вес груза 2 кг, см
Чувствительность к трению на маятнике
по стальным башмакам Не обнаружена
по волокнистым башмакам » »
1) Знак «Ц», по-видимому, означает, что характеристика чувствительности превышает
указанную (т. е. выше 100 см). — Прим, перев.
СМЕСИ ПА ОСНОВЕ ХРОМАТА БАРИЯ, СПЛАВА ЦИРКОНИЯ
С НИКЕЛЕМ И ПЕРХЛОРАТА КАЛИЯ
Решение прекратить использование смеси порошков циркония
и никеля в качестве горючего в замедлительных составах вызвало
интерес к сплавам циркония и никеля в качестве возможного
горючего. Эти сплавы хуже воспламеняются, менее опасны в упот-
реблении, чем тонкий циркониевый порошок, и позволяют обхо-
диться без каталитического никелевого порошка, требующего
тщательно контролируемых условий процесса производства.
Смеси тонкого порошка циркония (размер частиц 5 мк) с водой
при содержании воды до 20% легко воспламеняются и очень
быстро сгорают; при содержании 30% воды смесь не воспламе-
няется. Смесь, содержащая 25% воды, с трудом воспламеняется
и очень медленно сгорает. При проведении аналогичных испыта-
ний со сплавами 30% циркония и 70% никеля смесь не воспламе-
нялась при содержании воды 20%.
При воспламенении смесей, содержащих хромат бария, сплав
циркония с никелем и перхлорат калия, одновременно протекают
четыре экзотермические реакции (табл. 9.10).
Изменяя процентное содержание хромата бария, сплава
и перхлората калия, можно в широких пределах варьировать
скорость горения смеси. Кроме того, путем изменения относитель-
Пиротпехнические Замедлители
301
ного содержания циркония и никеля в сплаве обеспечивается
дополнительная возможность изменения скорости горения. Уве-
Таблица 9.10
Уравнение X химической реакции Стехиометри- ческое соотно- шение компо- нентов Тепловой эффект реакции (рас- четное значе- ние), кал/г
КС1О42Zr _> KC14-2ZrO2 43/57 1580
KC1044-4Ni KCl + 4NiO 37/63 600
4BaCrO4-[-3Zr —> 4BaO + 2Cr2O3 + 3ZrO2 79/21 376
2BaCrO44*3Ni — 2BaO + Cr2O3H-3NiO 74/26 44
личение содержания перхлората калия первоначально приводит
к уменьшению времени горения; однако по мере дальнейшего
Таблица 9.11
Содержание компонен- тов смеси, % Номинальное сред- нее время горения, сек Эксперимен- тальное зна- чение теп- лового эф- фекта реакции (в среде ге- лия), кал/з Объем- ное га- зообра- зова- пие, слгЗ/з Темпера гура вспышки при воздействии Т.'ПЛОВ IO источника в течение 5 сек, °C
хро- мат бария цирконий- никеле- вый сплав (50/50) пер- хло- рат калия при нор- мальной началь- ной! тем- пературе при тем- пературе -54° С
.77 23 0 6,1 —- 202 1,0 —
80 20 0 8,0 — 190 0,8
75 20 5 7,2 255 1,4 —
83 17 0 Горение прекра- тилось 169 • ——
83 17 0 9,3 200 0,7 —
78 17 5 9,9 11,6 219 1,2 490
75 17 8 9,4 246 4,3 —
80 15 5 12,8 15,2 199 1,0 —
82 13 5 13,7 17,2 185 0,2 ——
увеличения содержания перхлората калия время горения воз-
растает. В табл. 9.11 представлены данные по скорости горения
в зависимости от состава и начальной температуры. Приведены
также значения теплового эффекта реакции, объемного газообра-
зования и температуры вспышки.
302
Глава 9
В табл. 9.12 приведены результаты испытаний при нормальной
начальной температуре и температуре —54° С смеси, содержащей
60% хромата бария, 26% цирконий-никелевого сплава и 14%
перхлората калия, после хранения в течение 8 мес при темпе-
ратуре 77° С.
Заряды из этой смеси были изготовлены прессованием под
давлением 2800 кг/см2, в корпуса обтюрированных замедлителей
М16-А1. При испытаниях десяти образцов при каждой начальной
Таблица 9.12
Продолжительность хранения при тем- пературе 77° С, нес Номинальное среднее время горения, сек
при нормальной, начальной темпе- ратуре при начальной температуре —54° С
0 13,6 15,3
1 13,0 15,0
2 13,3 15,1
4 13,0 14,9
8 13,1
температуре не было получено отказов после хранения в течение
всех указанных периодов времени. Хотя разбросы времени горе-
ния каждой группы зарядов при нормальной температуре и тем-
пературе —54° сравнительно невелики, разница во времени горе-
ния при переходе от одной температуры к другой весьма значи-
тельна. Данные по скорости горения при повышенных начальных
температурах не получены.
В связи с применением ракет для исследований на больших
высотах потребовалась разработка замедлителей, удовлетворяю-
щих новому требованию: при пониженных давлениях время горе-
ния должно мало изменяться (или практически не изменяться
совсем). Образцы из смеси, содержащей 54% хромата бария,
31% цирконий-никелевого сплава (в соотношении 70/30) и 15%
перхлората калия, были испытаны в широком интервале давлений.
Они запрессовывались под давлением 2520 кг/см? в корпуса замед-
лителей М-112. Результаты испытаний приведены в табл. 9.13.
Уменьшение давления от 760 до 34 мм ртп. ст. привело к уве-
личению времени горения приблизительно на 70%. При давлениях
ниже 34 мм рт. ст. воспламенение и время горения имели недо-
пустимо большой разброс.
В табл. 9.14 приведены данные по времени горения той же
смеси в интервале начальных температур от —54 до 300° С. При
Пиротехнические замедлители
303
температурах выше 300° С опыты не проводились из-за опасности
самовоспламенения.
При проведении дополнительных экспериментов со смесями,
содержащими цирконий-никелевые сплавы, обнаружено увеличе-
ние времени горения при длительном хранении, особенно в при-
сутствии влаги. Для устранения этой тенденции частицы сплава
Таблица 9.13
Давление, .им рт. сп». Номинальное среднее время горения, <<к
34 7,1
100 6,0
300 6,3
500 4,6
760 4,2
Таблица 9.11
Начальная тем- Номинальное среднее
нература, °C время горения, (f‘K
—54 4,3
—23 4,0
0 3.9
77 3,8
147 3,2
227 2,8
300 2.6
обычно обрабатываются бихроматом, что уменьшает чувствитель-
ность к влаге. Эта обработка, хотя и ослабляет реакционную спо-
собность сплава, не полностью устраняет указанный недостаток.
Типичные данные по чувствительности смесей, содержащих
цирконий-никелевые сплавы, представлены ниже.
Чувствительность к трению на маятнике:
по стальным башмакам
по волокнистым башмакам
Чувствительность к удару, слс
по методике Минного отдела; вес груза 2 кг
по методике Пикатинского арсенала, вес груза 2 кг
Температура вспышки при воздействии источника
нагрева в течение 5 сек, СС
Стабильность в вакууме при температуре 120° С и
времени выдержки 40 час. см3 газа
Небольшая или во-
обще отсутствует
Не обнаружена
От 60 до 100—[
От 25 до 40—}-
Около 500
0,20
Чувствительность к трению, удару и нагреву, по-видимому,
определяется суммарным содержанием горючего и относительным
содержанием циркония и никеля в сплаве. Чем выше содержание
горючего, тем более чувствителен состав к внешнему воздействию.
С увеличением процентного содержания циркония чувствитель-
ность также, по-видимому, увеличивается.
304
I
/
Глава 9
СМЕСИ ПЛ ОСНОВЕ ХРОМАТА БАРИЯ, ХРОМАТА СВИНЦА
И МАРГАНЦА (D-lfi)
Относительно смесей на основе хромата бария, хромата свинца
и марганца известно, что при хранении в отсутствие влаги их
характеристики вполне удовлетворительны. Склонность тонкого
порошка марганца к окислению в присутствии влаги является
основной причиной значительного разброса характеристик после
хранения. Поэтому для увеличения допустимого срока хране-
ния смеси марганец обычно обрабатывается водным раствором
бихромата калия, а затем стеариновой кислотой, растворен-
ной в четыреххлористом углероде. Однако эта обработка не
всегда обеспечивает удовлетворительную защиту марганца. Ана-
логичные результаты были получены при обработке водоро-
дом, хромовой кислотой и другими веществами. Размер частиц,
Таблица 9.16
Тип смеси Номинальное относитель- ное время горения, гея-'мм । Тепловой эффект реакции, кпл 'г Объемное газообразование, см$/г ( Состав газа, о/ /0 Температура вспышки, °C 1 Состав смеси, % !
к о и при воздействии теплово!о 1 источника в течение 5 сет, 1 ’ ! по данным дпфференци- | ильного термического ана- | лиза
А 0,08 260 15,4 55,0 45,0 608 382 Марганец *) Хромат свин- ца Хромат бария 45,0 55,0
В 0,33 256 18,3 77,7 22,3 660 522 Марганец ’) Хромат свин- ца 33,0 37,0
• - . — Хромат бария 30,0 —
Lift OU ? i -J t ) О 1 Ч f м 1НДpl сшиц / Хромат свин- ца Хромат бария 30,2 37,0
1) Размер частиц 5,7 мк.
П иротпехнические замедлители
305
а также наличие МпО2 на поверхности частицы оказывают зна-
чительное влияние на стабильность при хранении.
Дифференциальный термический анализ смеси D-16 показы-
вает, что до момента воспламенения происходят экзотермические
реакции между хроматом свинца и марганцем с образованием
МпО при отсутствии воздуха и Мп3О4 в среде воздуха. Из анализа
термограмм следует, что хромат свинца из различных партий
имеет существенно различные характеристики. Химические
реакции при горении смеси происходят в твердой фазе.
Скорости горения смесей существенно зависят от относитель-
ного содержания хромата бария и хромата свинца. С увеличением
содержания хромата бария скорость горения уменьшается. Ско-
рость горения также зависит от размера частиц марганца и хро-
мата свинца. Чем меньше размер частиц, тем больше скорость
горения. Соответствующие экспериментальные данные представ-
лены в табл. 9.15.
Было также проведено экспериментальное исследование воз-
можного влияния на скорость горения материала корпуса, в кото-
рый запрессована смесь. Данные по времени горения прессован-
ного порошка D-16 (одинакового веса) в корпусах из алюминия
и меди представлены в табл. 9.16.
Таблица 9.16
Параметр Алюминие- вый норпус Медный корпус
Номинальное среднее время горе- ния, сек 8,15 10,3
Высота столбика замсдлительной смеси, мм 17,2 21,5
Номинальное среднее относитель- ное время горения, сек/мм 0,475 0,480
СМЕСИ ИД ОСНОВЕ ХРОМАТА БАРИЯ И БОРА
Некоторые смеси па основе хромата бария и аморфного бора
приближаются по своим характеристикам к идеальным смесям,
поскольку они просты в производстве, легко воспламеняются
и после хранения при неблагоприятных условиях окружающей
среды обеспечивают высокую степень надежности. Вследствие
относительно меньшего влияния влаги, начальной температуры
и давления эти смеси предпочтительнее любых рассмотренных
выше.
9В— < ORR
306
Глава 9
При стехиометрическом соотношении компонентов смеси,
содержащие хромат бария и бор, могут участвовать по крайней
мере в двух химических реакциях в зависимости от относитель-
ного содержания этих двух веществ (табл. 9.17).
Таблица 9.17
Уравнение химической реакции Стехиометри- ческое соот- ношение компонентов, % Тепловой эф- фект реакции, кал/г
расчет экспе- римент
2ВаСгО4+2В _ -> Сг2О3-|- ВагОзН- 2ВаО 95,9/4,1 303 381
ВаСгО4+2В _ ^Сг-;- В2О3+ВаО 92,1/7,9 357 480
Дополнительные данные для смесей, содержащих 95% хромата
бария и 5% бора, а также 90% хромата бария и 10% бора, пред-
ставлены ниже.
Свойства смеси, содержащей 95% хромата бария и 5% бора
1. Состав смеси и размер частиц
Компонент Фирма-изготовитель Размер частиц, .ик Состав, %
Хромат бария «J. Т. Baker» 1 95
Бор «American Potash» 1 5
2. Изделие', замедлитель взрывателя М-112 с протоком газа, высота столбика!
замедлителыюго заряда 19,8 мм
На уровне моря При низком давле- нии (25 мк рт. ст.)
Относительное время го- рения, сек/мм 0,0535 0,0555
Температурный коэффициент при О С 1,91 мсек/граб-сен.
3. Физико-химические характеристики;
а. Тепловой эффект реакции (эксперимен- 420 кал/г
тальное значение)
б. Температура реакции (расчетное значение) 1650° С
в. Зависимость плотности столбика от давле-
ния прессования:
давление прессования, кг/см2 350 630 2520 6930
плотность, г/см? 1,91 2,29 2,86 3,48
Пиротехнические замедлители
307
г. Объемное газообразование (эксперимен-
тальное значение)
4. Характеристики чувствительности:
а. Чувствительность к удару, см
по методике Минного отдела
по методике Пикатинского арсенала
б. Чувствительность к трению па маятнике:
по стальным башмакам
по волокнистым башмакам
в. Температура вспышки
при воздействии теплового источника в
течение 5 сек
по данным дифференциального термиче-
ского анализа
минимальная температура вспышки
г. Чувствительность к электростатическим
разрядам:
минимальная энергия разряда, тре-
буемая
для воспламенения 50% образцов, дж
» » 100% » »
температура 26° С, относительная влажность
смеси (без корпуса)
д. Гигроскопичность при температуре 210 С
8,0 см3!г
100+
102+
100% -ное воспламенение
Не обнаружена
700° С
630° С
675° С
0,270
0,400
20%, открытый столбик
Время вы- держки, час Относитель- ная влаж- ность, % Увеличение веса образ- ца, %
24 50 0,17
24 70 0,28
24 90 0,18
5. Стабильность в условиях вакуума:
во время выдержки при температуре 12° С в течение 40 час выделяется 0,06 см3
газов
6. Изменение характеристик после храпения:
увеличение времени горения приблизительно па 5% после хранения в тече-
ние 12 мес в присутствии силикагеля
Свойства смеси, содержащей 90% хромата бария и 10% бора
1. Состав смеси и размер частиц
Компонент Фирма-изготовитель Размер частиц, мк Содержание, %
Хромат бария «J. Т. Baker» 1 90
Бор «American Potash» 1 10
20*
308
Глава 9
2. Изделие', замедлитель взрывателя М-112 с протоком газа, высота столбика
замедлптелыгого заряда 19,8 мм
На уровне моря При низком давле- нии (25 лиг рт, ст.)
Относительное время го- рения, сек, мм 0,028 0,027
Температурный коэффициент при 0° С 1,22 мсек!град-сек
3. Физико-химические характеристики:
а. Тепловой эффект реакции (эксперимеп- 515 кал/г
тальное значение)
б. Температура реакции (расчетное значение) 1650° С
в. Зависимость плотности столбика от давле-
ния прессования
давление прессования, кг/см2 плотность, г,'см3 г. Объемное газообразование (эксперимен- тальное значение) 350 630 2520 6930
1,95 2,24 2,67 3,28
7,3 см3!г
4. Характеристики чувствительности: а. Чувствительность к удару, см
по методике Минного отдела 98
по методике Ппкатипского арсенала б. Чувствительность к трению на маятнике 30,5
по стальным башмакам 100%-ное воспламенение
по волокнистым башмакам в. Температура вспышки 100%-ное воспламенение
при воздействии теплового источника в течение 5 сек 680° С
по данным дифференциального термиче- ского анализа 700° С
минимальная температура вспышки г. Чувствительность к электростатическим разрядам: 610° С
минимальная энергия разряда, требуе- мая для воспламенения образцов, дж 0,0023
температура 26° С, относительная влажность смеси (без корпуса) 20%, открытый столбик
5. Изменение характеристик после хранения: в течение 12 мес в присут-
изменение времени горения на 5% после хранения ствии силикагеля при температуре 76° С.
В табл. 9.18 представлены данные по времени горения, тепло-
вому эффекту реакции, объемному газообразованию при горении
и температуре вспышки в зависимости от содержания бора в смеси.
Можно видеть, что с увеличением содержания бора от 3 до
19% время горения уменьшается. Тепловой эффект реакции
возрастает с увеличением содержания бора вплоть до 13%. Даль-
Пиротехнические замедлители
309
Таблица 9.18
Содержание бора, % Номиналь- ное 1) сред- нее время горения, сек Тепловой эффект реакции, кал/г Объемное газообразо- вание, смЗ/г Чувстви- тельность к удару по методике Ппкатин- ского арсе- нала, см Температура вспышки при воз- действии теплового источника в течение 5 сек, °C
3,0 7,56 Неполное протекание реакции 102Д- —
4,0 1,72 354 5,0 102-4 —
5,0 1,09 420 8,0 1024- ~ 700
6,0 0,77 431 8,4 94
8,0 0,56 462 7,9 71 —
10,0 0,47 515 7,3 53 680
13,0 0,40 556 8,9 51 —
15,0 0,39 551 7,0 41
17,0 0,38 543 11,6 33
19,0 0,37 535 8,8 41
21,0 0,38 526 8,6 86 —
23,0 0,41 503 4,2 1024- —
25,0 0,43 497 10,2 1024- —
30,0 0,57 473 10,4 1024- " -
35,0 0,97 446 12,7 102-4 —
40,0 2,19 399 14,1 1024-
45,0 5,25 364 15,0 102-4
50,0 14,5 Неполное протекание реакции 102 4 —
1) Смесь запрессована в корпус замедлителя взрывателя М-112 при давле-
нии 2520 кг/см^.
нейшее увеличение содержания бора приводит к уменьшению
теплового эффекта реакции. Аналогичная тенденция отмечена
для данных по чувствительности к удару; самая чувствительная
смесь содержит 15% бора. Приведенные в этой таблице резуль-
таты испытаний не следует рассматривать как абсолютные, по-
скольку они только намечают тенденции при изменении содер-
жания бора.
В табл. 9.19 представлены данные стендовых испытаний
по влиянию начальной температуры на время горения смесей,
содержащих 95% хромата бария и 5% бора, а также 90% хромата
бария и 10% бора. Указанные смеси были запрессованы в корпуса
замедлителя взрывателя М-112.
310
Глава 9
Таблица 9.19
Содержание компонен- тов смеси, % Номинальное среднее время горения, сек Изменение, % Температур- ный коэффи- циент, мсек/град сек
хромат бария бор — 54° С 24° С 75° С
95 5 1,695 1,371 1,160 39,0 3,0
90 10 0,628 0,454 0,493 24,8 1,9
Время горения зарядов в замедлителях с протоком газа обычно
обратно пропорционально изменению внешнего давления. Соот-
ветствующие данные для двух смесей приведены в табл. 9.20.
Таблица 9.20
Содержание компонентов смеси, % Номинальное среднее время горения, сек
давление окружающей среды, мм рт. ст.
хромат бария бор 50 100 350 500 760
95,4 90 4,6 10 1,4 0,41 1,39 1,40 0,42 1,40 1,49 0,42
Содержание компонентов смеси, % Номинальное среднее время горения, сек
давление окружающей среды, кг/см?
тхромат бария бор ’ 1,05 3,5 7,0 17,5 35,0
95,4 4,6 1,8 1,5 1,4 1,2 1,1
Очевидно, однако, что изменение давления оказывает относи-
тельно слабое влияние на время горения этих двух смесей.
С увеличением давления прессования несколько увеличивает-
ся плотность заряда и время горения. В табл. 9.21 приведены
типичные данные для смесей, содержащих 95% хромата бария
и 5% бора, а также 90% хромата бария и 10% бора, запрессо-
ванных в корпуса замедлителя взрывателя М-112.
Аналогичные тенденции к уменьшению скорости горения
с увеличением давления прессования обнаружены и для других
смесей на основе хромата бария и бора.
Влияние давления прессования рассматривалось также с точ-
ки зрения роли формы пуансона пресс-инструмента. Установлено,
что форма пуансона оказывает влияние на время горения.
В табл. 9.22 приведены данные по времени горения нескольких
смесей при использовании трех различных по форме пуансонов.
Пиротехнические замедлители
311
Эти смеси были запрессованы в корпус трассера диаметром 40 мм
при давлении 2520 кг!см2. В таблице представлены также значе-
ния разброса среднего времени горения.
Таблица 9.21
Давле- ние прес- сова- ния, кг/см2 Содержание компонентов смеси, %
95/5 90/10
Номиналь- ное относи- тельное время горе- ния, сек/мм Плот- ность, 0/СЛ13 Номиналь- ное относи- тельное время горе- ния, сек/мм Плот- ность, 0/СЛ1а
14 0,0475 1,88 0,0210 1,89
35 0,0475 1,91 0,0212 1,95
91 0,0510 2,22 0,0220 2,09
252 0,0549 2,41 0,0232 2,26
630 0,0588 2,55 0,0244 2,43
1260 0,0630 2,70 0,0256 2,57
2520 0,0665 2,89 0,0276 2,73
По приведенным результатам не обнаружено каких-либо
определенных тенденций изменения времени горения или разбро-
са его среднего значения.
Таблица 9.22
Форма пуансона Содержание компонентов смеси, %
номинальное среднее время горения, сек разброс, %
95/5 90/10 86/14 81/19 95/5 90/10 86/14 81/19
Плоская 2,37 0,89 0,74 0,73 0,99 0,56 1,90 2,74
Ступенчатая 2,30 0,86 0,70 0,72 1,01 2,14 0,57 1,25
Зубчатая 2,11 0,96 0,71 0,70 1,46 — 1,63 1,65
При проектировании системы, содержащей замедлительную
смесь, приходится разрешать вопросы, связанные с оптимальным
выбором металла для конструкционных элементов замедлителя,
внутреннего диаметра и толщины стенок, а также типа системы—
с протоком газа или обтюрированной. Чтобы получить ответ
на эти вопросы, были изготовлены замедлители методом прес-
сования столбиков смесей, содержащих 95 и 90% хромата
бария и 5 и 10% бора соответственно в цилиндрические корпуса
312
Глава 9
из алюминия, меди и нержавеющей стали длиной 25,4 мм. Вну-
тренний диаметр корпуса в одной серии экспериментов был равен
6,35^лки, а в другой 9,5 мм\ толщина стенки изменялась от 1,27
до 25,4 мм в обеих сериях. Были измерены скорости горения при
начальной температуре — 54° С, нормальней температуре и 75° С
как для системы с протоком газов, так и для обтюрированной
системы. Полученные результаты по влиянию указанных факто-
ров представлены в табл. 9.23.
Таблица 9.23
Содержание компонентов смеси, %; тип системы Металл Диаметр корпуса 1), Л1Л1 Начальная температу- ра 1), °C Влияние толщины стенки
95/5, система с протоком газа Не влияет 6,35 2) 75 2) 3)
95/5, обтюри- рованная си- стема » » 9,50 2) 75 2) 3)
90/10, система с протоком газа » » Не влияет 75 2) Не влияет
90/10, обтюри- рованная си- стема » » 9,50 2) 75 2) » »
I) При проведении этих экспериментов значения диаметра корпуса и начальной
температуры соответствуют максимальным скоростям горения для каждой серии экспе-
риментов.— Прим, перев.
2) Существенное влияние (при доверительном уровне 95%).
3) Существенное влияние, но без определенных тенденций. Начальная температура
была равна —54° С, нормальной и 75° С. Толщина стенки 1,27, 3,8, 7,6, 12,7, 19,
25,4 лип. Материал — алюминий, медь, нержавеющая сталь.
Установлено, что начальная температура оказывает наиболее
существенное влияние. Во всех случаях смеси медленнее всего
горели при начальной температуре —54° С, несколько быстрее
при нормальной температуре и быстрее всего при температуре
75° С. При использовании обтюрированных систем было обнару-
жено значительное увеличение времени горения при диаметре
заряда 9,5 мм для обеих смесей. В случае смеси состава 95% хро-
мата бария и 5% бора толщина стенки оказывала влияние как
в системе с протоком газов, так и в обтюрированной системе.
Однако разница была слишком мала, чтобы можно было устано-
вить определенную тенденцию. В случае смеси состава 90% хро-
Пиротехнические замедлители
313
мата бария и 10% бора толщина стенки не имела сколько-нибудь
существенного значения.
Тот факт, что материал корпуса, несмотря на различие в коэф-
фициентах теплопроводности, не оказывает заметного влияния
на время горения, оказался до некоторой степени неожиданным
результатом. Однако это может быть обусловлено двумя причи-
нами:
1. Пленка из несгоревшей смеси может покрывать внутрен-
нюю поверхность корпуса и уменьшать теплопередачу и тепло-
вые потери.
2. Наиболее высокотемпературная зона реакции находится
в центральной части объема и может быть окружена нагретым
слоем шлака, препятствующим интенсивным тепловым потерям.
Как и ожидалось, в обтюрированных системах горение проте-
кает быстрее, поскольку накопление газов, выделяющихся при
горении смеси, способствует форсированию горения.
Выше отмечалась чрезвычайная важность эффекта упрежде-
ния. Этот эффект связан с образованием газов при горении замед-
лительной смеси и их влиянием на воспламенение концевого
заряда. При наличии концевого заряда время горения умень-
шается и его разброс значительно больше, чем при отсутствии
концевого заряда. В табл. 9.24 и 9.25 приведены данные,
иллюстрирующие это влияние.
В табл. 9.26 показано влияние воспламенителя на время горе-
ния нескольких смесей на основе хромата бария и бора.
Таблица 9.24
Влияние типа концевого заряда на характеристики
замедлительной смеси, содержащей 95% хромата
бария и 5% бора
Тип концевого заряда 1) Номинальное среднее время горе- ния, мсек Уменьшение времени горения, мсек
Отсутствует 441 —
ВаСгО4— В (86/14) 399 42
МоО3 -КС1О4 -Zr (26/21/53) 332 109
MoOg-Zr (51/49) 325 116
МоО3 —Cr2O3 —Zr (31,3/20/48,7) 307 134
Мо03 —Cr2O3—Zr (25,2/16,1/58,/7) 284 157
1) Заряд запрессован в корпус замедлителя взрывателя М-112 при
давлении 2520 кг/смЪ.
314
Глава 9
Таблица 9.25
Влияние изменения состава замедлительной смеси на основе хромата бария
и бора при наличии концевого заряда, содержащего 51% Мо03 и 49% Zr,
на время горения i
Система Номинальное среднее время горения и разброс времени горения, мсек
96/5 разброс 90/10 разброс 86/14 разброс
Замедлительный заряд Замедлительный заряд и конце- вой заряд 464 158 39 261 167 124 10 55 132 116 14 49
Уменьшение вре- мени горения, мсек 306 43 16
Таблица 9.26
Параметр Содержание компонентов смеси на основе хромата бария и бора 1)
95/5 93/7 86/14
при от- сутствии воспла- мените- ля при на- личии воспла- менителя при от- сутствии воспла- мените- ля при на- личии воспла- менителя при от- сутствии воспла- мените- ля при на- личии воспла- менителя
Среднее время го- рения, мсек 1079 1065 551 532 177 179
Разброс, % 22,8 15,7 6,9 3,9 5,6 —
1) Смесь запрессована в корпус замедлителя взрывателя М-112 при давлении
2520 k0/cai2; воспламенитель — навеска МоОз/Zr (55/45) весом 50 мг.
Использование воспламенителя приводит к некоторому умень-
шению разброса результатов при одновременном небольшом изме-
нении среднего времени горения.
Важным преимуществом смесей на основе хромата бария
и бора по сравнению с другими является их надежность при
неблагоприятных условиях хранения. После хранения эти смеси
характеризуются меньшими изменениями времени горения по
сравнению с другими смесями, которые предлагались для замед-
лителей взрывателей.
Лиротехнические замедлители
315
Данные по влиянию условий хранения при различной относи-
тельной влажности на время горения представлены в табл. 9.27.
Sas Таблица 9.27
Содержание компонентов смеси, %
Относитель- ная влаж- ность, % 95/5 90/10
Номиналь- ное среднее время горе- ния, сек Разброс, сек Увеличе- ние времени горения, сек Номиналь- ное среднее время горе- ния, сек Разброс, сек Увеличе- ние времени горения, %
1,0 1,372 0,038 — 0,540 0,045 —
50,6 1,383 0,091 0,8 0,565 0,050 4,6
75,5 1,481 0,070 7,9 0,568 0,032 5,2
89,3 1,554 0,128 13,3 0,605 0,026 12,0
100,0 Не вое- — ———' 1,150 0,301 112,9
пламени-
лась
Примечание. Смеси хранились в течение 15 суток при нормальной температуре
и относительной влажности 1%; в течение 15 суток при температуре 35° С и относи-
тельной влажности 50,6; 75,5 и 89,3%; в течение 7 суток при температуре окружающей
среды и относительной влажности 100%.
(Время горения при повышенной влажности) —
Увеличение времени _ — (Время горения при относительной влажности 1%) х 100
горения, % — Время горения при относительной влажности 1%
До относительной влажности 50% характеристики меняются мало.
Таблица 9.28
Содержание компо- нентов смееи на основе хромата бария и бора 1), % Время хранения, мес
0 19
Номинальное среднее время горения, сек Разброс, % Номинальное среднее время горения, сек Разброс, %
95/5 1,59 0,9 1,59 1,3
95/5 1,29 2,0 1,26 1,5
90/10 0,59 . 2,0 0,58 2,2
90/10 0,57 0,8 0,52 2,2
1) Смесь запрессована в корпус замедлителя взрывателя М-112 при давлении прес-
сования 2520 кг/см 2.
"~т
В табл. 9.28 представлены типичные данные по времени горе-
ния смесей, содержащих 95 или 90% хромата бария и 5 или 10%
316
Г л а в а 9
бора соответственно, после хранения в течение 19 мес над осуши-
телем. Изменение времени горения после хранения оказалось
очень незначительным, что свидетельствует о стабильности сме-
сей на основе хромата бария и бора. 1
Благодаря широкому применению смесей на основе хромата
бария и бора они находятся в контакте с различными мате-
риалами. Экспериментально установлено, что после контакта
в течение длительного периода времени с указанными металлами
и пластиками время горения этих смесей не меняется.
Металлы
Латунь
Алюминий
Магний
Нержавеющая
сталь
Органические вещества
Ацетобутират целлюлозы
Полиэтилен
Краластик-J
Неопреновый каучук
Меламин
Диаллилфталат
Силастик-80
Винил № 2 и № 4
Нейлон
Этилцеллюлоза
GE-12808
Кель-эф
Пластон
Силиконовый каучук
Нитроцеллюлоза
СМЕСИ ПА ОСНОВЕ ХРОМАТА БАРИЯ, ВОЛЬФРАМА
И ПЕРХЛОРАТА КАЛИЯ
Хотя смеси на основе хромата бария и бора оказались весьма
надежными, их применение ограничено устройствами с малым
временем горения..Для удовлетворения потребности в надежных
медленно горящих (1,6 сек/мм) замедлительных смесях в качестве
горючих элементов стали использоваться тугоплавкие металлы
типа вольфрама, хрома, молибдена и ниобия. Предварительные
исследования этих компонентов показали, что наиболее перспек-
тивным горючим является вольфрам. Хотя хромат бария и воль-
фрам реагируют с выделением тепла, необходимо добавить в эту
Таблица 9.29
Уравнение химической реакции Стехио- метри- ческое соотноше- ние ком- понентов Тепловой эффект реакции (экспери- менталь- ное зна- чение) , кал/г Скорость горения
2ВаСгО4 г w - -> 2ВаО rCr2O3-!-WO2 73/27 — Фронт пламени не распростра- няется
КСЮ. | 2W — >КС1 4-2WO2 27/73 492
П иротпехнические замедлители
317
бинарную смесь перхлорат калия для увеличения теплового
эффекта реакции, улучшения характеристик воспламенения
и обеспечения устойчивого распространения фронта пламени
при низких начальных температурах. Получены тройные смеси
этих компонентов с относительным временем горения примерно
1,5 сек/мм.
Тройные смеси участвуют одновременно в двух реакциях
(табл. 9.29).
В табл. 9.30 приведены данные по скорости горения, удельному
газообразованию и тепловому эффекту реакций для нескольких
смесей из указанных компонентов.
Таблица 9.30
(.’.одержание компонентов смеси, % Номинальное среднее отно- сительное время горе- ния, сек/л(.и Удельное газообразо- вание, СЛ13/3 Тепловой эффект реакции, кал/&
ML ВаСгО4 КС1О4
85 - - 15 0,063 — —
80 — 20 0,098 — 304
28 62 10 1,92 8,5 —
30 60 10 1,23 10,4 —
32 63 5 1,13 3,3 —
35 30 35 0,95 — —
40 47 13 0,232 — 346
50 40 10 0,307 4,3 305
65 20 15 0,118 2,1 —
70 10 20 0,288 1,6 —
В табл. 9.31 показано влияние размеров частиц вольфрама на
относительное время горения смеси, содержащей 55% хромата
Таблица 9.31
Размеры частиц вольфрама, .ик Относительное среднее время горения, сек, мм
i 4 8 15 0,354 0,676 1,11
бария, 10% вольфрама и 35% перхлората калия и запрессованной
при давлении 2520 кг!см2 в корпус с протоком газов.
318
Глава 9
В табл. 9.32 иллюстрируется общая тенденция изменения
времени горения двух смесей в зависимости от начальной темпе-
ратуры и давления.
Таблица 9.32
Содержание компонеп. смеси, % Номинальное сред- нее время горения (влияние темпера- туры), сек Температурный коэффициент, мсек/град сек Номинальное сред- нее время горения (влияние давления), сек Коэффициент давления, мсек/мм рт. ст-сек
ВаСгО4 W ксю4 нормаль- ная темпера- тура хра- нения понижен- ная тем- пература храпения нормаль- ное давление понижен- ное давление
40 10 50 8,53 9,68 (-60° С) 1,5 8,53 13,2 (6 мм рт. ст.) 0,73
70 10 20 31,31 33,79 (-58° С) 1,0 31,31 39,7 (80 мм рт. ст А)) 0,40
1) Минимальное давление, при котором происходит распространение фронта пламени.
Примечание. Смесь запрессована в корпус замедлителя взрывателя М-112
при давлении 2520 кг/смЛ.
При повышении давления (выше атмосферного) скорость
горения смесей, содержащих вольфрам, увеличивается, т. е.
в этом отношении они аналогичны другим смесям. В табл. 9.33
Таблица 9.33
Состав смеси, % Номинальное относительное время горения, сек/мм
ВаСгО4 W ксю4 давление, ата
0,00 0,06 о , 13 0,40 1,0 19,0 36 72 172
35 55 10 0,68 0,70 0,68 0,60 0,69 0,48 0,29 0,25 0,21
приведены данные по скорости горения смеси, содержащей
вольфрам.
В табл. 9.34 показано, как влияет вес заряда из смеси, содер-
жащей 55% NJ, 10% КС1О4 и 35% ВаСгО4) запрессованной в кор-
пус М-112 при давлении 2520 кг/см2, на время горения смеси.
Согласно приведенным результатам, образец горит немного
быстрее с увеличением длины. Возможно, существует некото-
рая критическая длина заряда, при которой скорость горения
максимальна. На примере смеси 32% W, 58% ВаСгО4 и 10%
Пиротехнические замедлители
319
Таблица 9.34
Вес заряда, мг Номинальное среднее время горения, сек Вес заряда, мг Номинальное среднее время горения, сек
500 1,20 4000 7,62
1000 2,35 5000 9,28
2000 4,31 6000 1J,82
3000 6,00
КСЮ4, запрессованной в корпус трассера с протоком газа диа-
метром 40 мм, было исследовано влияние хранения в течение
одного года. Все исследуемые образцы нормально воспламенялись
и устойчиво горели. По результатам испытаний не установлено
общей тенденции изменения скорости горения к концу срока
хранения. Это дает основания считать смесь стабильной. Полу-
ченные данные приведены в табл. 9.35.
Таблица 9.35
Температура Относительная влажность, % Номинальное среднее время горения, сек
продолжительность хранения, л1ес
0 0,25 1 2 3 6 12
Нормальная 10 16,9 16,6 16,7 17,2 17,1 16,2 16,2
Нормальная 75 — 16,6 17,2 16,8 17,6 21,6 18,6
71° С Нормальная — 16,9 16,7 15,7 — 16,6 17,0
КОМПОНЕНТЫ ЗАМЕДЛИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ
При разработке замедлительных смесей были использованы
практически все возможные окислители, не образующие газо-
образных продуктов сгорания и не обладающие гигроскопич-
ностью, а также большинство металлов, которые могли быть
получены в виде тонких порошков. Рассмотрение многочислен-
ных комбинаций окислителей и горючих позволило прийти
к выводу о целесообразности использования таких хроматов,
как хроматы свинца или бария, в качестве окислителей и тонких
порошков таких элементов, как цирконий, марганец и бор,
в качестве горючего.
В табл. 9.36 приведены данные (опубликованные в различных
источниках), позволяющие судить о разнообразии разработанных
и исследованных смесей.
880T-TS |
от p n l-j о If- tJd и t-*» N> 0 w txi PbO-B a—£o«w 4 Ф to 0 co txi CuO-B a—Sous и p СЛ p W KC104 —В <1 to 0 Сл w а—£ог°э d co txi a—soc?n Ta —BaCr04 —KC104 Nb — BaCr04 — KC104 W— BaCr04 —KC104 Zr —MoO3 Mo-BaCrO4—KC104
-CO2O3
rfx CD CD 00 00 *0 Cp 00 00 00 00 CD 00 Cl rfx Cl to СД M JS tJ W 00
rfx СП Cl Cl 0 00 co CD 0 СП СД СД 0 0 — О О О O CD
to OS 0 СП 0 СЛ СД 0 0 СП -<l СЛ
j—D j—D 1 rfs to DI 4^ •О СП СЛ -4 О
c-i СЛ rfx co rfx to CD CD b-* 10 CO to СП СП СЛ О О CD *— О О О >—
00 0 СЛ 0 СЛ СЛ 0 0 СЛ co СП
1 f 1 '~ l_k. 1
co 0 0 0 О О 1 loo 0 1
о 0 0 0 0 0 0 0 c .—. 0 0 0 0 0 0 О 0000 0 0
w* >_* si Л • -Л .Л -_Л Ч* -> --Л s> s> s#
0 о 0 0 0 (“•) H— h—* _. >—-* to Г»*>. IO >— to co IO О tO CD CO »c>
o< Г15 to U-' O’ Cl *.] GO СЛ co 0 CD DI CD hfcs co t-0 О — О cn 0
O’ OS -J CO 0 0 CD CO H— O’ H— 0 01 oc co 0 0 O1 0 *O OS CH CO СП
to
(' лЗ co 00 Cl СД rfx 4>- Cl 00 rfx 1 1
ps ^>4*. ^>4*. 0 «0 rfx
СЛ Cl 0 0 0 00 СП О ci СП 0
j—D j—D j—D
j to •<1 СД »c> co co 00 0 0 00 j I 1 1 1 1 1
00 Cl to co co 0 0 СЛ 0 rfx Cl
СЛ СЛ Cl Cl СЛ СП Cl
1 1 8 СЛ 0 0 15 10 80 15 70 8
4>» »c> CD 10 10 CD 0 0 1 1 1 I
1 CO Cl 1 CD h—• h—> 1 1 1 1 I
—j— + “Г +
co 0 0
J
ex 00 (* 1 “ ~~ os co to •<!
0 <00 CH 1
0 0 1
1
CD •<1 CD СЛ 1 1
СЛ ;
r—*. IC
« Л
oo “"J
to to Ч 4 go gn co p p ® ® 0 m a 0 0 С P <?S? 0 0 ff ff o'o 00 n — w co 1, to co w О. О । । | |. 1 1 О !Ih h ra 03 от cs и M 1 - ? Г ~ s £ 0 0 ьэ | Компоненты смеси
OOOO^JO-^lOCDcDCDOOOcDCDOOcD-^lhX *-4tDCDcDWOW>— 1— O~-lOt\5 00OOO я s g ЙИ g" я Э5 ч w О Д
P> to co to 0J _ CJ00I— >— ^JcDCDOCJO00tD(OOO
1 1 1 - 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 8 8 to s - a> D® O''
000000000000000^0 t— O to О О O CO to r— IO' — to ►-* 0 tD 0 CO Сл О СЛ Сл CJ О >— ^ICH^IOOOOCOW ID СЛ Сл СП CO О to tC 1— ifs СЛ 00 00 О Среднее относитель- ное время горения (при нормальном давлении и началь- ной температуре)
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Тепловой эффект реакции, кал/г
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Объемное газооб- разование, смз/г
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Температура вспыш- ки (по данным диф- ференциального термического ана- лиза)
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Чувствительность к удару по методи- ке Пикатинского арсенала, cat
to to to — t-4 tso to co . OOO’ — O — tD — — О Cl t— O -'- <D — Cl' 0 CO its СП DI сл 0 on to CO VO co -J 00 -J 0 Температурный коэффициент, меек/град • сек
ООО — D. 0 0 0 1 I -I I I 1 О 1— СП 1 its 00 1— CnJ^~J 1 1 1 1 1 1 ГО СП D 1 rfx CD нС- VO О co Коэффициент дав- ления, мсек/мм рт. ст. • сек
0 0 cn co ।— :c — D'-tc — — tccco- CD CD Cl O'' O O to htx ~ — да CD on DI d да да io d- to Разброс времени горения, %
Таблица 9.36
V к » г. п о о о о ш и 2 1 с ' п 1 - I о S ы о Компоненты смеси
СТ. СО со со СО СО СО СС С© tC* rf» rfx rfx £' tC* tC* tC* rfx rf» rf» *• О СП О tt> СЛ СЛ <55 05 t О'— К СО н&» О »*• t№ CO нЬ" О t№ СП СП Содержание компонентов, %
С О О Q1 4^ О: W LC W W 5 4^ О’ СП СЛ о о о сл о сл о
се } 1 I | I 1 I 1 4^ rfs hfcs 4^4 hfcs bfcs 4^4 hfcs 4^ rfs rfs О ! 1 1 1 1 1 1 1 —i cr. сл rfs co о: сл rfs co tc сл cc
ooooooooocoooooooooooo toco co oooo»-^ to to to to Ь-^ to to >— to >-*• >— 1— oo co co rf>. сл оз co co -*t сл сл o: oo to о со о oo co co -J -J 00 Сл С CO 05 00 oo -J IO O' ~ 00 О СЛ 00 СЛ 00 -J co C5 о \ Среднее относитель- ное время горения (при нормальном давлении и началь- ной температуре)
1 1 1 § g g g § 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Тепловой эффект реакции, кал/г
1 1 II 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Объемное газооб- разование, смЗ/8
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Температура вспыш- ки (по данным диф- ференциального термического ана- лиза)
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Чувствительность к удару по методи- ке Пикатинского арсенала, cjw
— tc to to io o: w . co co сл co o-> co co o' co co to СЛ -J -J b-^ to cn to 1— ' oooccocotococooocotoooto сл cn Температурный коэффициент, мсек/град • сек
5 ь i i i i i i i i i i i i i i i i i i i oo tc Коэффициент дав- ления, мсек/мм рт. ст. • сек
o* О О О to -* “ — to СЙ - — to to to to w о 05 co co oo cn ।— corf>*d 050tocnoocnco-<ico Разброс времени горения, %
П родолжение табл. 9.36
Пиротехнические замедлители
323
Химические реакции в замедлительной смеси происходят при
воспламенении тщательно перемешанных в соответствующем соот-
ношении окислителя и горючего. Скорость горения зависит от
содержания компонентов и размера их частиц.
ГОРЮЧИЕ
В качестве горючих для замедлительных смесей обычно при-
меняются тонкие порошки металлических и неметаллических
элементов и сплавов. В идеальном случае горючее должно иметь
высокий тепловой эффект химической реакции, быть влагостойким,
непирофорным, а продукты реакции должны быть стабильными
при высокой температуре. В некоторые смеси были включены
селен и сера, однако они не нашли широкого применения ввиду
того, что при их горении выделяются газообразные продукты
сгорания. Чаще всего используются следующие компоненты: бор,
марганец, кремний, вольфрам, циркоций, цирконий-никелевые
сплавы.
В качестве горючих в экспериментальных смесях применяются
молибден, ниобий и титан.
ОКИСЛИТЕЛИ
Окислитель для замедлительных смесей должен быть стабиль-
ным при относительно высоких температурах, реакционноспособ-
ным, негигроскопичным и образовывать продукты реакции
в твердой фазе. Этим критериям удовлетворяют немногие окисли-
тели, приведенные в табл. 9.37.
Таблица 9.37
Хроматы Перхлораты Окислы Перекиси Нитраты
Бария Свинца Стронция Калия Железа Меди Вольфрама Свинца Марганца Висмута Бария Калия
СВЯЗУЮЩИЕ
Для улучшения физико-механических характеристик'Ъарядов
замедлительных смесей' в них вводятся связующие. Содержание
связующего должно быть минимальным, чтобы сократить количе-
21*
324
Глава 9
ство образующегося при горении газа. Небольшое количество
связующего можно добавлять, если перед прессованием зарядов
требуется гранулировать смесь с целью обеспечения свободного
течения порошка в процессе производства. В качестве связующих
обычно употребляются льняное масло, глицерин, сополимер
винилового спирта и ацетата.
СМАЗКИ
Изготовление таблеток или прессование зарядов может быть
затруднено из-за повышенной твердости одного из компонентов
или из-за прилипания смеси к пресс-инструменту. Во избежание
этого в состав вводится небольшое количество смазки, в качестве
которой используется графит, стеариновая кислота, стеараты.
МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ЗАМЕДЛИТЕЛЕЙ
Производство надежных пиротехнических замедлителей с вос-
производимыми характеристиками включает ряд сложных взаимо-
связанных процессов, от выбора и обработки компонентов до
сборки готовой системы. Не менее важное значение имеют
оценка опасности для обслуживающего персонала и оборудова-
ния, наличие подходящих производственных помещений, под-
держание в рабочем состоянии инструмента и оборудования, кон-
диционирование воздуха на рабочих участках. Все оборудование
должно быть спроектировано и смонтировано с учетом всех необ-
ходимых мер техники безопасности. В производстве должно нахо-
диться лишь минимальное количество компонентов или смеси.
Лабораторные и заводские методы изготовления смесей для экспе-
риментального или серийного производства включают следующие
операции:
1. Компоненты смеси:
а) хранение;
б) измельчение (в молотковых, шаровых или газоструйных
мельницах;
в) измерение среднего размера частиц и распределения частиц
по размерам;
г) фракционирование;
д) сушка;
е) взвешивание.
2. Смесь:
а) смешивание компонентов (в шаровых мельницах; смесителе
Мюллера; при помощи ступки и пестика;
б) грануляция и агрегатирование;
Пиротехнические замедлители
325
в) прессование;
г) сборка;
д) использование остатков смеси.
КОМПОНЕНТЫ СМЕСИ
ХРАНЕНИЕ
В процессе производства и хранения компоненты могут стать
непригодными вследствие загрязнения осколками контейнера,
попадания пыли или случайного смешения одного компонента
с другим. Не исключены и другие возможные причины загрязне-
ния веществ, вызванные случайными факторами или из-за небреж-
ного обращения. Основная трудность при наличии малых коли-
честв загрязняющих веществ, включая влажность, заключается
в том, что их влияние часто бывает незаметным и некоторое время
никак не проявляется. Однако впоследствии это приводит
к неожиданным изменениям времени горения, увеличению раз-
броса параметров и ухудшению характеристик при хранении.
ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ
Компоненты, поступающие от фирм-поставщиков, должны
удовлетворять вполне определенным требованиям, однако размер
частиц может не укладываться в допустимые пределы. Если
частицы оказываются слишком крупными, их можно измельчить
с помощью молотковых и шаровых мельниц или другого оборудо-
вания. В молотковых мельницах предусмотрен контроль расхода
порошка, что обеспечивает оптимальный режим работы оборудо-
вания. Установка имеет несколько молотков, которые вращаются
с высокой скоростью, ударяя по крупным кристаллам и измельчая
их. Измельченный продукт просеивается через экран со специаль-
но подобранными круглыми отверстиями различного диаметра
либо щелями или через сита, которые могут иметь отверстия раз-
личной формы, и собирается в очищенный контейнер. Затем про-
изводится измерение частиц. Чтобы получить заданные размер
частиц и количество готового продукта, может потребоваться
несколько повторных измельчений партии порошка. Некоторые
молотковые мельницы имеют интегральный циклонный сепаратор,
или классификатор, так что в этом случае измельчение и фрак-
ционирование порошка проводятся одновременно. Большинство
компонентов замедлительных смесей измельчаются без особого
труда. Однако вещества, чувствительные к нагреву (такие, как
воск, смола и пластики), требуют специальной обработки во избе-
жание повреждения мельницы из-за агломерации частиц или
326
Г л а в а 9
перегрева самого измельчаемого материала. В процессе дробле-
ния эти вещества охлаждаются сухим льдом или жидким азотом.
Молотковые мельницы имеют высокую производительность и при
правильной настройке обеспечивают необходимые размеры частиц.
Вместе с тем некоторые вещества слишком опасно измельчать
в молотковых мельницах, как, например, взрывчатые вещества,
топлива, пирофорные порошки и т. д. Более подходящим устрой-
ством для выполнения такой задачи является шаровая мельница.
В контейнер мельницы загружается исходный материал и для
ускорения процесса измельчения добавляется большое количество
стальных, медных или керамических шаров (или кремневая галь-
ка). Контейнер герметически закрывается и устанавливается
на вращающиеся ролики или держатели, связанные с вращаю-
щимся валом. Конечное распределение частиц по размерам зави-
сит от используемого метода, размера частиц исходного порошка,
размера и количества шаров, скорости вращения мельницы
и времени помола. Хотя производительность шаровой мельницы
меньше по сравнению с молотковой, она имеет преимущество,
заключающееся в возможности использования жидкой среды, что
снижает опасность при обработке чувствительных или пирофор-
ных .материалов.
В молотковой или шаровой мельнице получают относительно
тонкие порошки, однако может потребоваться конечный продукт
еще более тонкого помола. Для дальнейшего измельчения частиц
порошка применяется газоструйная мельница. Высокоскоростной
поток воздуха подает порошок в мельницу и в специально
спроектированной камере создается течение с сильной турбу-
лентностью, в результате чего происходит интенсивное столкно-
вение частиц. Окончательное распределение частиц по размерам
определяется величиной энергии соударения частиц и временем
их пребывания в мельнице.
ИЗМЕРЕНИЕ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА ЧАСТИЦ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ
ПО РАЗМЕРАМ
Хотя в ряде работ показана связь между размерами частиц
компонентов смеси, а также распределением частиц по размерам
и рабочими характеристиками замедлителя, тем не менее право-
мерность применяемых методов измерений размера частиц и рас-
пределения частиц по размерам все еще вызывает сомнения. В раз-
деле по пиротехническим средствам представлены данные по влия-
нию размеров частиц компонентов в различных замедлительных
системах. Подробное описание методов измерения размеров
частиц и обсуждение правомерности этих методов можно найти
в специальной литературе.
Пиротехнические замедлители
327
Прежде чем проводить измерение размеров частиц, необходимо
выяснить, какие данные необходимы: средний размер частиц или
распределение частиц по размерам. Наиболее полезные данные
можно получить на основе анализа распределения частиц по раз-
мерам. Эти данные позволяют определить частоту появления того
или иного интервала размеров, а также средний размер частиц.
Если необходим только средний размер частиц, то его проще всего
определить методом воздушной фильтрации, применимого в интер-
вале средних размеров частиц от 2 до 1000 мк. Подобный метод
позволяет определить осредненный по поверхности диаметр
частиц. Распределение частиц по размерам можно определить раз-
личными способами, например подсчетом под микроскопом, мето-
дами седиментации и нефелометрии. Поскольку каждый метод
основан на измерении различных параметров частицы, результаты
измерений разными методами среднего размера частиц в зави-
симости от формы отдельных частиц будут несколько отличаться
друг от друга.
Часто требуется определить удельную поверхность порошко-
образного компонента для корреляции с рабочими характеристи-
ками. Для этой цели обычно используются методы газовой абсорб-
ции, хотя существуют и другие способы.
Описанные методы измерения непригодны для порошкообраз-
ных веществ с размером частиц, меньшим чем размер ячейки
в существующих ситах, например хромата бария или бора,
не только вследствие малого размера частиц, но и потому, что
подобные частицы интенсивно агломерируют. Применительно
к таким веществам были использованы методы анализа с помощью
электронного микроскопа, но в связи с очень малыми размерами
образцов могут быть получены ошибочные результаты.
В любом случае анализ рабочих характеристик должен про-
водиться с учетом использованного конкретного метода измерения
размеров частиц.
ФРАКЦИОПИРОВ \НИЕ
Относительно узкий интервал размеров частиц порошка можно
обеспечить путем фракционирования порошка, которое осуще-
ствляется с помощью сит, циклонов, метода седиментации или
отмучивания. Порошки с размером частиц более 44 мк можно
разделять на фракции с помощью сит. Просеиванием порошков
через несколько заранее выбранных сит получают относительно
широкий или узкий интервал размеров частиц.
Фракционирование частиц размером менее 44 мк осуществляет-
ся в циклонах, которые представляют собой конические камеры,
куда порошок поступает вместе с потоком воздуха. Последний
сообщает потоку частиц циркуляционное движение, в результате
328
Глава 9
чего более крупные частицы отбрасываются к стенкам камеры,
а более мелкие уносятся потоком воздуха и собираются в прием-
никах. Если необходимо, крупные частицы можно собрать для
дополнительного измельчения.
Методы седиментации и отмучивания основаны на использова-
нии силы тяжести для разделения частиц. При свободном падении
частицы опускаются со скоростью, которую можно вычислить
по закону Стокса, причем более крупные частицы падают с боль-
шей скоростью, чем мелкие. Назначая соответствующий интер-
вал времени, можно отобрать частицы заданного размера. Этот
метод фракционирования не пригоден в промышленных масштабах,
но удобен при получении малых количеств порошков с узким
интервалом размеров частиц для экспериментальных целей.
СУШКА
Как уже было показано, присутствие влаги резко ухудшает
надежность и воспроизводимость характеристик замедлительных
смесей, а также сокращает допустимый срок хранения. Для све-
дения к минимуму количества вводимой в смесь влаги все компо-
ненты должны быть подвержены сушке при такой температуре
и в течение такого периода времени, которые обеспечивают удале-
ние всей абсорбированной или адсорбированной влаги. Обычно
сушка продолжается от двух до четырех часов при температуре
105—110° С. Для удаления следов влаги может потребоваться
вакуумная сушка. После сушки рекомендуется просеивать мате-
риал через сита 20—30 меш для отделения комков, которые могут
образоваться.
ВЗВЕШИВАНИЕ
Эффективность замедлительных смесей в значительной степени
зависит от точности и тщательности взвешивания компонентов
перед составлением смеси. Весы и гири должны быть тщательно
проверены и оттарированы перед использованием, с тем чтобы
исключить возможность ошибок при взвешивании.
СМЕСЬ
СМЕШИВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ
Смешиванием, или меткой, называется процесс приведения
частиц компонентов в непосредственный контакт для образова-
ния достаточно однородной смеси. Существуют методы сухого
и влажного (мокрого) смешивания компонентов. Какой бы из
Пиротехнические замедлители
329?
методов ни применялся, полученная смесь должна подвергаться
анализу под микроскопом или химическому анализу для оценки
равномерности распределения компонентов и на отсутствие агло-
мератов.
Сухое смешивание компонентов рекомендуется для смесей,
которые не чувствительны к удару, трению и электростатическим
разрядам. Малые количества компонентов можно перемешать
с помощью сит 16 или 20 меш или более мелких. Для более чув-
ствительных смесей или при большом количестве вещества при-
меняются шаровые мельницы с дистанционным управлением.
Компоненты загружаются в контейнер желательно из электро-
проводного каучука с находящимися внутри него одинаковыми
по размеру небольшими каучуковыми шарами. После загрузки
массы контейнер герметично закрывается. Каучуковые шары
разрушают агломераты и ускоряют смешивание. Для обеспечения
равномерного перемешивания компонентов контейнер вращается
с относительно малой скоростью от 30 до <50 об!мин в течение
получаса.
Метод влажного смешивания используется для чувствитель-
ных смесей или смесей с жидким связующим. Процесс смешива-
ния осуществляется в смесителе Мюллера при добавлении лету-
чего жидкого носителя. Высота круга в смесителе подбирается
таким образом, чтобы под действием напряжения сдвига проис-
ходило разрушение агломератов и равномерное перемешивание.
Небольшие порции смесей можно приготовить с помощью ступки
и пестика или какого-либо высокоскоростного смесителя. Для
этой же цели применяются также гомогенизационные мельницы.
После завершения процесса смешивания порошок выгружается
из смесителя, высушивается на воздухе для удаления основной
массы летучего жидкого компонента, а затем сушится в печи
для удаления остатков жидкости.
ГРАНУЛЯЦИЯ и АГРЕГАТИРОВАНИЕ
Многие смеси после завершения процесса смешивания не обла-
дают свойством свободной текучести, необходимой для упроще-
ния производства таблеток или прессования зарядов. Поэтому
смесь подвергается грануляции. Этот процесс осуществляется
либо вручную путем продавливания смеси каучуковой пробкой
через сита 20 или 30 меш, либо с помощью механического грану-
лятора. Если эти методы не обеспечивают свободной текучести
гранул, то можно применить агрегатирование смеси. Суть агре-
гатирования заключается в том, что из небольших количеств,
смеси прессуются более крупные элементы, которые затем гра-
нулируются и просеиваются для получения требуемого размера.
330
Глава 9
гранул. Частицы порошка с размерами меньше или больше задан-
ного повторно перерабатываются для получения гранул требуе-
мого размера.
ПРЕССОВАНИЕ
Прессование замедлительных смесей осуществляется с помощью
механического или гидравлического пресса. Разработано спе-
циальное оборудование для прессования. Зазор между матри-
цей и пуансоном должен обеспечивать отсутствие заедания
или застревания. Если замедлитель имеет концевой заряд,
например из азида свинца, или воспламенительный заряд, то они
отпрессовываются до изготовления столбика из основной замедли-
тельной смеси. Если для воспламенения смеси требуется специаль-
ный воспламенитель, то он напрессовывается сверху.
СВОРКА
После завершения прессования производится сборка замедли-
тельного элемента. Последний должен быть защищен от воздей-
ствия паров или влаги, прочно закреплен и установлен таким
образом, чтобы исключить возможность разрушения заряда при
транспортировке, вибрациях, падении или толчках.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОСТАТКОВ СМЕСИ
До завершения всех испытаний смеси рекомендуется оставлять
часть смеси в качестве спутника заряда для получения сравни-
тельных данных, контроля или повторных испытаний. При полу-
чении неожиданных результатов этот образец можно проанализи-
ровать для определения содержания компонентов, использовать
для измерения времени горения и проведения других испытаний.
После завершения испытаний остатки смеси следует уничтожить;
их пропитывают маслом и сжигают в безопасной зоне.
ИСПЫТАНИЯ
В процессе разработки и производства замедлительные эле-
менты и их компоненты испытываются в три стадии (как и другие
пиротехнические системы). На первой стадии определяется чув-
ствительность компонентов к воздействию влаги, тепла и электро-
статических разрядов, а также реакционная способность при
контакте с другими веществами. На второй стадии определяются
те же самые характеристики чувствительности для смеси компо-
нентов, а также чувствительность к удару, трению, начальному
импульсу. Кроме того, определяются калориметрические харак-
теристики, стабильность и газообразование. После смешивания
Пиротехнические замедлители
331
смесь запрессовывается в корпус замедлителя и затем проводится
третья стадия испытаний, на которой определяется скорость
горения при различных начальных температурах и давлениях.
Эти испытания осуществляются непосредственно после прес-
сования заряда, после хранения, а также при неблагоприят-
ных условиях окружающей среды с целью проверки постоянства
параметров и определения предельных рабочих характеристик.
ИСПЫТАНИЕ КОМПОНЕНТОВ И СМЕСЕЙ
Потенциальная опасность, связанная с использованием отдель-
ных компонентов и пиротехнических смесей, делает необходимым
определение их реакционной способности и чувствительности
к внешним воздействиям. На основе этих данных осуществляется
выбор оптимальных методов обеспечения безопасности производ-
ства. Определяются условия минимальной опасности для персо-
нала, занимающегося производством, испытанием и транспорти-
ровкой смесей. Кроме того, необходимо свести до минимума риск
повреждения оборудования и других объектов, находящихся
в опасной зоне. При производстве смесей и обращении с ними
необходимо придерживаться трех основных правил:
1. Знать свойства компонентов, входящих в состав смеси,
и химические реакции, в которых они участвуют.
2. Предвидеть опасные ситуации, которые могут возникнуть
в процессе работы, и предусмотреть соответствующие меры предо-
сторожности.
3. Строго соблюдать на практике правила обращения и хра-
нения, а также выполнять предписания техники безопасности.
ИСПЫТАНИЯ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Цели испытаний на чувствительность многообразны и зави-
сят от параметров конструкции и степени безопасности, которую
она должна обеспечивать. Чувствительность является мерой
ответной реакции смеси на такие внешние воздействия, как удар,
трение, тепло, влажность и т. д. Испытания на чувствительность
также применяются для определения энергии, требуемой для
инициирования воспламенителя, основного замедлительного
заряда и концевого заряда, определения влияния изменений
технологии изготовления и получения данных о влиянии неблаго-
приятных условий хранения.
Во всех испытаниях требуется максимальная надежность
данных при минимально возможном количестве образцов. К сожа-
лению, при испытании на чувствительность каждый образец либо
повреждается, либо разрушается, так что каждый повторный
332
Глава 9
опыт требует нового образца. В отличие от других методов испыта-
ний по результатам одного опыта нельзя получить никакого пред-
ставления о чувствительности компонента или смеси: при поло-
жительном или отрицательном результате остаются неизвестными
пороговые значения характеристик. Поэтому подобные испытания
состоят из большого количества опытов, результаты которых
требуют статистической обработки для установления относитель-
ных уровней чувствительности.
Один из широко применяемых критериев при испытании на
чувствительность, когда имеется лишь ограниченное количество
образцов, известен как ступенчатый метод, или метод Врустона.
При использовании этого метода по положительному или отри-
цательному результату одного опыта определяются условия
проведения следующего опыта. Испытание начинается при некото-
ром заранее выбранном уровне энергии, и если образец воспла-
меняется, то следующий опыт проводится на новом образце при
меньшем уровне энергии. Если вновь произошла реакция, то
следующий опыт выполняется при еще меньшем уровне энергии,
пока не достигается предел, при котором реакция не происходит.
Затем испытания продолжаются при различных уровнях энергии
до достижения точки с 50 %-ной вероятностью протекания реак-
ции. Вслед за этим выполняются дополнительные опыты с целью
определения 10 и 90 %-ной вероятности протекания реакции. При
достаточно большом количестве образцов наилучшим считается
метод испытаний, разработанный в Франкфордском арсенале.
В соответствии с этим методом количество проводимых испытаний
одинаково на каждом энергетическом уровне. Определяются
максимальная энергия, при которой воспламеняются все образцы,
и минимальная энергия, при которой не воспламеняется ни один
образец, а также несколько точек между этими предельными
уровнями. Эти данные позволяют построить график, по которому
можно определить относительное количество срабатывающих
и несрабатывающих образцов из любого общего количества
образцов при любом доверительном уровне. Данный метод также
обеспечивает более высокую надежность результатов при определе-
нии точек, соответствующих 10, 50 и 90%-ной вероятности воспла-
менения образцов. При выборе замедлительпого элемента, который
войдет в состав готового изделия, конструктор должен распола-
гать данными по чувствительности смеси во всех условиях окру-
жающей среды, которые могут встретиться при работе этого
изделия.
Испытания па чувствительность, описанные ниже, были раз-
работаны для оценки характеристик чувствительности взрывчатых
веществ. Эти же методы применяются для определения аналогич-
ных характеристик пиротехнических смесей. Вопрос о том, пол-
П up (/технические замедлители
333
ностью ли пригодны эти испытания в данной области или необ-
ходимы дополнительные испытания и более сложные методы,
пока еще не решен.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К УДАРУ
Определение. Минимальная высота падения данного груза, при
которой образец воспламеняется, или максимальная высота
падения, при которой образец не воспламеняется, или высота
падения, при которой воспламеняется 50% образцов. Последний
метод наиболее предпочтителен.
Сущность метода. На практике используются два типа испы-
таний и каждый требует специального оборудования. Хотя методы
различны, их применение в общем — дело вкуса. На практике,
однако, установлено, что второй тип испытаний более пригоден
для менее чувствительных смесей.
Один тип испытаний на чувствительность к удару проводится
с использованием аппаратуры и методики, разработанных Мин-
ным отделом США. Взвешенный испытуемый образец устанавли-
вается на наковальне из закаленной стали, вплотную к образцу
подводится пуансон, также из закаленной стали. Криволинейная
форма пуансона обеспечивает равномерное распределение порош-
ка по поверхности наковальни. Образец подвергается воздействию
груза заданного веса, падающего с заданной высоты (свободное
падение по направляющим), причем груз непосредственно ударяет
по пуансону. Определение чувствительности производится по
методам Брустона или Франкфордского арсенала в зависимости
от имеющегося количества образцов для испытаний.
Другой тип испытаний на чувствительность к удару проводится
с использованием аппаратуры, разработанной в Пикатинском
арсенале. В этом случае способ ударного воздействия и метод
оценки результатов те же, что и описанные выше. Однако образец
находится в чашке из закаленной стали и накрыт сверху медной
крышкой с отверстием. В отверстие входит стальная пробка
с каналом. На пробку с некоторой высоты падает груз заданного
веса, удар которого передается образцу. Для получения данных
при испытании менее чувствительных составов разработаны моди-
фицированные методы определения чувствительности к удару.
С этой целью применяются устройства различной формы и иногда
используется наждачная бумага, чтобы увеличить интенсивность
воздействия на образец.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ТРЕНИЮ
Определение. Реакция образца на скользящий удар груза,
прикрепленного к концу маятника.
334
Глава 9
Сущность метода. Некоторое количество пиротехнической
смеси помещается в паз стальной плиты и затем подвергается
скользящему удару подвешенного на маятнике груза, который,
проходя по дуге над плитой, трет башмаком по образцу. Поверх-
ность башмака, контактирующая с образцом, имеет стальную
или волокнистую облицовку (для менее чувствительных смесей).
Необходимо проведение свыше десяти опытов, каждый с новым
образцом. Результаты воздействия груза на образец классифи-
цируются следующим образом: легкое потрескивание, треск,
воспламенение, горение и детонация.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ВЛАГИ (ГИГРОСКОПИЧНОСТЬ)
Определение. Поглощение влаги или химическая реакция
компонента или смеси содержащейся в окружающей средн
с влагой.
Сущность метода. Для определения количества влаги, кото-
рая поглощена компонентом или смесью, проводятся следующие
испытания. Образец известного веса помещается на тарелку
весов и устанавливается в камеру с заданной относительной
влажностью и температурой среды. Через определенные проме-
жутки времени определяется увеличение или уменьшение веса
образца и вычисляется процентное увеличение или потеря веса.
Увеличение веса может быть связано с поглощением влаги и (или)
коррозией горючего, а потеря веса — с уменьшением содержания
влаги и летучестью одного или нескольких компонентов смеси.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ТЕПЛОВОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ
Определение. Оценка пороговой температуры, ниже которой
не происходит легко обнаруживаемой химической реакции, а выше-
которой реакция происходит за короткий интервал времени.
Сущность метода. Чувствительность к тепловому воздействию
измеряется временем до взрыва или временем до момента воспла-
менения. Образец весом от 2 до 5 г плотно запрессовывается в мед-
ную оболочку капсюля № 8. Последнюю быстро погружают на опре-
деленную глубину в ванну с расплавленным металлом. Темпера-
тура металла регулируется с помощью электронной аппаратуры
и поддерживается постоянной на протяжении всего испытания.
В момент погружения в ванну включается хронометр, регистри-
рующий время с точностью 0,1 сек. Хронометр выключается в тот
момент, когда начинается реакция, сопровождающаяся вспышкой,
свечением или выделением дыма. Испытание проводится при раз-
личных значениях температуры, пока время до начала реакции
не станет приблизительно равным 1 сек. Если полученные экспе-
риментальные данные представить графически в координатах:
Пиротехнические замедлители
335*
логарифм времени (сек) — обратная величина абсолютной тем-
пературы, то обычно получается прямая линия. По наклону этой
линии вычисляется величина энергии активации данной смеси.
Для сравнения чувствительности разных смесей к нагреву обычно
используется время теплового воздействия на образец (5 сек).
Полученная характеристика может также служить относительной
мерой безопасности смеси.
Метод изотермического нагрева — второй метод определения
чувствительности образца к тепловому воздействию — заклю-
чается в том, что данный образец выдерживается при заданной
температуре в течение длительного периода времени. Остальные
образцы выдерживаются при других температурах также в тече-
ние длительного периода времени. Полученные результаты обра-
батываются описанным выше способом. Этот метод позволяет
точнее вычислить период индукции (между начальным моментом
теплового воздействия и началом реакции).
Адиабатический нагрев является третьим методом определе-
ния чувствительности образца к тепловому воздействию. В соот-
ветствии с этим методом образец помещается в печь и очень мед-
ленно нагревается. Температура образца контролируется с
помощью вмонтированных в него термопар, и эти сигналы исполь-
зуются для регулирования тепловой мощности источника. Когда
образец нагревается до температуры, при которой начинается
экзотермическая химическая реакция и температура образца
в результате этой реакции становится выше температуры источ-
ника нагрева, система контроля по сигналам термопар регулирует
теплоприток от источника таким образом, что тепло не поступает
к образцу и не теряется им. Затем при некоторой температуре
скорость реакции протекает настолько быстро, что начинается
горение. Эта температура часто называется температурой само-
воспламенения.
Чувствительность компонентов и смесей к тепловому воздей-
ствию можно определять также с помощью двух дополнительных
термических методов: дифференциального термического анализа
и термогравиметрического анализа. При использовании первого
метода испытуемый образец нагревается одновременно с кон-
трольным образцом при воздействии постоянного теплового потока.
Разность выходных сигналов термопар, вмонтированных в испы-
туемый и контрольный образцы, записывается в функции темпе-
ратуры источника. По полученной термограмме можно просле-
дить изменения физического состояния образца и ход реакций,
таких, как фазовый переход, плавление, кипение, разложение,
которые происходят в процессе нагревания образца. При исполь-
зовании второго метода испытуемый образец нагревается в спе-
циальной печи при воздействии постоянного теплового потока,
336
Глава 9
так что его можно взвешивать в процессе повышения температуры.
Изменения веса регистрируются в функции температуры печи.
Термограммы изменения веса позволяют получить данные о таких
процессах, как испарение, разложение или окисление.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ РАЗРЯДАМ
Определение. Воспламеняемость пиротехнического состава
при воздействии электрической искры.
Сущность метода. Образец помещается в цилиндрическое
углубление тяжелой металлической пластины, которая является
•одним из электродов установки. Второй электрод, положение
которого может регулироваться, размещается над образцом на
некотором заданном расстоянии. После этого производится высоко-
вольтный искровой разряд. Одноразовые испытания образцов
выполняются по методам Брустона или Франкфордского арсенала
до достижения предельных уровней энергии, при которых вос-
пламеняются 100, 50% образцов или имеет место 100%-ный
отказ. Результаты регистрируются в джоулях. В процессе испы-
тания контролируется влажность, поскольку с изменением уров-
ня влажности меняется измеряемая электростатическая чувстви-
тельность образца.
(совместимость
Определение. Относительная реакционная способность ком-
понента или смеси к другим смесям, материалу контейнера,
покрытий и т. д.
Сущность метода. Для выявления нежелательных побочных
реакций смеси с другими материалами навеска пиротехнической
смеси весом 2,5 г смешивается с равным количеством испытуемого
материала. Полученная система нагревается в специальном
приборе в условиях вакуума при температуре 120° С в течение
40 час. Аналогичным методом проводятся испытания отдельно
образцов пиротехнической смеси и исследуемого материала. Сум-
марное количество газа, выделившегося из отдельных образцов
смеси и испытуемого материала, сравнивается с количеством газа,
выделившегося при их контакте. Если в последнем случае выде-
ляется значительно большее количество газа, то происходит
химическое взаимодействие и рассматриваемые материалы отно-
сятся к химически несовместимым.
СТАБИЛЬНОСТЬ
Определение. Мера стойкости вещества в условиях повышенной
температуры.
Сущность метода. Обычно испытание на стабильность анало-
гично описанному выше испытанию на совместимость, за исклю-
Пиротехнические замедлители
337
чением того, что к испытуемому образцу не добавляются посто-
ронние вещества. Если газовыделение превышает 10 еж3, то образец
считается нестабильным.
КАЛОРИМЕТРИЯ
Определение. Измерение теплового эффекта реакции смеси.
Сущность метода. Образец заданного веса помещается в кало-
риметрическую бомбу, которая подготавливается для проведения
испытания. Бомба устанавливается в тарированный калориметр
и образец воспламеняется. Тепловой эффект вычисляется
по подъему температуры калориметра. Образец можно сжигать
в воздушной, инертной или кислородной атмосфере. Во втором
случае определяется тепловой эффект реакции, в третьем — тепло-
та сгорания. Полученный результат выражается в кал!г.
Наряду с тепловым эффектом реакции часто измеряется коли-
чество неконденсируемых газообразных продуктов в бомбе (с уче-
том инертного газа).
Полученная величина объемного газообразования выражается
в см3!г.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОЧИХ
ХАРАКТЕРИСТИК
ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ВРЕМЯ ГОРЕНИЯ
Определение. Время распространения фронта пламени на
единицу длины столбика замедлительной смеси.
Сущность метода. Основной характеристикой замедлительного
элемента является относительное время горения или скорость
горения. Проще всего измерить время горения с помощью руч-
ного секундомера. Этот метод удовлетворителен для относительно
длительных периодов горения замедлительных смесей, однако
он неприменим, если время горения составляет 2 сек или менее.
Самые точные результаты измерения любого времени горения
можно получить с помощью электронного хронометра. Хронометр
включается в момент срабатывания инициатора (например, элек-
трозапала или капсюля) и выключается в момент воспламенения
концевого заряда замедлителя. Тумблер запуска служит одно-
временно для приведения в действие источника инициирова-
ния и хронометра. Выключение хронометра осуществляется по
сигналам фотоэлементе в или ионизационных датчиков, которые
срабатывают при вспышке концевого заряда. Относительное
время горения выражается в сек!мм (после деления измеренного
времени горения на длину столбика). В результаты испытаний
22—1088
338
Глава 9
вносится поправка на время срабатывания инициатора, горения
воспламенителя и концевого заряда.
ТЕМПЕРАТУРА ЗАМЕДЛИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
Определение. Температура, которую приобретает замедлитель-
ный элемент в процессе горения смеси.
Сущность метода. Для измерения температуры замедлитель-
ного элемента в процессе горения смеси в нескольких точках
на внешней поверхности элемента прочно укрепляются термопары.
При воспламенении смеси температура поверхности элемента
возрастает и соответственно увеличивается выходной сигнал
термопар. Этот сигнал регистрируется двухкоординатным записы-
вающим устройством в функции времени и положения термопары.
Эти данные часто бывают необходимы, если замедлительный
элемент расположен вблизи или вплотную к компоненту, чув-
ствительному к нагреву.
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Обычно эксплуатационные испытания описанного ниже типа
проводятся для изделия (боеприпаса) в сборе или отдельных само-
стоятельных узлов, которые после проведения эксплуатационных
испытаний подвергаются проверке на работоспособность в поле-
вых условиях. В тех случаях, когда обтюрированный элемент
является самостоятельным компонентом боеприпаса (например,
если замедлитель может быть заменен в полевых условиях),
он должен удовлетворять части или всем требованиям эксплуата-
ционных испытаний.
Ниже будут кратко описаны только те испытания, которые
применимы к замедлительному элементу, и рассмотрен ряд фак-
торов, оказывающих влияние на работоспособность элемента
в наиболее неблагоприятных условиях.
Испытания при высокой температуре. Предназначены для
определения работоспособности замедлительного элемента после
воздействия температуры до 71° С при максимальной влажности
15% в течение заданного периода времени.
Испытания при низкой температуре. Аналогичны описанным
выше, за исключением того, что температура поддерживается
на уровне —62° С в течение заданного периода времени.
Испытания на тепловой удар. Аналогичны рассмотренным
выше, за исключением того, что элемент подвергается поперемен-
ному воздействию высокой (85° С) и низкой (—40° С) температур
после выдерживания в течение заданного периода времени в каж-
дой термокамере.
Пиротехнические .замедлители
339
Испытания на воздействие влаги. Предназначены для про-
верки работоспособности замедлительного элемента после выдер-
живания в течение заданного времени при температуре 71° С
и влажности 95%.
Испытания на воздействие соляного тумана. Предназначены
для определения возможных изменений рабочих характеристик
замедлительного элемента, после воздействия соляного тумана
в течение не менее 50 час.
Испытания на вибропрочностъ. Предназначены для проверки
работоспособности, изменения внешнего вида, возможности раз-
рушения и т. д. замедлительного элемента после приложения
вибронагрузок с различной часютой, ускорением и резонансными
характеристиками в зависимости от предельных условий эксплуа-
тации агрегата.
Испытания на сопротивляемость грибковым культурам.
Предназначены для определения, будет ли та или иная грибковая
культура расти на замедлительном элементе, а также для про-
верки работоспособности системы в подобных условиях.
Испытания на воздействие солнечного излучения. Предназна-
чены для проверки чувствительности замедлительного элемента
к плотности потока излучения от 1100 до 1550 вт!м2 в тече-
ние 48 час.
Испытания на воздействие дождя. Предназначены для про-
верки чувствительности замедлительного элемента на воздействие
дождя в течение 2 час в моделирующей установке (количество
осадков 10,2 + 2,5 см/час).
Испытания на воздействие песка и пыли. Предназначены для
определения возможных изменений рабочих характеристик
замедлительного элемента после воздействия песка и пыли в тече-
ние 12 час при постоянно увеличивающейся температуре окру-
жающей среды.
Испытания на взрывоопасность. Предназначены для проверки
взрывобезопасности функционирования замедлительного эле-
мента в атмосфере паров бензина на высотах до 3 км и различных
температурах окружающей среды.
Испытания на температурное воздействие в условиях понижен-
ного давления. Аналогичны рассмотренным выше испытаниям
при высокой и низкой температурах, за исключением того, что
они проводятся при различных уровнях барометрического дав-
ления.
Испытания на воздействие ударной нагрузки. Предназначены
для проверки состояния замедлительного элемента и его рабочих
характеристик после воздействия трех упругих ударов за неко-
торый промежуток времени (это испытание особенно важно для
элементов, предназначенных для транспортировки по воздуху).
340
Глава 9
Характер описанных выше испытаний свидетельствует о том,
что все они рассчитаны в основном на обеспечение надежного
функционирования замедлительных элементов, используемых
на самолетах. В тех случаях, когда отдельные замедлительные
элементы предназначены только для применения на земле, испы-
тания в высотных условиях можно не выполнять. Некоторые
замедлительные элементы могут быть предназначены для исполь-
зования на снарядах. Вопрос о том, могут ли указанные выше
испытания обеспечить падежное функционирование замедлителя
при изменении воздействий внешней среды, происходящем за
короткие промежутки времени, что характерно для запуска
тактических ракет, остается пока открытым.
БИБЛИОГРАФИЯ
Cadle R. D., Particle Size Determination, N.Y., Wiley, Inc., 1955, 2nd.
rev. ed., 1960.
Dallavalle J. M-, Micromcritics, 2d cd., N.Y., Pitman Publishing
Corp., 1948.
Davis T. L., The Chemistry of Powder and Explosives, N.Y., Wiley, 1943.
Ellern H-, Modern Pyrotechnics, N.Y., Chemical Publishing Company,
1961.
Finch G. I., S i n h a F. R. S., S i n h а К. P., On Reaction in the Solid
State, Proc. Roy. Soc., London, Ser. 9, 239, 145 — 153, 1957.
Hart D., Delay Compositions, Ammunition Training Course for Officers,
Picatinny Arsenal, Dover, N.Y., May 1955.
Hart D., Military Pyrotechnics, Encyclopedia of Chemical Technology,
11, p. 322—332, N.Y., Wiley, Inc., 1953.
Hart D., Research and Development in Military Pyrotechnics, Picatinny
Arsenal Lecture, ser. 24, Picatinny Arsenal, Dover, N.Y., Feb. 1955.
H e r d о n G., Small Particle Statistics, 2d ed., N.Y., Academic Press, Inc.,
1960.
Hill R. A. W-, Cottrell T. L., Studies of Combustion Waves in Solids,
Fourth (International) Symposium on Combustion, Baltimore, The
Williams and Wilkins Company, 1953.
Hill R. A. W., S u t t о n L. E.,' Temple R. B. F., W h i t e A.,
A Study of Slow Self-Propagating Reactions in Solids, Research (London),
3, 569—576, 1950.
Kopelman B., Compton V. B., Spontaneous Combustion of Metal
Powders, Metal Progr., 63, 77—79, 1953.
Mott N. F., Reactions in Solids, Rept. Progr. Phys., 6, 186—211, 1940.
O’Hart T. C., Elements of Ammunition, N.Y., Wiley, Inc., 1946.
Parravano G., Reactions in the Solid State, Chem. Eng. News., p. Ill —
119, Mar. 19, 1962.
R i e m e n W- P-, Farrington D., Kinetics of Solid State Reaction of
Silver Sulfate with Calcium and Strontium Oxides, J. Phys. Chem.,
61, 802, 1957.
Spice J. E., S t a v e 1 e у L. A. K., The Propagation of Exothermic
Reactions in Solid Systems, Part I, Pre-Ignition Reactions, J. Soc. Chem.
Ind. (now Chem. Ind., London), 68, 313—319, 1949.
Taylor J., Solid Propellant and Exothermic Compositions, London, 1959.
Ill л дло веки й А. А., Основы пиротехники, M., 1964.
10
КУМУЛЯТИВНЫЕ ЗАРЯДЫ
Могауптп Г. (Henry Н. Mohaupt)
Термин кумулятивный заряд появился в США в период второй
мировой войны для обозначения зарядов В В военного назначения,
имеющих профилированные полости. Необычные явления, сопро-
вождающие взрыв этих зарядов, зависят не только от формы
заряда и других конструктивных параметров, но также от хими-
ческих и взрывчатых характеристик ВВ, способа инициирования
и характера распространения процесса взрыва.
ОБРАЗОВАНИЕ КУМУЛЯТИВНОЙ[СТРУИ
На фиг. 10.1 иллюстрируется направленное пробивное дей-
ствие двух зарядов бризантного ВВ почти одинаковой конструк-
ции. Заряд, изображенный на фиг. 10.1, а, детонирует в момент
соприкосновения его кромки со стальной преградой. Возникаю-
щий при этом типичный кумулятивный эффект обусловлен эро-
зионным действием газов высокого давления. Кумулятивная
выемка заряда, изображенного на фиг. 10.1, б, имеет коническую
облицовку из стали. Стальной конус, как можно было бы ожидать,
должен препятствовать входу детонационных газов в выемку,
уменьшая тем самым пробивную способность заряда. На практи-
ке, однако, наблюдается значительное усиление пробивного
действия и разрушения преграды. Пробивное действие кумулятив-
ного заряда (фиг. 10.1,в), который располагался на некотором
расстоянии от преграды, характеризуется еще более интересными
и на первый взгляд неожиданными свойствами. Пробивная спо-
собность кумулятивного заряда с облицованной выемкой зависит
от пластической деформации облицовки под действием взрыва.
Механизм деформации облицовки и образование кумулятив-
ной струи до некоторой степени зависят от формы облицовки
и других параметров кумулятивного заряда.
Конические облицовки с полууглом менее 60° обычно обжи-
маются, принимая форму, схематически изображенную на
фиг. 10.2. После инициирования заряда в направлении его глав-
ной оси образуется детонационная волна, распространяющаяся
по заряду со скоростью 7—8 км!сек. Когда фронт сферической
342
Глава 10
волны достигает облицовки, то ее стенки обжимаются и смыкаются
на оси заряда. Скорость удара по нормали к оси может достигать
нескольких километров в секунду. В условиях чрезвычайно высо-
ких давлений, действующих вдоль оси. значительно превышаются
Ф и г. 10.1.
а — кумулятивный эффект, б — пробивное действие кумулятивного
заряда с облицовкой при контакте е преградой; в — пробивное дей-
ствие кумулятивного заряда с облицовкой, расположенного на неко-
тором расстоянии от преграды.
пределы пластической деформации внутренних элементов обли-
цовки и жидкий материал выбрасывается вперед, увлекаемый
элементами облицовки. До момента смыкания часть облицовки,
находящаяся непосредственно перед этой зоной, образует быстро
суживающееся сопловое отверстие, форма и положение которого
оказывают влияние на диаметр и направление выбрасываемой
Кумулятивные заряды
343
струи. При прохождении струи через это отверстие она вымывает
материал облицовки, который увлекается основной струей. Этот
процесс повторяется по мере деформации все новых кольцевых
Ф и г. 10.2. Деформация кумулятивного заряда с конической облицовкой.
участков облицовки, в результате чего образуется непрерывная
струя, которая распространяется за детонационной волной до
тех пор, пока не будет достигнут предел пластического течения
Фиг. 10.3. Рентгенограмма, иллюстрирующая пробивное действие сталь-
ной струи, которая направлена на преграду из стали, расположенную на
некотором расстоянии от кумулятивного заряда; получена методом импульс-
ной рентгеносъемки.
в системе (фиг. 10.3). Конические облицовки, имеющие небольшое
отверстие у вершины, образуют не только основной (направлен-
ный вперед) поток, но также и струю в обратном направлении
значительно меньшей массы, что указывает на существование
зоны повышенного гидростатического давления вдоль оси.
344
Глава 10
В общем случае скорости струи приблизительно соответствуют
скоростям детонации применяемых взрывчатых веществ, но
в некоторых условиях скорость струи может быть и выше скоро-
сти детонации. Были зарегистрированы скорости струи выше
10 км/сек. Наблюдения процесса обжатия облицовки и измерения
Ф и г. 10.4. Кумулятивный заряд с конической облицовкой.
а — микрофотография шлифа с передней части обжатой облицовки
(около оси); б — обжатая облицовка; s — микрофотография шлифа с
наружной зоны обжатой облицовки.
скорости струи показали, что по мере перемещения точки смы-
кания стенок облицовки в направлении от вершины к основанию
конуса скорость соударения стенок и скорость струи уменьшаются,
что сопровождается появлением градиента скорости вдоль струи.
Облицовка после обжатия образует плотный конусообразный
кусок (пест), скорость которого зависит от конструкции заряда
и составляет от 1 до 2,5 км/сек.
На фиг. 10.4 показана форма обжатой конической облицовки
и представлены микрофотографии двух шлифов. Выбранная
Кумулятивные заряды
345
форма и размеры конической стальной облицовки постоянной
толщины с полууглом при вершине 30° почти соответствуют пре-
дельным условиям образования кумулятивной струи. В четко
очерченных зонах конуса обнаружены фазовые изменения и сжа-
тие зерен вдоль оси, возрастающие в направлении к основанию
облицовки. Это, по-видимому, подтверждает сделанные ранее
наблюдения, что масса струи возрастает по мере продвижения
вперед точки смыкания стенок облицовки.
Очень важно правильно выбрать соотношение между массой
облицовки и массой заряда ВВ. При чрезмерно большой массе
облицовки потери энергии, обусловленные внутренним трением
и последующим нагревом стенок облицовки при обжатии, а также
потери, связанные с дроблением облицовки (фиг. 10.4), могут
привести к уменьшению кинетической энергии процесса смыкания
стенок и нарушению гидродинамического режима, необходимого
для выброса струи. И, наоборот, если используется слишком
тонкостенная облицовка, то из-за нарушения целостности наруж-
ных элементов облицовки не обеспечивается требуемая ориентация
потока. 13 предельном случае материал облицовки может испа-
риться при смыкании стенок.
Деформация при обжатии конической облицовки с полууглом
раствора конуса более 60° и полусферической облицовки в корне
отличается от рассмотренной. Облицовка вначале выворачивается,
а когда фронт детонационной волны подходит к основанию
облицовки, превращается в конус с малым углом. Полусфериче-
ские и конические облицовки с большим углом почти целиком
дробятся с образованием более короткой струи, но большего
диаметра. Пест вообще не образуется, как и в случае конусов
с малым углом раствора.
Обеспечение регулируемого дробления и формирования куму-
лятивной струи не ограничивается рассмотренными формами
зарядов. Широкое применение нашли заряды с кумулятивной
выемкой линейной и круглой формы. Поперечные сечения выемки
этих зарядов имеют форму клина или полукруга (фиг. 10.5).
Разлет осколков при детонации заряда линейной формы обра-
зует тонкую плоскую пелену, а в случае заряда с выемкой в форме
тора — трубчатый поток. При инициировании детонации в одной
точке заряд линейной формы оказывает режущее воздействие
па металл преграды, которое благодаря влиянию границ заряда
распространяется на большую длину, чем длина заряда. В случае
зарядов с замкнутыми круглыми выемками при инициировании
детонации в одной точке наблюдается повышение пробивного
действия в точке столкновения детонационных волн.
Подробное представление в параметрической форме механизма
обжатия конических или полусферических облицовок связано
346
Глава 10
со значительными трудностями из-за сложности процесса. Однако
в настоящее время достигнут существенный прогресс в области
экспериментальных исследований благодаря использованию
аппаратуры, позволяющей точно проследить за последователь-
ностью процесса обжатия стенок и изменения скорости струи.
Механизм деформации зарядов с клиновидной кумулятивной
выемкой, позволяющей осуществлять непосредственное наблюде-
ние за процессом, изучался с помощью метода рентгеносъемки
•Фиг. 10.5. Облицованные кумулятивные заряды с линейной и круглой
выемкой.
в 1943 г. Кларком и Сили в Баллистической исследовательской
лаборатории Абердинского испытательного полигона (шт. Мэри-
ленд). В это же время Биркгоф сформулировал функциональную
теорию, в которой деформация облицовки рассматривалась на
основе гидродинамики жидкого потока.
КУМУЛЯТИВНЫЕ ЗАРЯДЫ В КОРПУСЕ
Если диаметр заряда бризантного взрывчатого вещества,
обычно используемого для кумулятивных зарядов, превышает
критический, то в нем распространяется стационарная высоко-
скоростная детонационная волна даже в том случае, когда заряд
не заключен в корпус. Однако при использовании замкнутого
объема можно существенно повысить эффективность заряда в отно-
шении концевого эффекта. Потери, связанные с влиянием границ
заряда, уменьшаются, если заряд заключен в корпус, вызываю-
щий отражение ударных волн в сторону заряда. Благодаря макси-
мальному снижению потерь давления в радиальном направлении
Кумулятивные заряды,
347
увеличивается количество энергии, затрачиваемой на распростра-
нение волны в направлении основной оси заряда. Такое ограниче-
ние объема приводит к тому, что фронт детонационной волны
делается более плоским. Угол встречи фронта детонационной
волны со стенкой конуса уменьшается, и скорость обжатия обли-
цовки соответственно увеличивается. Более высокая скорость
обжатия в свою очередь приводит к повышению скорости выброса
струи и увеличению ее массы.
Суммарная энергия взрыва заряда в корпусе увеличивается
не только благодаря уменьшению потерь, связанных с влиянием
Ф и г. 10.6. Противотанковый артиллерийский снаряд с кумулятивным
зарядом бризантного ВВ.
2 — донный взрыватель; 2 — ведущий поясок; з — предохранительная пружина;
4 — основной заряд; 5 — баллистический наконечник; 6 — коническая облицовка
с фланцем; 7 — передаточный заряд; 8 — корпус; 9 — капсюль-детонатор наполь-
ного типа; 10 — уплотнение; 11 — боек.
границ заряда, но также из-за дополнительного разлета осколков,
•образующихся при разрушении корпуса. В ряде случаев этот
широкий боковой разлет осколков крайне желателен, в то время
как в других условиях возможные повреждения, которые могут
вызвать осколки, заставляют отказаться от использования заря-
дов в корпусе. В случаях жестких весовых ограничений, накла-
дываемых на конструкцию кумулятивного заряда, наиболее
эффективным способом удовлетворения заданных требований
к характеристикам является использование заряда большего
диаметра с легкой дробящейся оболочкой, но без корпуса.
Для снарядов, стабилизируемых в полете вращением и выстре-
ливаемых из орудия (фиг. 10.6), применяются кумулятивные
заряды с мощным корпусом, выдерживающим напряжения, воз-
никающие при выстреле. Проектные параметры такого корпуса
определяются большими силами инерции и напряжениями от кру-
тящих моментов, приложенных к конструкции.
348
Глава 10
ПРОБИВНОЕ ДЕЙСТВИЕ КУМУЛЯТИВНОЙ СТРУИ
Механизм пробивного действия сверхскоростной струи на
металлическую преграду широко исследовался в течение ряда
лет [1]. Процесс в общих чертах объясняется с позиций гидродина-
мической теории.
Пробивание металла высокоскоростной струей и обычными
снарядами характеризуется различной степенью пластической
деформации материала преграды в процессе пробивания. При
ударе обычного бронебойного снаряда из упрочненной стали
о стальную преграду со скоростью 0,5—0,8 км/сек возникают
высокие давления, при воздействии которых напряжения в зоне
Ф и г. 10.7. Проникание"
сплошной струп металла в
металлическую преграду.
контакта снаряда и преграды превышают предел текучести мате-
риала преграды. Это вызывает пластическую деформацию прегра-
ды, материал которой смещается по радиусу головной частью
снаряда и вжимается в окружающий материал преграды. Дефор-
мация самого снаряда при скорости удара ниже критической
предотвращается частично благодаря его твердости и высокого
значения предела текучести, а главным образом благодаря окруж-
ным напряжениям, создаваемым материалом преграды. В момент
удара наблюдается ограниченное кратерообразование и обратное
пластическое течение материала преграды, которое прекращается
при полном погружении в преграду головной части снаряда.
Герметизация пробитого канала самим снарядом предотвращает
выход скопившегося материала преграды, находящегося в пла-
стическом состоянии, и дальнейший процесс пробивания преграды
зависит от предела сжимаемости ее материала.
Металлическая струя, движущаяся со скоростью 7 км/сек,
в момент столкновения с преградой создает давление, превышаю-
щее 150 000 кг/см2. Материал преграды в зоне действия струи
переходит в жидкое состояние и с высокой скоростью выбрасы-
вается в радиальном направлении. Картина течения струи и мате-
риала преграды в процессе углубления отверстия показана,
на фиг. 10.7.
Кумулятивные заряды
349
Взаимодействие струи с преградой сопровождается такими
же эффектами, что и детонация бризантного ВВ внутри преграды.
Рассмотрим непрерывное механическое взрывоподобное взаимо-
действие струи и преграды. Как только новая порция струи
достигает преграды, происходит небольшое дополнительное
углубление струи в преграду, сопровождающееся образованием
взрывного кратера и радиальным расширением материала, пере-
шедшего в жидкое состояние, а также сжатием и непрерывной
деформацией окружающей массы преграды. Наряду с такими важ-
ными факторами, как высокоскоростное расширение в радильном
направлении и непрерывная деформация материала преграды,
в процессе образования канала в преграде участвуют также
и такие факторы, как эрозия, выброс материала преграды в обрат-
ном направлении и частичное его испарание. Благодаря этому дей-
ствию диаметр канала может значительно превышать диаметр
струи. Последнее обстоятельство дает возможность новым пор-
циям струи достичь перемещающейся зоны взаимодействия с мате-
риалом преграды без существенных помех.
На фиг. 10.3 представлена фотография процесса внедрения
стальной струи в стальную преграду при скорости движения
струи 7 км!сек. На фотографии видны полностью обжатая кониче-
ская облицовка (пест), приближающаяся к преграде, и еще про-
должающая истекать струя, которая имеет четкие границы и рас-
пространяется на расстояние, приблизительно равное трем дли-
нам песта. Виден взрыв при соприкосновении струи с преградой,
материал которой разбрасывается на входе и выходе из канала.
Диаметр отверстия приблизительно в 10 раз превышает диаметр
струи. Первая порция струи полностью расходуется на пробива-
ние первой пластины преграды. Видна также часть струи, движу-
щаяся ко второй преграде и прошедшая через отверстие в первой
преграде по существу без помех.
С течением времени струя удлиняется и из-за существования
градиента скорости постепенно разрушается с образованием
отдельных элементов, которые в атмосферных условиях в конце
концов приобретают самостоятельные траектории в соответствии
с их индивидуальной аэродинамической формой.
Переход от сплошной струи к раздробленной можно наблю-
дать на фиг. 10.1, в. На глубине внедрения, составляющей около
двух диаметров основания конуса, форма канала свидетельствует
о том, что струя распадается на отдельные элементы.
Помимо разрушения струи, градиент скорости, или, точнее,
градиент кинетической энергии струи, вызывает соответствующее
изменение диаметра канала.
Ясно, что размер отверстия в преграде в значительной степени
зависит от расстояния между преградой и кумулятивным заря-
350
Глава 10
дом. На фиг. 10.1, б показан кумулятивный эффект заряда с обли-
цованной выемкой при непосредственном контакте со стальной
преградой. Значительная часть располагаемой кинетической
энергии струи рассеивается, что подтверждается появлением
большой зоны разрушения материала на поверхности преграды
в окрестности отверстия. При детонации идентичного заряда,
находящегося на существенном расстоянии от преграды
(фиг. 10,1, в), наблюдается значительное увеличение глубины
внедрения струи и почти полное отсутствие разрушения поверх-
ности преграды.
При дальнейшем увеличении расстояния между зарядом
и преградой теоретически возможно обеспечить бесконечное
увеличение глубины внедрения идеальной жидкой струи. На прак-
тике, однако, для каждого заряда существует оптимальное рас-
стояние, за пределами которого дробление струи и рассеивание
ее частиц приводят к уменьшению этой глубины.
Глубина внедрения и объем отверстия, образованного данной
струей, зависят не только от расстояния между зарядом и прегра-
дой, но также и от физических свойств материала преграды.
В случае более вязких металлов, таких, как алюминий, глубина
внедрения струи и диаметр отверстия несколько больше. Самые
эффективные результаты в этом отношении можно получить для
свинцовых преград, в которых диаметр отверстия более чем
в 40 раз превышает диаметр струи.
Глубина внедрения струи в неоднородные материалы, отлич-
ные от металлов, обычно превышает глубину внедрения в сталь.
Больше и объем отверстия. Стальная струя, например, проникает
в цементобетон на глубину от 8 до 12 диаметров конуса в зависимо-
сти от прочностных характеристик преграды. Природные обра-
зования (гранит, базальт и т. д.) лучше противодействуют про-
бивному действию струи, которая внедряется в преграды из этих
материалов лишь на несколько большую глубину, чем в сталь.
Было исследовано действие элементов высокоскоростной струи
(собственно струи, песта или осколков) при столкновении с про-
зрачными пластиками и термообработанным стеклом (типа мате-
риала, используемого для фонаря кабины самолета). Под дейст-
вием удара в монолитных пластиковых преградах образуются
глубокие и длинные радиальные трещины и отколы (фиг. 10.8—
10.10). На преграду из термообработанного монолитного стекла
кумулятивная струя оказывает значительно более сильное воз-
действие из-за существования предварительного напряженного
состояния в материале преграды, вызванного процессом термо-
обработки.
Действие удара по слоистым прозрачным панелям, кото-
рые обычно применяются для герметизированных кабин самоле-
Кумулятивные заряды
351
тов, зависит от типа несущих элементов панели и гибкого проме-
жуточного слоя, а также от температуры. Многослойные лобовые
стекла фонаря самолета не могут выдержать удара высокоскоро-
стных частиц, но должны предотвратить полное разрушение
панели и свести к минимуму образование убойных осколков при
ударе. Эффективность соответствующих слоистых пластиков
с эластичным промежуточным слоем при оптимальной прочности
Ф и г. 10.8. Столкновение
одиночной частицы с мо-
нолитной пластиковой
преградой.
Фиг. 10-9 Картина дробления моно-
литной пластиковой преграды при
столкновении с ней одиночной частицы.
склеивания иллюстрируется на фиг. 10.11. Хотя высокоскорост-
ная частица и проникает через преграду, эффект дробления сведен
к минимуму благодаря адгезии частично раздробленного несущего
элемента панели к промежуточному слою. В результате воздейст-
вия снаряда на эластичный подслой происходит значительное
искривление слоистого материала с образованием симметричной
пробоины.
Низкая температура оказывает значительное влияние на
прочностные характеристики стойких к удару слоистых материа-
лов, что может быть связано главным образом с потерей эластич-
ности промежуточного слоя и основного несущего элемента.
При ударе высокоскоростной частицы (имеющей скорость.
1—2 км/сек) по переохлажденной панели самолета из такого
пластика начинается ее разрушение, которое при наличии пере-
пада давления между кабиной и окружающей средой завершается
полным разрушением конструкции панели.
Фиг. 10.10. Радиальные трещины, образующиеся при столкновении оди-
ночной частицы с монолитной пластиковой преградой.
Фит. 10.11. Столкновение одиночной частицы с прозрачной слоистой
панелью фонаря кабины самолета.
Кумулятивные заряды
353
КОНЦЕВЫЕ ЭФФЕКТЫ
Потребность в концевых эффектах за преградой зависит от
специфических условий применения кумулятивного заряда. От
зарядов с линейной пли круглой выемкой, применяемых, напри-
мер, для резки металлических обшивок или элементов кон-
струкций, обычно требуется, чтобы дробление и действие взрыва
за преградой были минимальны или даже полностью исключены.
Это требование удовлетворяется путем тщательного подбора
пробивной способности заряда в соответствии с толщиной пре-
грады и физическими свойствами ее материала.
Для боевых целей, таких, как разрушение брони или конструк-
тивных элементов самолета, образование лишь пробоины в пре-
граде не удовлетворяет поставленным требованиям. В подобных
случаях необходимы максимально возможные разрушения за
преградой. Эго требование обычно удовлетворяется путем значи-
тельного завышения мощности заряда. При пробивании стальной
преграды стальной или медной струей неизрасходованные эле-
менты струи способны распространяться на значительные рас-
стояния за преградой, вызывая дополнительные разрушения
внутренних элементов конструкции. Элементы струи способны
также в определенных условиях воспламенить горючие материалы
и обычно воспламеняют патроны с бездымным порохом и вызывают
детонацию зарядов ВВ, расположенных за преградой. Многочис-
ленные доказательства таких возможностей в боевых условиях
были получены во время второй мировой войны. Пробивание бро-
ни танков гранатами диаметром 60 мм (гранатомет «базука»)
или противотанковыми артиллерийскими снарядами калибром
75—105 мм часто вызывало взрыв боезапаса танка и, следователь-
но, полное разрушение боевой машины.
Кроме действия самой струи, наблюдается также разлет оскол-
ков, состоящих из элементов преграды, находящихся в пластиче-
ском состоянии, кусков материала преграды и в некоторых слу-
чаях — песта. Эффективность этого разлета, конечно, возрастает
пропорционально размерам заряда и его мощности. Струя и раз-
лет осколков после пробивания стенок резервуаров, заполнен-
ных жидкостью, вызывают очень сильные гидравлические удары,
которые могут привести к разрушению баков горючего, масло-
проводов и т. д.
Пробивание струей преграды сопровождается весьма эффект-
ным зрелищем, если струя образована жидким алюминием
и (или) преграда изготовлена из алюминия. Это связано с испа-
рением алюминия и в некоторых условиях со взрывом паров
алюминия при смешении с воздухом. На фиг. 10.12 представлена
фотография процесса, наблюдаемого при столкновении полусфе-
23-1088
354
Глава 10
рической облицовки весом 66 мг, движущейся со скоростью
5 км/сек, со стальной преградой толщиной 2,5 мм. Контуры струи
затемнены парами металла, образование которых связано с аэро-
динамическим нагревом при движении струи от заряда к преграде.
На лицевой поверхности преграды в дополнение к зоне действия
основной струи видны многочисленные зоны ударов меньшей
интенсивности. В этих местах происходит сильное испарение
металла. Сама струя создает одно основное отверстие, в процессе
Ф и г. 10.12. Пробивание стальной преграды полусферической алюминиевой
облицовкой!.
образования которого происходит дополнительное испарение
материала струи. В результате за преградой развивается интен-
сивный форс пламени.
Скорость реакции смеси парообразного алюминия с воздухом
возрастает в условиях частично замкнутого объема. Хотя данная
реакция не сопровождается выделением газа, высокий тепловой
эффект сгорания может вызвать взрывоподобное расширение
избыточного кислорода и инертных газов. Полусферическая алю-
миниевая облицовка весом 66 мг, выстреливаемая со скоростью
5 км/сек в направлении заполненного воздухом отсека (объемом
1 л) с алюминиевыми стенками, вызывает повышение давления
в нем приблизительно на 1 атм. Взрывное действие смесей паров
алюминия с воздухом существенно возрастает, если пробиваются
(поодиночке или последовательно) отсеки, заполненные возду-
хом под давлением.
Об интенсивности парообразования алюминия и вторичном
взрыве после пробивания медной струей алюминиевой преграды
можно судить по фотографии, приведенной на фиг. 10.13. Кумуля-
тивный заряд диаметром 35 мм, содержащий 50 г прессованного
гексогена, имел коническую облицовку из меди с полууглом рас-
твора 35° и весом 15 г. Этот заряд закреплен на мес ге, а возникшая
в результате инициирования кумулятивная струя направлена
Кумулятивные заряды
355
на алюминиевую йластину толщиной 3,5 мм, установленную
на расстоянии 30 см от заряда. Измеренная скорость головной
части струи в момент столкновения с преградой составляет
7,1 км!сек. Потери веса преграды соответствуют количеству
испарившегося алюминия, равному 4,5 г. Граница пламени при
химической реакции паров алюминия с воздухом вытягивается
в направлении траектории струи на 60 см.
Применение облицовок из композиционных материалов позво-
ляет сочетать требуемые характеристики пробивного действия
медных облицовок с зажигательными свойствами алюминия.
Ф п г. 10.13. Пробивание медной струей алюминиевой преграды.
Результаты исследования характеристик кумулятивных заря-
дов с облицовкой увеличенных размеров указывают на пропор-
циональное увеличение размеров частиц, образующихся при
распадении сплошной кумулятивной струи. При проведении
испытаний со стальными коническими облицовками, имеющими
диаметр основания, равный 50 см, обнаружено, что благодаря
улучшенным аэродинамическим свойствам этих крупных элемен-
тов струи возрастает глубина ее внедрения в преграду.
ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА
Совершенно очевидно, что ударная волна, образованная
в заряде ВВ при срабатывании инициатора, быстро бы затухала
вследствие диссипации энергии на фронте волны, если бы не
356
Глава 10
постояннный приток энергии. Условия детонации обеспечиваются
непрерывным выделением химической энергии непосредственно
после прохождения фронта волны. Скорость распространения
волны зависит от энергетических характеристик термодинамиче-
ски нестабильного взрывчатого вещества, скорости химической
реакции, протекающей с образованием стабильных конечных
продуктов реакции, и начальной плотности ВВ.
Гомогенные симметричные заряды ВВ с равномерно распре-
деленной плотностью имеют воспроизводимые характеристики
фронта волны и скорости детонации, что является важным требо-
ванием для кумулятивных зарядов.
Взрывчатые смеси типа динамита могут содержать неравномер-
но распределенные отдельные гранулы высокочувствительного
ВВ, например нитроглицерина, окруженного значительно менее
чувствительными компонентами. Вследствие высокой чувстви-
тельности нитроглицерина относительно слабое возмущение
может сначала вызвать взрыв включений, в то время как менее
чувствительная матрица еще не прореагировала.
Множество нагретых очагов вызывают затем детонацию
самой матрицы. Энергия, высвобождаемая во время протекания
этих вторичных реакций, почти не оказывает влияния на распро-
странение основной ударной волны. Подобная система не имеет
стабильной формы детонационной волны и характеризуется
относительно низкой скоростью детонации с большими разбро-
сами. Взрывчатые вещества подобного типа непригодны для
кумулятивных зарядов с облицовкой.
ЛИТЕРАТУРА
1. С о о k М. A., The Science of High Explosives, N.Y., Reinhold Publishing
Corp., 1958, p. 252.
11
ИСПЫТАНИЯ И ОЦЕНКА ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Грин В. (William Green)
Пиротехнические и взрывчатые средства находят все более
широкое применение в сложных системах ракетно-космической
техники и поэтому к условиям и результатам их испытаний предъ-
являются все более жесткие требования. В этой главе достаточно
подробно рассматриваются специальные проблемы, так что она
может оказаться полезной в качестве справочного руководства
для испытателей и эксплуатационников. Однако подробных ин-
струкций для непосредственного использования здесь не приво-
дится.
Испытания ракетных двигателей, боевых головок и основных
материалов здесь не описываются, поскольку они настолько слож-
ны или специализированы, что требуют отдельного рассмотрения.
Описанные здесь методы испытаний относятся к следующим четы-
рем типам пироэпергоустройств ракетно-космической техники:
электрозапалам, детонаторам, осветительно-сигнальным устрой-
ствам и устройствам с детонационной цепью.
Электрозапал представляет собой устройство, имеющее мостик г
при инициировании которого срабатывает пиротехническая цепь;
концевой элемент запала генерирует продукты сгорания высокого
давления и температуры. Детонатором называется устройство,
которое создает детонационную волну, способную вызвать дето-
нацию более крупного заряда ВВ. Осветительные и сигнальные
средства генерируют энергию излучения, которая может соответ-
ствовать видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областям
спектра. Устройства с детонационной цепью предназначены для
передачи импульса от источника инициирования к другим элемен-
там системы. Она включает передаточные заряды, замедлители,,
проводники и т. д.
В данной главе материал представлен в виде четырех основных
разделов, в которых даются рекомендации, касающиеся форму-
лировки целей испытаний и подготовки технической документа-
ции, подготовки и проведения испытаний, оценки их результа-
тов и, наконец, условий техники безопасности, которые должны
учитываться при проведении испытаний.
358
Глава 11
ФОРМУЛИРОВКА ЦЕЛЕЙ ИСПЫТАНИЙ И ПОДГОТОВКА
ТЕХНИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ
Перед составлением программы испытания или серии испыта-
ний необходимо разработать детальный план их проведения.
Хотя с этого начинается решение любой инженерной задачи, тем
не менее имеются специальные соображения, которые следует при-
нять во внимание перед подготовкой плана испытаний рассма-
триваемых вспомогательных устройств. Будучи по своей природе
устройствами одноразового действия, они должны испытываться
на основе статистических методов. Поэтому необходимо составить
план и документацию на все серии испытаний. По результатам
серии испытаний и каждого испытания в отдельности можно полу-
чить исчерпывающую статистическую информацию. Для дости-
жения этой цели необходимы испытания устройств после совокуп-
ного или последовательного воздействия различных условий окру-
жающей среды при максимально возможном приборном оснащении
каждого испытания. Гарантией того, что разработанная программа
обеспечит требуемую информацию, является составление полной
технической документации, содержащей формуляры испытаний
и утвержденные акты, так как в противном случае повторные
испытания будут связаны с большими осложнениями. Полнота
представленной технической документации подтверждается при-
ложенными к плану испытаний следующими формулярами и дру-
гими материалами:
1. Блок-схемой, отражающей каждое испытание каждого
образца.
2. Формуляром с перечислением всех испытаний, которым
подвергалось каждое изделие, составленным таким образом,
что с помощью номера серии или специального номера изде-
лия можно было бы точно определить в любой момент вре-
мени выполнения программы, каким испытаниям подвер-
гался образец до данного момента времени и какое будет
следующим.
3. Четким и сжатым описанием каждого последовательного
испытания с указанием выходных данных.
4. Полным и подробным описанием оборудования и стендовых
установок, которые предполагается использовать во время
испытания.
5. Детальным описанием порядка монтажа оборудования,
указанного в п. 4, необходимых его тарировок и проверок
перед испытанием.
6. Подробным описанием методики проведения испытаний.
7 Бланком результатов испытаний, в котором оставляются
свободные места против каждого номера серии с указанием
Испытания и оценка их результатов
359
условий проведения испытания. В свободные графы бланка
заносится вся информация, которая должна быть получена
в результате испытаний (если в процессе испытаний изде-
лие в течение некоторого времени выдерживается в сравни-
тельно простых условиях окружающей среды, то это может
быть указано в примечании к формуляру испытаний, описан-
ному в п. 2).
8. Перечислением в формуляре всех случаев представления
фотодокументации.
9. Детальным описанием методов обработки эксперименталь-
ных данных.
Этот перечень из девяти пунктов носит общий характер.
Перед составлением подробного плана необходимо проанализи-
ровать технические требования и определить основные типы испы-
таний.
АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ
В связи с более широким использованием небольших пиро-
эпергоустройств в ракетно-космической технике в качестве
компактных источников энергии все большее количество разных
специалистов принимает участие в составлении технических
требований, которым эти устройства должны отвечать. Поскольку
многие специалисты имеют ограниченный опыт работы с подоб-
ными устройствами, то им зачастую неизвестны характеристики
этих устройств и специализированные условия их испытаний.
В связи с этим нередко возникают серьезные проблемы, обуслов-
ленные подготовкой и анализом технических требований.
В последующих разделах этой главы будут рассмотрены спе-
цифические проблемы, связанные с различными типами устройств.
Здесь же приводятся некоторые общие соображения. Зачастую
инженеры применяют технические требования, заимствованные
из других областей техники, в качестве основы для подготовки
технических требований к пироэнергоустройствам ракетно-кос-
мической техники. Это и понятно, если учесть, что нередко
устройство является частью электронного, механического или
гидравлического агрегата и должно быть подвергнуто тем же
самым воздействиям окружающей среды и условиям испытаний.
Вместе с тем вследствие одноразовости действия пиротехниче-
ских устройств требуется тщательная проверка всех формули-
ровок во избежание их неопределенности или нереальности выдви-
нутых технических требований.
Большинство затруднений возникает в том случае, когда
общие цели или условия применения готового изделия непосред-
ственно используются в качестве технических требований при про-
ведении испытаний. Хотя может показаться естественным предъ-
360
Испытания
на воздействие
тепла и влаги
(изделия №№41-60)
♦
Проверка сопротивления
мостика и испытания
на отказ устройства
(изделия №№41-60)
i
Проверка
функционирования
(изделия N-N- 41-60)
Ф п г. 11. 1. Примеры двух упрощенных блок-схем испытаний.
На практике в каждый блок (позицию) включаются технические требования или
требования по контролю в соответствии с системой, принятой в ракетной промыш-
ленности США.
Испытания и оценка их результатов
361
явить к испытуемому изделию требование, гласящее: «Изделие
должно быть испытано в соответствии с требованиями § 30»,
где § 30 содержит требования к конструкции изделия, часто не
представляется возможным испытать данное устройство в соот-
ветствии с общим требованием конструкции. В качестве примера
рассмотрим простое требование: «Изделие должно функциониро-
вать на всех высотах от уровня моря до высоты 75 км», которое
пригодно в качестве требования к конструкции, но в этой форму-
лировке оно не может быть использовано в качестве требования
при проведении испытания, поскольку его невозможно подтвер-
дить только испытаниями. Изделия могут функционировать на
уровне моря и на различных высотах вплоть до 75 км, а затем
на основе анализа результатов делается вывод, что и на проме-
жуточных высотах функционирование будет нормальным. Чтобы
не приходилось делать необоснованных утверждений, необходимо
тщательно избегать всех требований, в которых указаны интер-
валы изменения параметров, а вместо этого называть конкретные
условия, при которых устройство должно работать.
При подготовке испытаний необходимо четко сформулировать
требования, которым должно удовлетворять изделие после воз-
действия определенных условий окружающей среды. Необходимо
заранее установить, будет ли изделие функционировать после
последовательного воздействия различных условий окружающей
среды или потребуется серия испытаний нескольких групп изде-
лий, каждая из которых подвергается определенному виду воз-
действия. Чтобы можно было ответить на этот вопрос, необходимо
указать те испытания, при которых не происходит разрушения
образца, и те испытания, которые требуют срабатывания или
разрушения образца. Также необходимо заранее определить,
какие условия окружающей среды изделие может выдержать
после последовательных воздействий. На основе этих данных
инженер-испытатель может подготовить блок-схему программы
испытаний, а затем и полную программу испытаний. Два примера
блок-схем подобного типа представлены на фиг. 11.1. В любом
случае абсолютно необходима точная и сжатая программа испы-
таний. Эта программа должна быть рассмотрена и согласована
с инженерами-эксплуатационниками, что будет лучшим свиде-
тельством правильного понимания технических требований.
ОТРАБОТОЧНЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Отработочным называется любое испытание, в процессе кото-
рого устанавливается, будут ли модифицированный вариант или
прототип изделия отвечать новым требованиям. Эти испытания
состоят из серии экспериментов, позволяющих получить факти-
362
Глава 11
ческий материал, на основе которого оцениваются параметры
смеси, конструкция мостика и т. д. Полученные результаты
используются главным образом для экстраполяции рабочих
характеристик на основе имеющихся данных. Отработочные
испытания могут включать воздействие условий окружающей
среды, но опираются обычно на статистические методы оценки.
Хотя для каждого индивидуального испытания должна быть под-
готовлена документация, полная программа испытаний в данном
случае заранее не составляется. Последующая серия испытаний
намечается после проведения предшествующего испытания,
оценки его результатов и появления новых вопросов, на которые
необходимо получить ответ. Не следует, однако, полагать, что,
поскольку программа испытаний непрерывно корректируется,
документация может быть менее строгой. В действительности
дело обстоит иначе. Чрезвычайно важно иметь точную докумен-
тацию по каждому испытанию наряду с точными данными по обо-
рудованию, которое применяется при испытании и т. д., поскольку
инженерные решения, оказывающие влияние на проведение всей
программы разработки, должны быть основаны на полученной
информации.
ОЦЕНОЧНЫЕ ИСПЫТАНИЯ КОНСТРУКЦИИ
Оценочными испытаниями конструкции называются такие
испытания, которые применяются для определения соответствия
разрабатываемого изделия требованиям проекта в пределах задан-
ного уровня надежности. К ним относятся комбинированные
испытания на воздействие условий окружающей среды, а также
испытания на определение статистических и функциональных
характеристик изделия. На этой стадии разработки известны
требуемые характеристики изделия и поэтому может быть состав-
лен подробный план проведения испытаний. По результатам этих
испытаний производится скорее статистическая оценка, чем про-
стая обработка на основе принципа «да или нет». Эти испытания
предшествуют квалификационным испытаниям, но охватывают
несколько более широкий диапазон условий работы. Они должны
однозначно определить, что изделие, изготовленное по таким же
чертежам и при тех же самых методах контроля, может удовле-
творять всем техническим требованиям заказчика. К этому мо-
менту необходимо обеспечить четкое согласование всех техниче-
ских требований и их правильное понимание. Все требования
должны быть рассмотрены с учетом применяемых методов испыта-
ний, чтобы показать, что изделия будут функционировать в соот-
ветствии с техническими требованиями. Путем тщательного изу-
чения технических требований должны быть исключены все слу-
Испытания и оценка их результатов
363
чаи различного их истолкования. Важно, чтобы данное иссле-
дование было проведено прежде, чем будет окончательно утверж-
дена конструкция, и перед изготовлением партии изделий для
квалификационных испытаний, а также перед согласованием
плана этих испытаний. Техническая документация на указанный
тип испытаний, хотя и не требует актирования с участием пред-
ставителя заказчика, что типично для квалификационных испы-
таний, тем не менее должна быть достаточно полной, чтобы слу-
жить в качестве основы для составления официальной докумен-
тации для квалификационных испытаний. Если документация
по этим испытаниям составлена в сжатом и четком виде, то она
может оказаться чрезвычайно полезной при составлении про-
граммы квалификационных испытаний. Например, может быть
установлено, что испытательное оборудование неправильно функ-
ционирует, вызывая отказы изделий; учет этого фактора позво-
ляет исключить необходимость возможного пересмотра программы
к в ал ификационных испыта ний.
КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ \
Эти испытания служат официальным доказательством, что
разработанное изделие соответствует заданным требованиям за-
казчика. В технических требованиях к подобным испытаниям
следует четко указать условия, которым должно соответствовать
изделие, количество изделий, подвергающихся испытаниям, после-
довательность проведения испытаний и метод выборки изделий для
проведения испытаний из готовой партии. Если заказчик не
представил подобные технические требования к испытаниям или
если возникают описанные выше трудности, фирма-поставщик
должна представить конструктивные предложения по составлению
четкой программы испытаний, в которой указан метод проведе-
ния испытаний, а следовательно, выполнен анализ технических
требований к изделию. Если существуют области, в которых
с помощью имеющихся характеристик оборудования и методов
испытании не удается достаточно четко указать возможный тип
отказов изделий, то важно, чтобы обе стороны, т. е. фирма-постав-
щик и заказчик, использовали одинаковый критерий, по которому
будет осуществляться приемка или забраковка изделий после
завершения программы испытаний. Документация программы
этого типа должна быть полной, подробной и правильно сформу-
лированной. Па фиг. 11.2 представлены два примера состав-
ления подобной документации. Если программа испытаний и ме-
тодика составления документации являются достаточно полными
и носят систематический характер, как это описывалось ранее,
то эти материалы могут составить около 90% от объема оконча-
364
Глава 11
гельного отчета по результатам испытаний. Действительно, если
документация и программа испытаний составлены по всем пра-
вилам, то подготовка окончательного отчета сводится лишь к пред-
ставлению конечных результатов испытаний и их анализа.
№ серии Сопротивление мостина, ом Отказ при силе тока 1 а Сила тока при срабатывании, а Температура, °C Срабатывание Максимальное давление, ат Период задержки до достижения макси- мального давления,леек Период задержки до начала подбема кривой давления,мсек Дата проведения испытания Примечания
26 0,04 Норм. 5,0 22 Норм 14,4 3,5 0,10 8/26
54 0,05 Норм 5,0 120 Норм. 22,д
—
Ф и г. 11.2. Образцы страниц документации с подробным указанием
порядка проведении испытаний.
Инструкцией MIL-T-9107 оговариваются необходимые данные
о формате документации, методе представления материалов, необ-
ходимых подписях и т. д. Беспрепятственное проведение квали-
фикационных испытаний зависит еще от одного дополнительного
фактора — их расписания. Если подготовлено подробное распи-
сание испытаний совместно с их программой, то можно рассчи-
Испытания и оценка их результатов
365
тывать, что все представители будут на месте к началу испыта-
ний. Этот фактор становится весьма серьезной проблемой, когда
в разработку изделия включены субподрядчики, основные подряд-
чики и представители правительственных организаций.
ПРИЕМОЧНЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Приемочными называются такие испытания, которым постоянно
должны подвергаться образцы изделий в течение срока действия
контракта на их разработку и производство. Планирование этих
испытаний связано с общей схемой плана производства изделий,
а документация непосредственно составляется отделами по кон-
। тролю за производством и качеством продукции. Размер партии
изделий для этой серии испытаний полностью определяется тех-
ническими требованиями заказчика или контрактом. Поэтому
необходимо, чтобы эти требования были изучены и тщательно
документированы.
Правильное понимание требований становится вдвойне важным,
поскольку на этом этапе имеется вторая испытательная группа,
а именно заказчик, производящий контроль. Поэтому методы
и оборудование, применяемые при приемке изделий, должны
быть тщательно документированы. Например, нередко возникает
ряд серьезных проблем, связанных с неточностью документации
относительно кривых давление — время для электрозапалов, как
I это будет рассмотрено ниже. Применяемые типы испытаний мно-
| гообразны, начиная с простых контрольных испытаний типа
I измерения сопротивления мостика, визуального осмотра, рентге-
1 носкопии и т. д. до весьма многочисленной группы приемочных
J испытаний. Испытания, включаемые в программы подобного типа,
| а также три предшествующие программы рассматриваются более
| подробно в следующем разделе.
А
3 ПОДГОТОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
я
В данном разделе описаны методы проведения испытаний
jf в соответствии с четырьмя ранее рассмотренными программами.
| В большинстве случаев специальные методы проведения испыта-
ний описаны в технических условиях MIL (содержащихся в спра-
р вочнике по техническим требованиям и стандартам Министерства
обороны). В этом справочнике имеются два перечня технических
!( требований, один из которых составлен в алфавитном порядке,
h а другой по порядку номеров. Имеются стандартные технические
Е требования на проведение испытаний по воздействию окружающей
Ц среды, а также других испытаний общего типа.
366
Глава 11
В этом разделе будут рассмотрены оборудование для проведе-
ния испытаний, тарировка этого оборудования и т. д., экспери-
менты по определению влияния окружающей среды, испытания
без разрушения и испытания с разрушением.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ
Точность и соответствие испытания выдвигаемым требованиям
непосредственно зависят от применяемого при проведении испы-
таний оборудования. Перечень оборудования, необходимого для
отдела, проводящего испытания на проверку работоспособности
изделий, зависит от организации производства изделий в фирме
и поэтому выходит за рамки данной главы. Однако при рассмо-
трении каждого типа испытаний в настоящей главе даются описа-
ния соответствующего оборудования, так что после выбора пред-
ставляющих интерес испытаний может получиться довольно пол-
ный перечень необходимого оборудования.
Подробное описание методов тарировки, типа оборудования
и т. д. приводится в работах [1, 21, которые не только содержат
необходимые данные, по также снабжены отличной библиогра-
фией.
В зависимости от структуры фирмы тарировку оборудования
проводят отдел испытаний или отдел контроля качества. В любом
случае, необходимо иметь соответствующее тарировочпое оборудо-
вание для паспортизации точности испытательного оборудования.
Необходимо предусмотреть документирование всех использован-
ных стандартов в процессе тарировки в соответствии с требова-
ниями Национального бюро стандартов. Эта работа может выпол-
няться либо отделом испытаний, либо отделом контроля качества,
однако копия документа с указанием точности оборудования
должна находиться в отделе испытаний. Необходимо установить
основной уровень точности оборудования, так чтобы можно было
учесть возможную ошибку при выдаче выходных данных. В боль-
шинстве фирм составление расписания, методик и ведение запи-
сей осуществляется отделом контроля качества, однако инже-
нер-испытатель должен быть знаком с этой областью, чтобы иметь
возможность сделать общую оценку результатов своих испытаний.
Поэтому при составлении первоначальной программы испытаний
необходимо указывать оборудование, гарантируя тем самым
заданную точность. При рассмотрении в следующих разделах
оборудования, требуемого для выполнения испытаний, считается,
что соответствие и точность реально используемого оборудования
установлены ранее.
Испытания и оценка их результатов
367
ИСПЫТАНИЯ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ УСЛОВИЙ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
При проведении этих испытаний основное внимание обра-
щается на условия, в которых находится изделие. С одной сто-
роны, эти условия могут исследоваться с точки зрения их влияния
на последующую работу изделия или безопасность его использова-
ния, а с другой — как условия, в которых изделие должно непо-
средственно функционировать. Во втором случае необходимо
учитывать ограничения, связанные с одноразовостью действия
небольших пироэнергоустройств, применяемых' в ракетно-косми-
ческой технике.
ИСПЫТАНИЯ ПА ВОЗДЕЙСТВИЕ ВИБРАЦИИ
Эти испытания могут быть двух основных типов: на воздействие
синусоидальных и случайных колебаний. Испытания на воздей-
ствие синусоидальных колебаний выполняются в соответствии
с техническими требованиями по частоте колебаний или кача-
нию частоты и максимальной или среднеквадратичной величине
перегрузки. Для исследования влияния низкочастотных вибра-
ций (11,3—50 сщ), возникающих во время транспортировки, можно
использовать механические устройства и гидравлические вибра-
торы. Высокочастотные вибрации (до 2000 гц) генерируют с помо-
щью электромагнитных устройств. Для получения синусоидальной
формы волны можно использовать как электронные системы, так
и системы с приводом от электродвигателя.
Случайные колебания генерируются с помощью электронной
системы. Изделие подвергается одновременному воздействию
вибраций всех частот в пределах заданной полосы при определен-
ном соотношении между амплитудой и частотой в единицах спек-
тральной плотности энергии (g2/gz{). Это довольно жесткое испыта-
ние, поскольку оно сопровождается всеми модами механических
колебаний, собственные резонансные частоты которых попадают
в заданную полосу. Требование к соотношению между амплитудой
и частотой может отражать реальные условия эксплуатации изде-
лия при его применении, либо опо назначается произвольно.
Принцип проведения испытаний одновременно при всех частотах
легче понять, если рассмотреть, как он осуществляется на прак-
тике. Имеются источники электронных шумов, которые создают
колебания напряжения с непрерывным частотным спектром. Этот
тип генератора шумов применяется в качестве источника сигнала,
который усиливается и пропускается через систему фильтров,
формирующую амплитудно-частотные характеристики. Резуль-
тирующий сигнал дополнительно усиливается и используется
368
Глава 11
для приведения в действие вибратора. На зажимное приспособле-
ние вибратора или непосредственно на изделие крепится акселе-
рометр, который служит для контроля выходного сигнала, благо-
даря чему соответствующей настройкой фильтра можно обеспе-
чить требуемое соотношение между амплитудой и частотой колеба-
Ф и г. 11.3. Вибрационная установка с программным управлением.
ний. Эта настройка необходима вследствие нелинейности переда-
точных характеристик между вибратором и зажимным приспособ-
лением, в котором находится изделие.
Проектирование зажимных приспособлений для проведения
испытаний на воздействие вибрации является самостоятельной
областью разработки. Сложнее всего разработать зажимные при-
способления, обеспечивающие случайный характер колебаний.
Зажимное приспособление должно быть достаточно жестким и лег-
ким, чтобы не вызвать механического усиления вибраций, которые
передаются от вибрационного стола к изделию. В общем зажимное
приспособление должно быть конструктивно простым.
Для определения амплитуды и частоты колебаний, которые
может испытывать изделие, существуют три системы. Когда
Испытания и оценка их результатов
369
частота колебаний мала, а амплитуда велика, действительное
механическое перемещение изделия можно измерить оптическими
методами. Величина перемещения либо используется непосред-
ственно, либо преобразуется в величину максимального ускоре-
ния с помощью следующего уравнения:
а = ,т0 (2л/)2,
где а — максимальное ускорение м/сек2', х0— максимальное сме-
щение, м; / — частота колебаний, гц.
Для определения относительной скорости перемещения уста-
новки при более высоких частотах можно использовать индук-
ционный датчик (обычно стандартный элемент оборудования для
вибрационных испытаний). Путем интегрирования или диффе-
ренцирования этой скорости вычисляются амплитуда или уско-
рение. Если зажимное приспособление вызывает резонанс или
в соответствии с техническими требованиями необходимо более
точное измерение, то акселерометры могут быть смонтированы
на зажимах возле изделия, и выходной сигнал передается на
осциллограф или на устройство, регистрирующее максимальное
ускорение. При измерении случайных колебаний требуется аксе-
лерометр и специальное оборудование, позволяющее определить
соотношение между энергией и частотой колебаний. Величина этого
соотношения регистрируется с помощью осциллографа или само-
писца. Типичное оборудование, используемое для испытаний на
воздействие вибрации, представлено на фиг. 11.3.
ИСПЫТАНИЯ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ШУМОВ
Требования к этим испытаниям весьма близки к требованиям,
предъявляемым к испытаниям на воздействие вибрации при оди-
наковой реакции изделия на такие воздействия. Звук генери-
руется электромеханическим преобразователем и передается изде-
лию через промежуточную среду, а не через конструкцию, к которой
изделие прикреплено. Звуковые колебания, воздействующие на
изделие, могут быть синусоидальной или случайной формы, как
это уже рассматривалось в разделе о вибрации. Проектирование
' зажима не представляет таких больших трудностей, как при испы-
i тании на воздействие вибрации, поскольку в данном случае
зажим не передает энергию, а лишь поддерживает изделие. Для
определения соответствия заданным техническим требованиям
сбоку от изделия крепится протарированный микрофон. Микро-
фон в свою очередь связан с усилителем и системой регистрации
данных. Эта система может быть идентична применяемой при про-
ведении испытаний на воздействие вибрации, однако тарировка
в данном случае производится в децибелах.
24-1088
370
Глава 11
ИСПЫТАНИЯ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ УДАРНОЙ НАГРУЗКИ
Удар — это внезапное приложение нагрузки к испытуемому
изделию. Нагрузка должна характеризоваться продолжительно-
стью, амплитудой и формой волны.
Обычно задаются полусинусоидальная, пилообразная и квад-
ратная формы волны. Полусинусоидальную форму волны получают
с помощью стандартного башенного стенда, который имеет зажим-
ное устройство (движущееся по направляющим). При падении
это устройство с испытуемым изделием ускоряется под действием
силы тяжести и ударяет по пружине, которая сжимается до тех
пор, пока не будет израсходована вся кинетическая энергия
зажима. Максимальное ускорение и продолжительность удара
вычисляются с помощью следующих уравнений:
М '
где а — максимальное ускорение, м/сек2; к — жесткость пру-
жины, кг/м; g — ускорение силы тяжести, м/сек2; h — высота
падения, м; М — масса, кг; Т — продолжительность удара, сек.
Зажимное устройство останавливают с помощью фрикционного
замка после его отскока от пружины до того, как он упадет
снова.
Волны пилообразной формы можно получить тремя методами
в зависимости от требуемой формы волны. Чаще всего исполь-
зуется профилированная свинцовая таблетка, которая заменяет
описанную выше пружину. Пневмосистема с предварительной
нагрузкой, которая затем снимается, обеспечивает ступенчатое
уменьшение амплитуды при приемлемой воспроизводимости
результатов. Для создания пилообразных, квадратных форм волн
и т. д. может быть использована система со сжатым газом, выпуска-
емым через специальное калиброванное отверстие. Регулируя
давление, можно получить требуемые зависимости от давления
для силы и, следовательно, ускорения.
Для определения соответствия условий испытания техническим
требованиям используется акселерометр, который монтируется
на зажимном устройстве вплотную к изделию. Сигнал акселеро-
метра усиливается и передается на осциллоскоп. Акселерометр
и усилитель должны быть предварительно оттарированы так, чтобы
известный пик напряжения соответствовал определенному уровню
ускорения. Осциллоскоп настраивается на нужный режим с одно-
разовым запуском. Регистрация выходного сигнала в процессе
Испытания и оценка их результатов
371
падения изделия осуществляется при помощи кинокамеры «Поля-
роид». Полученный результат документируется.
Специальному рассмотрению подлежит вопрос о необходимости
фильтрования в цепи акселерометра. Чрезвычайно трудно спроек-
тировать башенный стенд для испытания ударом и зажимное
устройство таким образом, чтобы они не создавали дополнитель-
ных шумов при падении системы. В связи с этим необходимо
отфильтровывать посторонние шумы. Как правило, можно выде-
лить полосу пропускания, граничная частота которой в 10 раз
отличается от основной частоты удара; так, например, при про-
должительности импульса 5 мсек граничная частота составляет
1 кгц. Для этих целей наиболее подходящими являются системы
фильтров нижних и верхних частот, поскольку эти фильтры
имеют контролируемые потери, плоскую частотную характери-
стику и четкую границу пропускания. Вместе с тем на практике
может быть принято компромиссное решение между степенью
отфильтровывания посторонних шумов и допускаемым шумом,
чтобы удовлетворить технические требования.
ИСПЫТАНИЕ НА СБРАСЫВАНИЕ
Это испытание заключается в сбрасывании изделия с заданной
высоты (при заданном положении) на заданную поверхность.
Для проведения этого испытания требуется очень простое обору-
дование, обеспечивающее свободное падение изделия по направ-
ляющим в соответствующем положении до момента удара. При
этом испытании не требуется измерительной аппаратуры и в тех-
нических требованиях указывается лишь характеристика системы
сбрасывания. Если при проведении испытаний не присутствуют
все заинтересованные представители, то необходимо приложить
к протоколу испытаний фотографии изделия до и после сбрасы-
вания.
ИСПЫТАНИЯ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ТОЛЧКОВ
При проведении этих испытаний изделие подвергается мно-
жеству ударов, производимых специальной установкой. Особых
затруднений, связанных с подготовкой и проведением испытаний,
здесь не встречается, за исключением обеспечения необходимых
механических характеристик зажимного устройства для удержа-
ния изделия в кронштейне толкателя. Измерительной аппаратуры
не требуется, поскольку характеристики оборудования и фото-
графии изделия на установке являются достаточным докумен-
тальным подтверждением. Па фиг. 11.4 показана типичная уста-
новка для испытаний на воздействие толчков.
24*
372
Глава 11
Фиг. 11.4. Установка для испытаний на воздействие толчков при транс-
портировке.
ИСПЫТАНИЯ ИЛ ВОЗДЕЙСТВИЕ ТРЯСКИ
При проведении этих испытаний изделие подвергается случай-
ным ударным нагрузкам, когда оно перекатывается внутри дере-
вянного ящика, который вращается с заданной скоростью под
заданными углами. Никаких специальных зажимов или измери-
тельной аппаратуры при этом не требуется.
ИСПЫТАНИЯ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕПЛА И ВЛАГИ
При проведении этих испытаний изделие пребывает в условиях
контролируемого изменения температуры и влажности. Напри-
мер, изделие подвергается попеременному термостатированию
при температуре —55 и 70° С при 95 %-ной относительной влаж-
ности в течение 28 дней. Цель этого испытания — проверить
надежность герметизации, гальванических покрытий и т. д.,
которые должны выдерживать такую последовательность воздей-
ствий условий окружающей среды. Промышленное оборудование
снабжено программирующим устройством для обеспечения авто-
матического изменения условий в требуемой последовательности.
Также можно использовать стандартную холодильную камеру
и стандартную камеру с регулируемой влажностью воздуха без спе-
Испытания и оценка их результатов 373
циальных контрольных систем. Технические требования допус-
кают некоторый интервал времени на охлаждение и нагрев между
предельными условиями. Поэтому изделия могут транспортиро-
ваться из одной камеры в другую без нарушения заданных тех-
нических требований.
До проведения этих испытаний необходима тарировка прибо-
ров и регистрирующей системы. Регистрацией условий испытаний
подтверждается, что изделие действительно подвергалось воз-
действию требуемых условий окружающей среды. Следует под-
черкнуть два особых фактора. Во-первых, зажимные приспособ-
ления, поддерживающие изделия в испытательных камерах,
должны быть коррозионноустойчивы. Для этой цели можно при-
менять дерево (сплошное, без гвоздей) или инертные пластико-
вые материалы. Во-вторых, если низкая температура в холодиль-
ной камере создается с помощью жидкой двуокиси углерода, то
необходимо особо тщательное заземление мостика на корпус,
и закорачивание мостиков между собой, поскольку введение потока
холодного газа может создать сильные разряды статического
электричества. В качестве примера можно заметить, что между
двумя незаземленными изделиями, расположенными рядом, может
возникнуть потенциал в несколько тысяч вольт. Также целесо-
образно изменять положение изделия в камере с высокой темпе-
ратурой, если только это не запрещено техническими требова-
ниями. Это позволит конденсированной влаге собираться на раз-
личных участках изделия и не перегружать какую-то одну зону.
И наоборот, можно сохранять ориентацию нескольких образ-
цов, с тем чтобы измерить влияние определенной ориентации
в течение 28-суточного периода термостатирования изделия.
ИСПЫТАНИЯ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ УСКОРЕНИЯ
При проведении этих испытаний изделие подвергается воздей-
ствию ускорения. В противоположность испытаниям на воздей-
ствие удара и вибрации эти испытания обычно характеризуются
одноосным направлением ускорения и длительностью его воздей-
ствия. Ускорение создается центрифугой. Контроль величины
ускорения выполняется или с помощью вмонтированного аксе-
лерометра, или путем подсчета количества оборотов при извест-
ном радиусе кривизны. Последний метод достаточно точен в боль-
шинстве случаев. Основными факторами, от которых зависит выбор
оборудования для испытаний, являются требуемая точность опре-
деления ускорения, габариты изделия и требуемая величина
ускорения. Габариты испытуемого изделия и требуемая точность
(в соответствии с техническими требованиями) ограничивают длину
плеча центрифуги. Если изделие относительно велико по разме-
зи
Глава 11
рам, а длина плеча центрифуги мала, то величина перегрузки
может существенно изменяться вдоль изделия. Требования к точ-
ности измерения ускорения также определяют метод регулирова-
ния скорости вращения и контроля ускорения. В большинстве
центрифуг достаточно точно регулируется средняя скорость враще-
ния по результатам подсчета числа оборотов или определения доли
одного оборота за некоторый промежуток времени. Такой метод
не позволяет вычислить изменение скорости вращения между
оборотами и оценить переменную угловую скорость на протяже-
нии одного оборота. Это затруднение можно преодолеть путем
использования акселерометра и введения этого акселерометра
в цепь обратной связи сервопривода для обеспечения тщательного
регулирования величины ускорения на протяжении всего испы-
тания.
ИСПЫТАНИЯ ПЛ ВОЗДЕЙСТВИЕ СОЛЯНОГО ТУМАНА
При проведении этих испытаний изделие подвергается воздей-
ствию тумана, состоящего из капель воды с растворенной в ней
солью, при заданной температуре. Испытания сравнительно
просты, если оборудование отвечает техническим требованиям. Не
нужны специальные зажимы и контролируется лишь температура
стенок камеры и тумана, содержание соли, чистота воды и время
выдержки изделия в камере.
ИСПЫТАНИЯ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ПЕСКА И ПЫЛИ
Эти испытания требуют специального оборудования, но сами
по себе относительно просты. Условия испытаний подобного рода
Фиг. 11.5. Типичный стенд для проведения испытаний на воздействие
песка и пыли.
не всегда оговариваются в технических условиях для вспомога-
тельных систем ракетно-космической техники н в большинстве
Испытания и оценка их результатов
375
случаев выполняются в специализированных лабораториях с соот-
ветствующим оборудованием, находящимся в постоянной готов-
ности. На фиг. 11.5 показан типичный стенд для проведения
испытаний на воздействие песка и пыли.
ИСПЫТАНИЕ НА СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ ГРИБКОВЫМ КУЛЬТУРАМ
Это испытание относится к той же категории, что и испытание
на воздействие песка и пыли. Поэтому оно должно выполняться
специализированной лабораторией, где имеются соответствующее
оборудование и требуемые грибковые культуры. Во многих слу-
чаях достаточно показать, что грибковые культуры не могут расти
на элементах изделия и потому от проведения подобных испыта-
ний можно отказаться.
ИСПЫТАНИЯ В ВЫСОТНЫХ УСЛОВИЯХ
Эти испытания, обычно оговариваемые в подробных техниче-
ских требованиях, нуждаются в стандартном оборудовании.
Если изделие должно работать на больших высотах, следует
учесть ряд существенных факторов. Необходимость соблюдения
требований техники безопасности и защиты барокамеры очевидна.
Для удовлетворения этих требований можно предусмотреть экра-
нирование или отдельные съемные камеры одноразового приме-
нения, которые после вакуумирования можно перенести в зону
огневых испытаний. Если испытуемое изделие имеет длительное
время горения, то образующийся газ вызывает повышение давле-
ния в камере, т. е. уменьшение эффективной высоты. Поэтому
необходимо четкое указание времени, в течение которого должна
быть выдержана заданная высотность. При испытании осветитель-
ных средств в барокамере необходимо принять соответствующие
меры предосторожности, чтобы продукты сгорания охладились
до того, как температура в барокамере будет повышена до нор-
мальной, поскольку в противном случае при воздействии кисло-
рода воздуха остаток может воспламениться. Это особенно следует
иметь в виду, если остатки от осветительных средств различных
типов не счищаются со стенок барокамеры и могут перемешаться.
Контроль давления в барокамере к моменту огневого испыта-
ния можно осуществлять любым стандартным методом: маномет-
ром Бурдона, датчиком Стокса, альфатроном, ионизационным
датчиком и т. д. Однако необходимо учитывать влияние допол-
нительного притока газообразных продуктов сгорания после огне-
вого испытания изделия, так как только в этом случае результаты
измерения могут считаться точными.
376
Глава 11
ИСПЫТАНИЯ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЙ И НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУР
Эти испытания обычно указаны, в технических требованиях
к проекту и могут быть выполнены с использованием промыш-
ленного оборудования. Если изделие должно работать в условиях
высокой или низкой температур, то оно экранируется или пере-
носится из камеры в зону огневого испытания. При проверке
способности к детонации крупных взрывоопасных изделий при
повышенных или пониженных температурах применяются порта-
тивные кондиционеры, которые затем удаляются перед испыта-
нием в безопасное место. Контроль температуры с помощью тер-
мопар одноразового применения является самым точным методом
удовлетворения соответствующих требований. Продолжительность
термостатирования должна быть четко определена, чтобы полно-
стью исключить температурные градиенты в изделии или по
крайней мере свести их к минимуму, чтобы ими можно было
пренебречь. Интервал изменения температур может составлять
от —80 до 480° С (температуры самовоспламенения). Методы
испытаний на самовоспламенение подробно описаны ниже.
ИСПЫТАНИЯ БЕЗ РАЗРУШЕНИЯ
Существует группа испытаний, которые объединяются по
одному общему признаку как испытания, не разрушающие изде-
лие. В некоторых случаях эти испытания аналогичны тем, кото-
рые применяются для других систем ракетно-космической техники.
Например, испытания на изменение формы и размеров, состоя-
ния покрытий и т. д. Существует пять типов испытаний без раз-
рушения, которые вследствие особенности испытываемых изде-
лий требуют специального рассмотрения.
ГЕРМЕТИЗАЦИЯ И РАСХОД УТЕЧКИ
Вследствие чувствительности большинства пиротехнических
и взрывчатых веществ к разрушающему действию влаги особую
важность приобретает герметизация изделия. Для проверки
герметизации требуется выполнение надежных испытаний на
утечки. При проведении стандартных испытаний на утечки изде-
лие погружают в резервуар с водой или этиленгликолем, где
создается разрежение. Утечки обнаруживаются по выделению
воздушных пузырей из изделия. Проведение этого испытания
связано со значительными трудностями, поскольку около шеро-
ховатостей на поверхности скапливается воздух и по мере
понижения давления происходит выделение пузырей с по-
верхности даже при отсутствии утечек через уплотнения. Кроме
Испытания и оценка их результатов
377
того, если утечка велика, а свободный объем мал, то ненадежная
герметизация может быть замаскирована этим начальным обра-
зованием пузырей на поверхности. Однако если утечка мала,
а свободный объем относительно велик, то поток пузырей легко
обнаруживается. При одновременном испытании нескольких
изделий не всегда удается выяснить, какой же из них имеет
утечку. В лучшем случае эти испытания позволяют получить
только качественный результат. Если изделие имеет утечку, то
после таких испытаний оно становится негодным для употребле-
ния, поскольку жидкость может проникнуть в горючий состав
и повредить его. Поэтому подобный метод применим только в тех
случаях, когда нужно выявить дефект без последующего его
исправления для дальнейшего использования изделия.
Приемлемой заменой испытаний на погружение в большин-
стве случаев считаются испытания методом «Рэдифло». Эти испы-
тания позволяют обнаруживать утечки как количественно, так
и качественно, но требуют сложного испытательного оборудова-
ния, которое обычно отсутствует в небольших фирмах. При про-
ведении испытания по этому методу изделие подвергается воздей-
ствию радиоактивного газа под давлением, а затем выполняются
сцинтилляционные измерения. По результатам этих измерений
можно вычислить расход утечки в стандартных условиях, по-
скольку известна степень радиоактивности единицы объема газа,
уровень радиации внутри изделия после испытания, а также
время и разность давлений между внутренними полостями изде-
лия и окружающей средой. Хотя повторное испытание изделия
с обнаруженной утечкой связано с определенными трудностями,
данный метод испытаний не приводит к повреждениям изделия
и снижению его надежности. Применение этого метода возможно
лишь в том случае, если изделие имеет замкнутый объем, а его
наружная поверхность не образована пористыми или пластико-
выми материалами, в которых может скапливаться радиоактив-
ный газ. Если изделие не имеет замкнутого объема, то можно
применить масс-спектрометрический метод измерения утечки
гелия, а также метод измерения утечки галогенов.
РЕНТГЕНОСКОПИЯ
Важным методом контроля качества является метод рентгено-
скопии, предназначенный для определения состояния изделия
после герметизации. Этот метод особенно привлекателен, когда при-
меняемые смеси имеют довольно высокую плотность и удобны для
просвечивания потоком лучей, который проходит через металли-
ческий корпус, обеспечивая вместе с тем достаточную контраст-
ность. Правильный выбор интенсивности потока рентгеновских
378
Глава 11
лучей и времени экспозиции зависит от материала корпуса, тол-
щины его стенок, типа и плотности пиротехнической смеси, исполь-
зуемой в изделии. Установкой изделий с помощью зажимных
приспособлений из пеностирола обеспечивается правильная ориен-
тация, так что мостики и другие внутренние детали могут быть
без труда обнаружены на рентгеновском снимке. Метод рентге-
новских лучей особенно важен для обнаружения трещин и внут-
ренних дефектов в зарядах, полученных методом заливки. Суще-
ствуют малогабаритные рентгеновские установки для производ-
ственных испытаний небольших пиротехнических устройств.
ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ МОСТИКА
Почти во всех пиротехнических или взрывных устройствах
с электрическим инициированием имеется проводник; при про-
хождении по нему электрического тока проводник нагревается
до точки самовоспламенения окружающего состава. Исключе-
ниями из этого правила являются устройства с искровым проме-
жутком, которые редко используются, и устройства с взрываю-
щимися мостиками. В последнем случае мостик окружен веще-
ством, которое не может воспламениться за счет одного только
нагрева, и воспламеняется при очень высоких температурах и на-
личии ударной волны, образующейся при взрыве проволочки,
когда плотность тока становится очень высокой. Эта система
подробно описана в соответствующей главе. Обычно сила тока,
при которой происходит воспламенение, зависит от размеров
и сопротивления мостика, состава смеси, температуры ее воспла-
менения и теплопроводности состава. Поскольку сопротивление
можно измерить после изготовления, оно становится важным
параметром. Величина сопротивления может изменяться от менее
чем 0,04 ом в случае взрывающихся мостиков до 10 ом для обыч-
ных металлических мостиков. В некоторых устройствах приме-
няется мостик из графита или подобных материалов, и его сопро-
тивление может достигать нескольких сот ом. Для контроля при-
годны обычные методы измерения сопротивления, если учтены
ограничения, связанные с силой тока. Допустимая сила тока
изменяется от изделия к изделию, и это предельное значение
должно быть известно до проведения испытания. Разработано
много устройств, специально предназначенных для этой цели.
Некоторые системы с взрывающимся мостиком нельзя проверить
стандартными методами. В этих изделиях обычно имеется
искровой промежуток, последовательно соединенный с мостиком
и предназначенный для защиты изделия от блуждающих токов
с потенциалом ниже уровня, при котором происходит искровой
разряд. Некоторые из этих изделий контролируются путем из-
Испытания и оценка их результатов
379
мерения силы тока, при котором происходит разряд, в то
время как емкость искрового промежутка других позволяет
использовать высокочастотный резонансный метод. В последнем
случае резонансная частота цепи позволяет контролировать
отсутствие обрывов в мосте, а не сопротивление моста. Фирмы-
поставщики прилагают инструкции или поставляют оборудование
для проведения этих испытаний.
В тех случаях, когда непосредственно измеряется сопротивле-
ние, необходимо пользоваться соответствующими стандартными
методами, позволяющими исключить влияние сопротивления кон-
тактов и проводников.
ИЗМЕРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
И НАПРЯЖЕНИЯ ПРОБОЯ
При обращении с изделиями и их транспортировке они под-
вержены воздействию зарядов статического электричества и по-
этому должны быть в достаточной мере изолированы для обеспе-
чения безопасной эксплуатации. Обычно при проведении испы-
тания между мостиком и корпусом (а если в устройстве имеется
несколько мостиков, то и между ними) подводится высокое напря-
жение. Ток может быть постоянным, переменным или пульси-
рующим. Кроме того, большинство технических требований пре-
дусматривает обеспечение минимального сопротивления между
указанными элементами изделия. Разработано большое количе-
ство методов испытаний, которые дают широкие возможности
по определению требуемых характеристик. Продолжительность
испытания с подведением высокого напряжения должна быть
оговорена. Установлено, что при малой продолжительности воз-
действия высокого напряжения (менее 1 сек) может не произойти
повреждение изделия, в то же время более длительное воздействие
(до 30 сек) может привести к повреждению изделия. Это связано,
по-видимому, с тем, что при наличии утечек происходит нагрев
конструкции (в местах утечек) с последующим образованием элек-
трического разряда, что вызывает воспламенение. Некоторые
материалы очень чувствительны к искре весьма малой энергии.
Тарировка оборудования включает паспортизацию систем реги-
страции выходных данных по напряжению и сопротивлению.
ИСПЫТАНИЯ НА ОТКАЗ
Эти испытания могут рассматриваться и как разрушающие,
и как неразрушающие в зависимости от типа изделия. Поскольку
предполагается, что большинство изделий будет нормально
380
Глава 11
функционировать после проведения этих испытаний, они опи-
саны в этом разделе.
Испытания на отказ относятся к категории испытаний, при
которых на изделие воздействуют уменьшенные пусковые сигналы.
Отказ электрозапала, который должен срабатывать при силе
тока 2 а, может произойти при силе тока 0,5 а, в то время как
в случае взрывающегося мостика, который должен срабатывать
Фиг. 11.6. Идеализированная кривая, представляющая соотношение между
силой тока, при котором изделие срабатывает, и временем действия тока.
Кривая имеет асимптоты по двум осям.
при напряжении 1000 в, отказ возможен при напряжении 500 в.
Поскольку характеристики срабатывания большинства изделий
аналогичны представленным на фиг. 11.6, то в технических тре-
бованиях должна быть указана продолжительность воздействия
импульса при проведении испытаний.
Существует другая проблема, связанная с подготовкой техни-
ческих требований для таких испытаний: тендецция к чрезмерной
конкретизации требований. Такие требования, как la, 1 вт
или 1 а при 28 в, не являются реальными. В первом случае пред-
полагается точное и постоянное сопротивление мостика, равное
1 ом, а во втором случае требуется мостик с сопротивлением
28 ом] ни один из этих случаев практически невозможен. Подоб-
ные двойные требования должны быть исключены и заменены
точным практически обоснованным требованием, основанным на
тщательном исследовании йзделия и условий, которые могут
встретиться при его эксплуатации.
Испытания и оценка их результатов
381
При проведении таких испытаний требуется лишь оборудова-
ние для обеспечения заданных силы тока и напряжения. Для
изделий, срабатывающих от электрического сигнала, необходим
источник тока (с электронным серворегулятором) или источник
напряжения с очень высоким импедансом, в связи с тем, что при
подаче тока мостик нагревается и его сопротивление изменяется.
Надежность при испытаниях на отказ определяется путем подве-
дения к большому количеству изделий 1) тока заданного уровня,
2) дискретных уровней тока, соответствующих отказу, и 3) прове-
дению испытаний по методу Брустона. В первых двух случаях
применяется стандартный статистический метод обработки. В по-
следнем случае применяются последовательные огневые испыта-
ния при заданных уровнях тока, благодаря чему уменьшается
количество изделий, требуемое для определения уровня надеж-
ности. Паспортизация оборудования, применяемого при испыта-
ниях, предусматривает проверку устройств, измеряющих силу
тока и напряжение, а также регистрацию внутренних импедансов
и частотных характеристик.
ИСПЫТАНИЯ С РАЗРУШЕНИЕМ
После проведения испытания с разрушением изделие либо
становится непригодным для последующих испытаний, либо нару-
шается его работоспособность. Некоторые испытания на воз-
действие условий окружающей среды, описанные ранее, попадают
в эту категорию. Тряска, толчки и сбрасывание с высоты 12
или 31,5 м обычно считаются разрушающими испытаниями. Даже
если изделие и не сработало в процессе испытания, то это сов-
сем не значит, что оно сработает после испытаний. Как указы-
валось в предыдущем разделе, испытания на отказ иногда рассма-
триваются как разрушающие, если уровень сигнала, соответствую-
щий отказу изделия, приближается к уровню его срабатывания
или если при воздействии таких сигналов изделие становится
опасным. Ниже будут рассмотрены испытания на работоспособ-
ность изделий и на самовоспламенение. Последнее, несколько
более общее по своей природе, будет рассмотрено первым. Испы-
тания на работоспособность очень разнообразны и зависят от
типа испытуемого изделия, поэтому они будут рассмотрены от-
дельно для электрозапалов, детонаторов, осветительных устройств
и устройств с огневой цепью.
ИСПЫТАНИЯ НА САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ
Хотя эти испытания можно рассматривать как испытания
материалов, они описаны здесь из-за влияния конструкции испы-
туемого изделия на реакцию смеси при воздействии нестацио-
382
Глава 11
парных температур. Например, изделие содержит заряд, изго-
товленный из смеси, имеющей температуру самовоспламенения
260° С, но изделие выдерживает температуру 425° С в течение
довольно продолжительного периода времени, прежде чем про-
изойдет воспламенение. Поэтому необходимо провести испытание
изделия в сборе для определения влияния градиентов темпера-
туры при воздействии нестационарных температурных условий.
В большинстве технических требований указывается скорость
нарастания температуры в процессе испытаний, а в некоторых
случаях и способ нагрева. Если эти условия охарактеризованы
недостаточно четко, то их необходимо определить перед корреля-
цией результатов.
Обычно приняты два способа проведения испытаний. Первый
предусматривает воздействие на изделие потока нагретого воз-
духа. Температура воздушного потока повышается с заданной ско-
ростью до наступления самовоспламенения. Подобный способ тре-
бует сложного испытательного оборудования, в котором темпера-
тура воздушного потока точно контролируется и регулируется.
Регистрация результатов испытаний осуществляется в виде
записи температуры в функции времени с указанием точки воспла-
менения. Второй способ состоит в регулируемом повышении
температуры корпуса изделия. Хотя это испытание можно выпол-
нить, используя для нагрева изделия воздушный поток, но
в большинстве случаев изделие нагревается в печи. При прове-
дении испытаний в печи в документации должен быть точно указан
метод крепления изделия и точка на корпусе, в которой изме-
ряется температура. Эти условия должны быть согласованы с раз-
работчиком технических требований. В обоих случаях безопас-
ность метода и защита испытательного оборудования становятся
определяющими факторами, если производятся испытания дето-
наторов и устройств с зарядами ВВ. При использовании первого
метода производится полудистанционное регулирование парамет-
ров воздушного потока и применяются защитные экраны. Темпе-
ратура воспламенения может быть определена путем регистрации
разрыва цепи, описанной в следующем разделе.
ИСПЫТАНИЯ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ИЗДЕЛИЙ
При проведении испытаний на работоспособность изделие при-
водится в действие и затем измеряются его характеристики. Для
каждого изделия требуется измерить большое количество пара-
метров в зависимости от конструкции и типа изделия. Ниже будет
рассмотрен ряд параметров, которые измеряются в зависимости
от типа испытываемого изделия.
Испытания и оценка их результатов
383
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИ 100%-НОМ СРАБАТЫВАНИИ
В противоположность испытаниям на отказ, которые были
описаны в предыдущем разделе, при проведении испытаний на
100%-ное срабатывание изделия определяется вероятность пра-
вильного функционирования при заданном уровне энергии или
силе тока. Как и в случае испытаний на отказ, указанный уровень
может быть определен с помощью стандартного статистического
метода или метода Брустона. Это должно быть связано с измере-
ниями определенного типа выходных сигналов, так чтобы можно
было установить правильное функционирование, если только
в технических требованиях специально не оговариваются какие-
либо другие результаты испытания, например разрушение кор-
пуса.
В целом метод проведения этого испытания зависит от того,
какое изделие испытывается. Поскольку измерение выходных
характеристик будет описано ниже, здесь будут рассмотрены
только требования к инициированию. Требуемый уровень силы
тока обычно можно обеспечить путем использования источника
постоянного тока и переключающего устройства. Поскольку,
как уже указывалось выше, разработка источника тока постоян-
ной силы связана со значительными трудностями, то можно вос-
пользоваться приближенным способом.
При низком и сравнительно постоянном сопротивлении изде-
лия достаточен источник напряжения с ограничением по силе
тока. Поскольку при проведении испытания недопустима под-
гонка требуемой силы тока, рекомендуется следующая мето-
дика:
1. Точно измерить сопротивление изделий и зарегистриро-
вать его с отметкой номера серии изделия (это обычно требуется
в любом случае).
2. Установить макетное сопротивление (соответствующее сопро-
тивлению изделия.— Перев.) в цепь запуска и подогнать силу
тока к требуемому уровню.
3. Заменить макетное сопротивление испытуемым изделием
и провести испытания.
Для обеспечения соответствия техническим требованиям иногда
необходимо контролировать силу тока в процессе испытания,
используя осциллоскоп и кинокамеру «Поляроид». Следует иметь
в виду, что сила тока при срабатывании изделия не будет постоян-
ной, даже если она была подогнана достаточно точно с помощью
макетного сопротивления. Сила тока, по-видимому, изменяется,
как показано на фиг. 11.7, что связано с изменением сопротивле-
ния мостика при повышении его температуры к моменту сраба-
тывания.
384
Глава 11
Чрезвычайно важным элементом цепи воспламенения незави-
симо от используемого метода является переключатель. Дребезг
контактов переключателя недопустим ни при каких обстоятель-
ствах. Обычно используется реле с ртутными контактами. В тех
случаях, когда для включения изделия требуются большие
импульсы тока, необходимо тщательно выбрать переключатель для
предотвращения намагничивания контактов или их зажимов. Это
Фиг. 11.7. Типичная диаграмма изменения силы тока при срабатывании
изделия от источника напряжения с высоким импедансом.
особенно важно, если необходимо выполнить ряд последователь^
ных включений. Явление намагничивания можно максимальнс|
ослабить путем переключения полюсов, но при этом необходимс|
правильно выбрать материал и конструкцию переключателя. Длг|
обеспечения безопасности следует применять методы, гаранти|
рующие, что цепь разомкнута и заземлена в процессе подключе|
ния изделия. Кроме того, пусковой переключатель должен бытй
разомкнут перед подключением источника питания. Обычно
следует использовать блок питания, который будет служить для
пуска изделия в натурных или эквивалентных им условиях. В слу-
чае систем с взрывающимися мостиками, содержащих управ-
ляемые искровые разрядники, это может оказаться невозможным
из-за различия в характеристиках искрового промежутка, однако
необходимо обеспечить как можно более точное моделирование.
При тарировке системы производится паспортизация регистри-
рующих устройств, а также проверка элементов цепи и ее харак-
теристик.
Испытания и оценка их результатов
385
ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ РАЗРУШЕНИЯ МОСТИКА
Часто бывает необходимо измерить время между моментом по-
дачи тока и моментом разрушения мостика, чтобы установить, что
в рабочих условиях при подведении тока в течение некоторого
промежутка времени произойдет срабатывание изделия. Если при-
меняется метод фоторегистрации диаграммы силы тока, то при
известной частоте развертки можно получить требуемую вели-
чину непосредственно с фотографии. При испытании большого
количества изделий, когда стоимость является лимитирующим
фактором (особенно если требования по силе тока существенно
различаются), применяется электронный счетчик. Импульсы для
работы счетчика генерируются двухкаскадным мультивибратором
или двумя однокаскадными мультивибраторами, введенными
в цепь переключения. Цепь включения чувствительна к повыше-
нию силы тока, а цепь выключения — к падению силы тока.
ИЗМЕРЕНИЕ РАБОЧЕГО ВРЕМЕНИ
Обычно бывает необходимо измерить время между моментом
подачи тока и результирующим действием, например открытием
корпуса, повышением давления или достижением максимального
давления. Если результирующее действие характеризуется неко-
торым уровнем давления, то необходимые данные можно получить
ио диаграмме давление — время, описанной ниже. Если в качестве
критерия используется открытие корпуса, как, например, в слу-
чаях применения детонатора или электрозапала, то требуется
чувствительный элемент. Этот датчик может работать на основе
следующих принципов:
1. Обрыв цепи. На крышке корпуса изделия укрепляется
тонкая проволочка или фольга. Через этот проводник подается
ток, который прерывается в момент срабатывания изделия. Момент
выключения может быть зарегистрирован таким же образом, как
и при определении времени разрушения мостика. Следует приме-
нять источники низкого напряжения, так как при обрыве цепи
на концах появившегося зазора приложена разность потенциалов,
а ионизованный газ, образовавшийся при сгорании пиротехни-
ческой смеси, может обеспечить проводимость среды и привести
к ошибкам в измерении времени.
2. Ионизационный зонд. Если перед изделием установить два
зонда, к электродам которых подведено высокое напряжение, то
при срабатывании изделия образующиеся ионизованные газы попа-
дают в зазор между электродами и вызывают появление дуги.
Момент возникновения дуги может быть измерен, как и в слу-
чае 1. '
25—108,8
386
Глава 11
3. Оптический метод. Если при срабатывании изделия воз-
никает вспышка света или происходит выделение тепла, то появле-
ние этой вспышки или теплового потока можно обнаружить
с помощью инфракрасного детектора или фотоэлемента, связанных
с хронометром так же, как и в случае 1.
4. Акустический метод. В некоторых случаях, когда рассмо-
тренные методы не применимы, можно использовать для вклю-
чения цепи хронометра звук, возникающий при открытии кор-
пуса. Необходимо предусмотреть, чтобы время, требуемое для
достижения звуковой волной включающего устройства, не состав-
ляло заметной доли от времени срабатывания испытуемого изде-
лия.
ИЗМЕРЕНИЕ СОЗДАВАЕМОГО ДАВЛЕНИЯ
Для определения характеристик срабатывания электрозапала
необходимо измерить создаваемое давление в заданном объеме.
На первый взгляд испытание кажется простым, однако возни-
кает много затруднений, связанных с нестационарным характером
выходной характеристики. Хотя в технических требованиях
обычно указывается единственный параметр — объем камеры —
результаты измерения максимального давления, формы волны
и времени подъема давления зависят от многих других фак-
торов. Наиболее важным из них является тип применяемого
датчика.
Если два датчика имеют одинаковую точность, то основную
роль играют их частотные характеристики. Поскольку в большин-
стве случаев максимум давления достигается менее чем за несколь-
ко миллисекунд, то для определения характеристик этого периода
подъема датчик должен обладать более высокими частотными ха-
рактеристиками по сравнению с максимальной частотой, соответ-
ствующей указанному времени подъема давления. Если, с дру-
гой стороны, датчик недостаточно демпфирован, то резкое повы-
шение давления может вызвать значительные помехи. В боль-
шинстве случаев датчики весьма чувствительны к повышенным
температурам. При срабатывании изделия в замкнутом объеме
возникает сильная вспышка, которая может существенно иска-
зить результаты измерений. В некоторых случаях датчик реги-
стрирует даже отрицательное давление. Хотя датчики могут
быть приспособлены для работы при повышенных температурах,
необходимо исследовать их характеристики при нестационарных
процессах, протекающих при предельных температурах. Для
защиты датчиков от тепловой вспышки и нагретых конденсиро-
ванных частиц в магистраль измерения давления заливают масло
или применяют листы из слюды, удерживаемые с помощью инерт-
ной пасты.
Испытания и оценка их результатов
387
В тех случаях, когда температура факела низка, а продукты
сгорания химически инертны, рекомендуется использовать сили-
коновое масло как для обеспечения демпфирования, так и для
защиты датчика. Если, однако, факел имеет высокую температуру,
а продукты сгорания могут вступить в химическую реакцию
с маслом, то, очевидно, будет измерено слишком высокое давле-
ние вследствие испарения масла. В некоторых случаях введение
масла, даже в очень малых количествах, может привести к изме-
нению измеряемого уровня давления на 100%. Применение масла
создает еще одну проблему, поскольку в нем могут остаться воз-
душные пузырьки. При частотах, генерируемых в процессе сра-
батывания электрозапалов, происходит адиабатическое сжатие
заключенного в масле воздуха, характеризуемое высокой упру-
гостью. В результате возникают интенсивные колебания измеряе-
мого давления. Во избежание этого масло должно быть вакууми-
ровано перед использованием, а заливка должна производиться
с большой тщательностью. Проблема использования жидкости
может быть полностью исключена, если применять для защиты
слюду совместно с отражательными экранами в линии измерения
давления. Если выходной сигнал испытуемого изделия медленно
растет по времени и продукты сгорания пиротехнической смеси
имеют низкую температуру, то объем камеры становится контро-
лирующим фактором для измеряемого уровня давления. Если при
срабатывании изделия возникает резкий подъем давления и (или)
имеют место высокие температуры, то форма камеры и условия
в ней оказывают существенное влияние на результаты. Эти
эффекты довольно сложны, тем не менее можно сделать следующие
выводы.
Использование мощных экранов в магистрали, ведущей к дат-
чику, приводит к скруглению максимума давления и уменьшению
его величины, в то время как при отсутствии экранов получается
более острый максимум давления и большая его величина. При
удлиненной форме камеры получаются другие результаты, чем
при сферической. Кроме того, положение точки в камере, в кото-
рой измеряется давление, также оказывает влияние на резуль-
таты. Если внутренние стенки камеры чистые и блестящие, то
тепло не поглощается так легко, как в случае шероховатых и тем-
ных стенок. Поглощение тепла существенно снижает максималь-
ное давление, поскольку повышение давления связано в основ-
ном с нагревом газа.
Для преодоления этих трудностей необходим тщательный ана-
лиз условий измерения давления. Единственным практически
правильным методом является применение одного типа датчика
и одной конфигурации бомбы при частой ее очистке. Для кон-
кретного изделия можно найти поправочные множители, с помощью
25*
388
Глава 11
которых определяется эквивалент между двумя камерами. В до-
полнение к указанному в технических требованиях давлению
следовало бы также задавать тип камеры, датчика и т. д. Пре-
дусмотрев специальную серию испытаний, можно получить
соответствующие поправочные коэффициенты к результатам,
полученным на оборудовании заказчика и на оборудовании по-
ставщика. Эта корреляция играет существенную роль, если
разработка и отработка изделия производятся на одном типе
оборудования, а приемка на другом. Чем более жесткими назна-
чаются допуски, тем серьезнее становится проблема корреляции.
Стандартные методы регистрации основаны на использовании
осциллоскопа для получения кривой давление — время. Система
состоит из цепи запуска, при срабатывании которой включается
осциллоскоп; изделия, смонтированного в бомбе, где установлен
датчик давления; усилителя или согласующей схемы; осцилло-
скопа; кинокамеры «Поляроид».
Горизонтальная развертка производится с известной частотой,
и осциллоскоп включается при подведении тока к мостику. Если
электрозапал срабатывает с заметной задержкой, то осциллоскоп
может использоваться в режиме работы с внутренним запуском
в момент повышения давления. Если требуются данные о времени
от момента подачи тока до достижения максимального давления,
то может понадобиться электронный счетчик, или двухлучевой
осциллоскоп. Рекомендуется применять двухлучевые осциллоскопы
с независимым запуском и независимой разверткой каждого
луча.
Для тарировки систем обычно применяются поршневой прибор
или источник стандартного давления, оттарировапный с помощью
эталонного датчика. Тарировка системы должна производиться
периодически с проверкой линейности характеристик путем сту-
пенчатого повышения давления вплоть до максимального ожи-
даемого уровня.
ИЗМЕРЕНИЕ ВЫХОДНОЙ ЭНЕРГИИ ДЕТОНАТОРА
Как уже отмечалось ранее, при срабатывании детонатора
генерируется ударная волна, которая способна вызвать детона-
цию более крупных зарядов или разрушение конструкции, как,
например, в пироболтах или пирогайках. В последнем случае
измерения производятся при непосредственном испытании систе-
мы. Однако в первом случае возникают определенные трудности.
Поскольку детонатор срабатывает непосредственно в собранном
агрегате, испытание системы в целом часто оказывается непрактич-
ным и не дает возможности сделать однозначных выводов. При
отказе системы трудно выяснить причину неудачи: отказал ли
Испытания и оценка их результатов
389
детонатор или же концевой заряд. Аналогично необходимо также
удостовериться в правильности функционирования концевого
заряда.
Раньше применялись разные методы измерения [3]. В настоя-
щее время обычно проводится испытание на вмятину. При этом
испытании определяется глубина вмятины в контрольном блоке
материала как мера выходной энергии детонатора и ее соответст-
вия требованиям. Контрольный блок изготавливается из таких
материалов, как свинец, алюминий и сталь, в зависимости от
ожидаемой мощности выходной энергии. В большинстве случаев
рекомендуется использовать стальные блоки, поскольку алюми-
ний и свинец могут деформироваться при воздействии тепла и форса
пламени, что ухудшает точность измерения бризантного действия.
В некоторых технических требованиях указывается, что при
проведении испытаний на образование вмятины детонатор уста-
навливался в специальном держателе, но при этом необходимо
иметь в виду, что из-за влияния держателя в случае неполной
детонации вмятина в блоке вообще может не образоваться. Непол-
ной детонацией называется взрыв, сопровождающий срабатыва-
ние изделия, в процессе которого высвобождается лишь малое
количество энергии. Если для определения вмятины исполь-
зуется детонатор в держателе и контрольный блок из алюминия,
то при неполной детонации в контрольном блоке выжигается
отверстие с размерами, приблизительно соответствующими вмя-
тине, которая должна возникать при нормальной детонации. Уста-
новлено, что процентную долю изделий, срабатывание которых
сопровождается неполной детонацией, можно определить в испы-
таниях со стальным блоком и держателями из пеностирола.
В этом случае энергия, выделяемая при срабатывании качествен-
ного изделия, вызывает образование небольшой, но явной и легко
измеряемой вмятины, в то время как при неполной детонации
вмятина не образуется совсем. Глубину вмятины можно измерять
стандартным рычажным индикатором. Этот параметр используется
при статистической обработке для определения твердости мате-
риала и его деформации сжатия под действием нагрузки.
Материал блока и методы его термообработки должны быть ого-
ворены в технических требованиях, и все блоки, используемые
в данном испытании, должны относиться к одной партийно изго-
товлению и термообработке.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫХОДНОЙ ЭНЕРГИИ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ЗАРЯДОВ
И ДРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПИ
Выходную энергию передаточных зарядов и других элементов
огневой цепи можно определить таким же образом, как и выход-
ную энергию детонаторов. Процесс инициирования, однако, вызы-
390
Глава 11
вает некоторые затруднения. В качестве инициатора должен
использоваться детонатор или воспламенитель с известной высокой
надежностью, так чтобы отказы можно было статистически
отнести к соответствующему источнику. Задача усложняется,
если инициирующее устройство не обладает чрезвычайно высокой
надежностью. Тогда испытывается полностью собранная система
и определяются результаты для всей сборки. Полученные резуль-
таты характеризуют надежность всей системы. Каждая система
должна быть исследована для определения наиболее приемлемого
метода.
ИЗМЕРЕНИЕ ВЫХОДНОЙ ЭНЕРГИИ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Как уже отмечалось, осветительные устройства генерируют
энергию излучения. Эта энергия распределяется по всем областям
спектра в виде трех основных систем излучения: 1) с линейчатым
спектром (возбуждение атомов продуктов сгорания и окружающей
среды); 2) с полосатым спектром (возбуждение химических связей
в продуктах в процессе химических реакций при горении); 3) на-
гретых конденсированных частиц (излучение конденсированных
частиц, образующихся в результате реакции или специально
введенных в зону нагрева).
Первые две системы характеризуются дискретными частотами
излучения, которые можно определить на основании данных по
составу и протекающим химическим реакциям. Последняя система
имеет распределение энергии по частотам, определяемое по закону
Стефана — Больцмана, если известны температура частиц и сте-
пень черноты. Па основании вышеизложенного можно сделать
вывод, что по своей природе распределение энергии по частотам
не является простым, но определяется проектными параметрами
устройства.
В большинстве технических требований указывается только
необходимый уровень энергии в заданной полосе частот. Поэтому
важно, чтобы оборудование и методы испытаний обеспечивали
определение полосы частот с помощью режекторных или индика-
торных устройств и суммирование всей энергии в заданных пре-
делах. Существует несколько методов [31, простейшие из них
предполагают использование избирательных фильтров. Выпус-
каемые промышленностью фильтры пропускают частоты в задан-
ном интервале. Однако эти фильтры имеют ненулевое пропускание
за пределами рабочего диапазона, а наклон амплитудной харак-
теристики фильтра на границах полосы зависит от типа фильтра.
Поэтому применение фильтров приводит к ошибке в результатах
измерения излучения, величина которой зависит от типа фильтра
и от распределения энергии излучения. Эту ошибку, конечно,
Испытания и оценка их результатов
391
можно определить при соответствующем исследовании системы
и изделия. Для суммирования энергии по полосе пропускания
применяется детектор, который генерирует измеряемый выходной
сигнал в виде силы тока, напряжения или сопротивления. Таким
Ф и г. 11,8. Испытательная установка длиной 30 м для определения рабочих
характеристик осветительного устройства.
образом, выбор системы измерения зависит от многих факторов:
интервала; спектра, в котором измеряется энергия излучения;
требуемой чувствительности; желательной линейности, зависи-
мости между частотой излучения и чувствительностью прибора;
скорости срабатывания измерительного прибора (т. е. скорости,
с которой должно быть измерено изменение выходной энергии
осветительного устройства) и, наконец, допустимого усложнения
измерительного оборудования. Последнее позволяет найти ком-
промисс между реализуемой точностью системы, ее стоимостью
и фактическими требованиями. Применяются следующие типы
детекторов: болометры, термисторы, полупроводники и фото-
электрические приборы.
При проектировании испытательной установки с системой
измерения необходимо предусмотреть камеру сгорания, свето-
провод данной длины, оптическую систему (если требуется
оптическое усиление), затвор для прерывания потока излучения
(если не применяются фотоэлектрические приборы), систему
фильтров или другие средства выделения частот, детектор и элек-
тронную систему для генерирования модельного выходного сиг-
нала, а также систему регистрации выходных данных.
Результаты измерений обычно представляются в виде зави-
симости распределения энергии по частотам в функции времени.
392 Глава 11
Следовательно, выходной сигнал должен обеспечивать построение
графика зависимости энергии от времени. Для тарировки системы
применяются проверенные стандартные лампы или источник,
моделирующий абсолютно черное тело [5].'
На основании сказанного выше можно сделать вывод, что слож-
ность задачи требует тщательного изучения инженером-испы-
тателем всех условий, выдвигаемых автором технических требо-
ваний. Если обе стороны не обладают достаточным знанием пред-
мета, то необходимо прибегнуть к консультации соответствую-
щих специалистов. На фиг. 11.8 показано оборудование системы
измерения и регистрации выходной энергии излучения пиротех-
нического осветительного устройства в инфракрасной и видимой
частях спектра.
ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ
Результаты любого испытания можно оценить с точки зрения
двух основных факторов: характеристик изделия и условий про-
ведения испытания. Оценка результатов с точки зрения характе-
ристик конструкции изделия, методов его производства и функ-
ционирования различных вспомогательных устройств выходит
за пределы данной главы. Здесь лишь дается оценка самого испы-
тания. Любое испытание или программу испытаний можно оце-
нить, получив ответы на следующие вопросы:
1. Дает ли программа испытаний возможность получить тре-
буемую информацию?
2. Может ли испытательное оборудование обеспечивать после-
довательность проведения испытаний в соответствии с их про-
граммой и обеспечивает ли система сбора данных получение доста-
точного количества материала для перекрестной проверки испы-
тательного оборудования?
3. Обеспечивает ли испытательное оборудование достаточную
точность (и возможность контроля) для получения однозначных
результатов?
4. Могут ли имеющееся оборудование при нормальном режиме
работы и принятые методы обеспечить получение согласованных
результатов испытаний?
На первые три вопроса можно ответить до проведения испыта-
ний. Первый и второй вопросы требуют тщательного изучения
методики и оборудования, и, хотя ответы по своей природе не
могут быть количественными, их можно сформулировать доста-
точно четко. Чтобы найти ответ на третий вопрос, необходимо
воспользоваться теорией ошибок для обработки полученных дан-
ных и определения вероятной ошибки. Эта оценка должна выпол-
няться для каждой испытательной системы, чтобы все данные были
Испытания и оценка их результатов
393
представлены с указанием возможной погрешности. Подробный
математический анализ, применяемый при определении этих харак-
теристик, приведен в работе [6L Для ответа на четвертый вопрос
требуется изучение результатов испытаний вместе с ошибками,
оцененными по п. .3. Для этого исследования необходимо иметь
подробную информацию об испытуемом изделии, с тем чтобы
любые случайные значения могли быть связаны с возможной при-
чиной их возникновения.
Фиг. 11.9. Испытательный стенд для отработки небольших ракетных двига-
телей п вспомогательных систем.
Например, исследование такого типа было выполнено при
попытке установить уровень напряжения тока, при котором имеет
место отказ детонатора с взрывающимся мостиком. При прове-
дении испытаний по методу Брустона использовалась стандартная
цепь запуска с искровым разрядником для инициирования изде-
лий. Было подобрано® напряжение срабатывания и получен
настолько малый среднеквадратичный разброс результатов, что
возникло сомнение в правильности результатов испытания. Кроме
того, у несработавших изделий не разрушились мостики. После
соответствующего исследования было обнаружено, что вместо
получения информации по среднеквадратичному отклонению
напряжения, при котором происходит отказ изделий, в экспери-
ментах было измерено пороговое значение срабатывания искро-
вого разрядника. Если бы в процессе испытания измерялась сила
тока в цепи запуска (что потребовало бы более сложного испыта-
тельного оборудования и киносъемки), то ошибка сразу бы стала
очевидной. В связи с неправильной постановкой испытаний на все
394
Глава 11
четыре предложенных вопроса был получен неправильный ответ,
и испытание (а не изделие) было признано неудовлетворительным.
В случае любой неудачи при проверке соответствия проекта
техническим требованиям необходимо совместными усилиями
конструкторов и испытателей установить истинную причину
нарушения с достаточно высокой надежностью. Рассмотрение
четырех указанных вопросов может значительно облегчить задачу.
ИСПЫТАНИЯ И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
Соблюдение техники безопасности в испытательном отделе,
где изделие подвергается испытаниям на воздействие опасных
условий окружающей среды, имеет первостепенное значение.
Необходимо также соблюдать технику безопасности при обра-
щении с изделиями, подключении к изделиям цепей запуска.
Перед осуществлением программы испытаний должны быть тща-
тельно изучены все требования техники безопасности примени-
тельно к обращению с изделиями и их испытанию. Это, конечно,
давно известно специалистам, работающим в данной области,
однако иногда при составлении технических требований прене-
брегают опасностью, которой приходится подвергаться обслу-
живающему персоналу, или же планируют слишком большие
расходы на разработку оборудования с дистанционным управле-
нием. Следует обратить особое внимание на методы, используемые
при выполнении программы испытаний. Возможны случаи, когда
все оборудование удовлетворяет технике безопасности и обеспе-
чивает полную безопасность оператора, но методы проведения
испытания таковы, что в некоторые моменты оператор подвер-
гается опасности. Один такой момент может свести к нулю все
остальные предосторожности. Весьма распространенной ошибкой
является неправильное обращение с изделием, которое не срабо-
тало, но находится в пусковом положении. В связи с вышесказан-
ным необходимо предусматривать тщательное планирование и изу-
чение всех факторов, которые имеют отношение к проведению
испытания. Кроме очевидных методов контроля, таких, как пре-
дохранительное закорачивание цепи для гарантии безопасности,
предупредительные сигналы и т. д., важную роль играет контроль
пребывания персонала в зоне проведения испытаний и за ее пре-
делами. Необходимо предусмотреть, чтобы присутствующие при
проведении испытаний инженеры, представители заказчика и фир-
мы-изготовителя не мешали обслуживающему персоналу. Следует
предусмотреть следующие меры техники безопасности.
Постоянная система запуска для испытания небольших дето-
наторов и электрозапалов должна иметь автоматическую блоки-
ровку. Лучше всего применять две входные двери, связанные
Испытания и оценка их результатов
395
между собой: первая открывается вручную, а вторая начинает
закрываться лишь после закрытия первой. Электропроводка
системы запуска поднята над землей и автоматически подсоеди-
няется к цепи запуска, когда закрыта внутренняя дверь. Системы,
для детонации которых используются капсюли ударного дейст-
вия или аналогичные устройства, представляющие опасность
в условиях затяжного срабатывания, должны быть обеспечены на
случай отказа вспомогательными средствами инициирования дето-
нации. Для этой цели можно использовать небольшой кумуля-
тивный заряд, установленный соответствующим образом. Длинная
проводка системы запуска должна располагаться в подземных
коммуникациях. Она закорачивается и заземляется около изде-
лия перед подсоединением контактов. Точка заземления должна
быть изолирована от изделия перед тем, как удаляется закорачи-
вающий элемент. Бее цепи запуска должны приводиться в дей-
ствие двумя кнопочными переключателями при наличии третьего
переключателя с замком и ключом, который отключает энерго-
питание и закорачивает систему. Ключ должен храниться
у лица, производящего монтаж. Все оборудование должно быть
постоянно размещено на специально отведенной площади и иметь
совершенно одинаковые или совершенно различные системы
контроля, поскольку в ином случае возможны ошибки. Строгое
соблюдение технических режимов, отвечающих хорошо продуман-
ным методикам, наряду с использованием соответствующего обо-
рудования является единственно возможным путем сведения
к минимуму опасностей, связанных с испытанием вспомогатель-
ных систем ракетно-космической техники. Требования техники
безопасности подробно описаны в работах [7, 8].
ЛИТЕРАТУРА
1. Precision Measurement and Calibration, Nat. Bur. St. (U.S.) Handbook 77,
Vol. 1, 2, 3, Washington, 1961.
2. Aronson M. H-, ed., Handbook of Electrical Measurement, Pittsburgh,
Pa., Instruments Publishing Co., Inc., 1963.
3. D a v i s T. L., The Chemistry of Powder and Explosives, N.Y., Wiley,
Inc., 1953.
4. L i о n K. S., Instrumentation in Scientific Research, N-Y., McGraw-Hill
Book Co., 1959.
5. S m i t h R. A., Jones F. E., C h a s m a г R. P., The Detection and
Measurement of Infra-Red Radiation, London, Oxford University Press,
1957.
6. Beers Y., Introduction to the Theory of Error, Reading, Mass., Addison-
Wesley Publishing Co., Inc., 1958.
7. Ordnance Safety Manual, Dept, of the Army, Ordnance Corps., T.O.
11A-1-40 (ORD M7-224).
8. Freight Tariff N 13, Interstate Commerce Commission Regulations.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Принятые обозначения: БРДД — баллистическая ракета дальнего дей-
ствия; ВВ — взрывчатое вещество; ВПМ — взрывающийся проволочный
мостик; ЖРД —жидкостный ракетный двигатель; ИК—инфракрасный;
ППУ — пусковое и предохранительное устройство; РДТТ — ракетные
двигатели твердого топлива.
Аккумулятор гидравлический 134
Аккумуляторная батарея в бортовых
источниках питания ракет 133
Анализ дифференциальный термиче-
ский 335, 336
— термогравиметрический 335, 336
Блок питания 220—223
Бойля — Мариотта закон 155
Бомбы термитные 42
Бронировка 157
Брустона метод испытаний на чув-
ствительность 198, 199, 332, 333
Вещества, чувствительные к нагреву
23, 24, 104, 105, 325
Вина закон 248
Внутрибаллистический расчет 115,
154
Воспламенение твердых топлив (опре-
деление) 97
Воспламенители газогенераторов 177
— тип «Алклоджет» 114
— — в виде ракетных двигателей
113, 114
— — корзиночный 110, 111
— — коробочный 101, 109
— — мешочпый 109
— — пирогенный ИЗ, 114
— — рулонный 109, 110
— — с перфорированным корпусом
111, 112
— элементы, запал 100
— — — пиропатрон 100, 101
— — — пироэлектрозапал 100
— — инициирующий заряд, методы
изготовления, бисерный 104
— — — — — — заливка 104
— — — — — — засыпка порошка
105
— — — — — — прессование 105
— — основной заряд в виде топ-
ливного заряда 108
— — — — порошки и гранулы 106
— — — — таблеткп 107
— — передаточный заряд 96
Воспламенительные пиротехнические
средства 40—42
\ Воспламенительные пиротехнические
средства, состав 41
Высотный запуск ЖРД 64
Газогенераторы 19, 94, 95, 115, 144—
181
— мощность 141, 171
— преимущества 144, 145
— применение 145—151
— проектирование 151 —167
— — горение твердых топлив 156—
167
\/— — — влияние давления 162—164
\/— — — — начальной температуры
164, 165
— — — — скорости потока 165—
167
— — термодинамика газа 154—156
— технические характеристики
167—173
— — — воспламенение 177
— — — основные параметры кон-
струкции 176—179
— — —режимы газогенерации 173—
177
— — — требования, обусловленные
окружающей средой 179—181
Газогенерпрующие пиротехнические
средства, источники газа высо-
кого давления 36
— — — — химически чистого газа
37—39
Гексоген 225
Детонатор 18, 188, 198—200
Дымообразующие пиротехнические
средства 34, 35
Жидкий кислород — горючее RP 62
Зажигание ЖРД, безопасность 74
— — высотный запуск см. Высот-
ный запуск ЖРД
— — задержка запуска 63
— — контроль 70
— — метод искровой 84 —89
— — — — форсированный 89, 90
— — — каталитический 93, 94
— — — пиротехнический 75—79
Предметный указатель
397
Зажигание ЖРД, метод, самовоспла- ,
менение 79—83
— — — с помощью дополнительно-
го источника нагретого газа 91,
92
— — — — — свечи с элементом
накаливания 83, 84
— — — — — химических добавок
92
— — — электрический 83—91
— — надежность 73
— — период задержки 69, 70
— — последовательность процесса
59, 60
— — продувка магистралей 63
— — рабочие характеристики дви-
гателя 63—65
— — разновременность подачи ком-
понентов 63
— — соотношение компонентов топ-
лива 66, 67
— — состав топлива 62
— — требования повторного запуска
68
— — форсуночной головки харак-
теристики 69
Зажигательные пиротехнические
средства 42
Закон скорости горения линейный
102
------- степенной 102
— — — с участком постоянной ско-
рости (плато) 124, 162, 163, 172
— — — уравнение Саммерфильда
122
Замедлители пиротехнические, вос-
производимость данных по вре-
мени горения 291
— — корпуса 290, 291
— — определение рабочих характе-
ристик 337—340
— — — — — относительное время
горения 337, 338
— — — — — температура 338
— — сборка 330
— — тип конструкции, обтюриро-
ванный 281, 283, 288
— — — — с протоком газов 281,
283, 288
— — эксплуатационные испытания
338, 339
Замедлительные пиротехнические
смеси, время горения 291, 292
— — — — — влияние давления
прессования 292
Замедлительные пиротехнические
смеси, время горения, влияние
перегрузок и вращения 292
— — — — — — температуры ок-
ружающей среды 291, 292
— — — — — — условий хранения
292
— — — испытания на совмести-
мость 336
— — — — — стабильность 337
— — — — — чувствительность к
воздействию влаги (гигроско-
пичность) 334
— — — — — — тепловому воздей-
ствию 334—336
— — — — — — трению 334
---------------- удару 333
— — — — — — электростатиче-
ским разрядам 336
— — — компоненты, горючие 323
— — — — окислители 323
— — — — связующие 323
— — — — смазки 324
— — — методы производства, гра-
нуляция и агрегатирование
329—330
— — — — — прессование 330
— — — — — смешивание компо-
нентов 328, 329
— — — на основе свинцового су-
рика и кремния 294
— — — на основе хромата бария,
вольфрама и перхлората калия
316— 319
— — — — — — — и бора 305—
316
— — _ _ — — — марганца и
серы 295—298
— — — — — — — сплава цирко-
ния с никелем и перхлората
калия 300—303
— — — — — — — хромата свин-
ца и марганца 304, 305
— —---------------циркония, нике-
ля и перхлората калия 298—300
— — — — — свинца и кремния
294-295
— — — физико-химические свойст-
ва 284—288
— — средства на основе безгазовых
смесей 44—50
— — — — — — — композиции на
основе вольфрама 47—50
— — — _____ — — — — мар-
ганпа 45—47, 49
398
Предметный указатель
Замедлительные пиротехнические
средства на основе черного пороха
43, 44
Запалы механические накольного
действия 27—29
— — ударного действия 24—27
— — фрикционного действия 29, 30
— электрические 22—24, 100, 101
Заряд ВВ шнуровой 187, 198, 199
— концевой 45, 280
— передаточный 18, 23, 24, 96, 100,
106, 107, 110, 111, ИЗ, 142, 179,
296, 347
— твердого топлива, бронировка
157
— — — дегрессивного горения 122,
157
— — — нейтрального горения 122,
157
— — — неэффективно используе-
мые остатки 157
— — — период догорания 157
— — — поверхность горения 156
— — — прогрессивного горения
122, 157
— — — толщина горящего свода
157
Имитационные пиротехнические
средства 39, 40
Импульс удельный 169, 170
Интенсивность излучения 250
Испытания пироэнергоустройств без
разрушения, герметизация и рас-
ход утечки 376. 377
— — — — измерение диэлектриче-
ских характеристик и напряже-
ния пробоя 379
— — — — — сопротивления мо-
стика 378, 379
— — — — на отказ 379—381
— — — — рентгеноскопия 377, 378
— — безопасность 394, 395
— — в высотных условиях 339, 375
— — на воздействие акустических
шумов 369
— — — — вибрации 339, 367, 368
— — — — высокой и низкой тем-
ператур 338, 376
— — — — грибковых культур 339,
375
— — — — песка и пыли 339, 374,
375
— — _ _ соляного тумана 339,
374
— — — — тепла и влаги 339, 372
Испытания пироэнергоустройств на
воздействие толчков 371
— — — — тряски 372
— — — ударной нагрузки 340,
370
— — — — ускорения 373
— — — работоспособность, измере-
ние времени разрушения мостика
385
— — — — — выходной энергии
детонатора 388, 389
— — — — — — — осветительных
устройств 390
— — — — — — — передаточных
зарядов и других элементов цепи
390
— — — — — создаваемого давле-
ния 386—388
— — — — характеристики при
100%-ном срабатывании 383
— — на самовоспламенение 381,
382
— — — сбрасывание 371
— — оборудование 366
— — оценка результатов 392—394
— — подготовка документации
358—365
— — — — анализ технических тре-
бований 359, 361
— — — —квалификационные 363—
365
— — — — отработочные 361, 362
— — — — оценочные 362, 363
— — — — приемочные 365
— — с разрушением 381
Источники ИК-излучения 19, 246—
277
— — измерение излучения и обра-
ботка данных 250—253
— — конструкции 270—273
— — максимальная расчетная тем-
пература пламени 240—262
— — определение степени черноты
на основании данных по скорости
горения 259, 260
— — разработка многоэлементной
модели излучателя 264—270
— — расчет и анализ коэффициента
объемного поглощения 256—
259
— — степень черноты и скорость
горения 259
— — температура п скорость горе-
ния 262—215-4
— — теория излучения от неста-
ционарны! источников 253—256
Предметный указатель
39»
Коволюм 56, 156
Коэффициент объемного поглоще-
ния 256—258
— расхода 159, 160
— сопла 160
— температуропроводности 275
— тяги 170
— усиления мощности 218
Кумулятивная струя, глубина внед-
рения 350, 351
— — образование 341—346
— — пробивное действие 348—352
— — скорость 344
Кумулятивные заряды, ВВ 355, 356
— — в замкнутом объеме 346, 347
— — концевые эффекты 355
— — конфигурация выемки, клино-
видная 346
— — — — коническая 343, 346
— — — — круглая 346
Меза-топливо 162, 163, 179
Микротяговые устройства, поршне-
вые 136, 137
— — с деформируемым элементом
136, 137
— — — металлическим сильфоном
136, 137
«Минитмен», БРДД 208
Мостик накаливания 101
Мостик проволочный взрывающийся
101, 104, 216
Нагрев адиабатический 335
— изотермический 335
Напор адиабатический 154, 171
— скоростной 171
Нобеля — Абеля уравнения 56, 156,
168
Нулевой момент времени 70
Ньютона закон 124, 126
Объемная плотность энергии излу-
чения 250
Октоген 225
Ома закон 218
Осветительные пиротехнические сред-
ства, измерение выходной энер-
гии 390
— — — составы белого огня 30—33
— — — — цветного огня 33
Период задержки воспламенения
жидкого топлива (определение) 69
— — — твердого топлива (опреде-
ление) 69
Петарды сигнальные 39
Пироаккумуляторы давления систем;
подачи 133—136
Пироболты 18, 140—143
— проектирование 140—142
— с надрезом 140
— — ступенчатой проточкой 140
Пирогайка 142, 143
Пирозамок ленточный 187
Пироклапаны 18, 131 —133
Пиропатроны 18, 115
Пирорезаки 129—131
Пироэпергодатчики, определение 115»
—пироаккумуляторы давления си-
стемы подачи 133—136
— пироболты см. Пироболты
— пироклапаны см. Пироклапаны
— пирорезаки см. Пирорезаки
— проектирование 115—129
— системы катапультирования и
сбрасывания 139, 140
— тяговые устройства 115—120
— — — определение веса заряда
116, 117
— — — — размеров конструктив-
ных элементов 117—120
— — — — с большими тяговыми
усилиями 137—139
— ускорительные устройства 120—
125
— — — типы топливных зарядов
123
Планка закон 248
Плотность заряжания 56
Поверхностная плотность потока
излучения 256
Полный поток излучения 256
Полупроводниковые чувствительные
элементы 250
Порох белый 36
— черный 36, 281
Предохранительные устронства, за-
кодированные по частоте 227
ППУ, испытания доводочные 199
— — контрольные 200, 201
— — на безопасность обращения 197
— — — работоспособность 197
— — предварительные 198, 199
— — сортировочные 198
— конструктивная схема, инерцион-
ная 193, 195, 212-215
— — — механическая 192, 202
— — — с использованием парамет-
ров окружающей среды 193
— — — электромеханическая 192.
193
400
Предметный указатель
ППУ, конструктивная схема элек-
тронная 193
— назначение, запуск ракетного дви-
гателя 186, 187
— — разделение ступеней 187
— — реверс или отсечка тяги 187
— — само ликвидаторы 187
— принцип действия, с блокирующим
ротором и неподвижными пиро-
техническими элементами 189
— — — — — — — подвижными
пиротехническими элементами
189
— тип привода, инерционный 194—
196
— — — механический 194
— — — электромеханический 194
Применение вспомогательных пиро-
энергоустройств, самолеты 20
— — — спутники и космические
корабли 19
— — —управляемые снаряды и ра-
кеты 20
Проектирование боевых пиротехни-
ческих средств, определение теп-
лового эффекта 50, 51 53
— — — — расчет максимального
давления и веса заряда 55, 56
Радиометр 252 Ц
Разрядный промежуток 84, 86, 101
Ртуть гремучая 23, 104
Рэлея — Джинса закон 248
Самовоспламенения температура 335
Самовоспламеняющиеся топлива 59,
79
Самоликвидаторы 187
Сила пороха 56, 57, 116, 156, 168, 169
Системы сбрасывания груза с само-
лета 129
Системы с ВПМ, описание 217—223
— — — — пусковой блок питания
220—223
— — — — электровзрывпое устрой-
ство 217—228
— — — — электрокабель 218, 220
— — — практическое применение
232—237
— — — сводка данных 243, 244
— — — сравнение с низковольтны-
ми системами по безопасности
224-227
— — — — — — — — надежности
228, 229
Системы с ВПМ, сравнение с низко-
вольтными системами по скоро-
сти и одновременности срабаты-
вания .227, 228
— — — теория взрыва, виды вы-
деляемой энергии 240—243
— — — — — — — — механиче-
ская 242, 243
— — — — — — — — тепловая
241, 242
— — — типы 223, 224
— — — требования (по электриче-
ским параметрам), высвобожде-
ние энергии 231
— — — — источник энергии 230
— — — — накопление энергии 230,
231
— — — — передача энергии 231,
232
Скорость истечения эффективная 170
— характеристическая 168
Соотношение компонентов топлива
в ЖРД см. Зажигание ЖРД,
соотношение компонентов топ-
лива
Сопротивление (элемент) 22
Спутники заряда 330
Стефапа — Больцмана закон 248
Суперфлосс 55
Термистор 251
Термит 42, 282
Топлива криогенные 62
Топливо, баллиститное 167
— смесевое 167
Турбонасосный агрегат 59, 60, 145
Тэн 198, 225
Тяговые устройства, см. Пироэнер-
годатчики, тяговые устройства
Фононопроводность 275
Форсуночная головка ЖРД см. За-
жигание ЖРД, форсуночная го-
ловка
Черное тело 247
— — эталон 252, 253
Шнур вытяжной 192, 202
Экзотермическая реакция 97
Электровзрывное устройство 217, 218
Электрокабель 218—220
Эффект упреждения 288, 289, 313
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ
СИСТЕМЫ
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ