Патент на изобретение №2348004

(54) СПОСОБ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ МЕТАТЕЛЬНОГО ЗАРЯДА В КАМОРЕ СТВОЛА АРТИЛЛЕРИЙСКОГО ОРУДИЯ С БЕЗГИЛЬЗОВЫМ ЗАРЯЖАНИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Группа изобретений относится к области взрывотехники. Предложен способ воспламенения метательного заряда в каморе ствола артиллерийского орудия с безгильзовым заряжанием и устройство для его осуществления. Способ включает размещение металлических инициаторов в метательном заряде и облучение металлических инициаторов при выстреле электромагнитным полем СВЧ-диапазона с раскаливанием их до температуры воспламенения метательного заряда. Металлические инициаторы выполняют либо из нитей, имеющих длину, равную половине длины волны излучения, либо из резонансных кольцевых элементов с разрывом и размещают в метательном заряде пучками с распределением их по всему объему заряда. Облучение пучков металлических инициаторов при выстреле электромагнитным полем СВЧ-диапазона производят одновременно посредством стоячей электромагнитной волны. Изобретение обеспечивает надежное воспламенение заряда и многоразовость системы инициирования, позволяет улучшить условия функционирования заряда за счет уменьшения неодновременности воспламенения его различных участков. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Заявляемая группа изобретений относится к области взрывотехники, преимущественно к области артиллерии, а более конкретно – к системам воспламенения унитарных химических топлив, состоящих из диэлектрических компонентов (т.е. инициирования горения зарядов) в ограниченном пространстве закрытого с торцов канала, стенки которого выполнены из электропроводящего материала, а именно метательных зарядов, размещенных в каморе ствола артиллерийского орудия с безгильзовым заряжанием.

Известны различные способы воспламенения зарядов, основанные на разных физических процессах.

Наиболее широко известен способ воспламенения заряда, основанный на контактном воздействии высокотемпературных продуктов сгорания химических топлив, содержащихся в средствах воспламенения (СВ) – в капсюле, капсюльной втулке или в воспламенительной трубке, непосредственно на воспламеняемый заряд или на его воспламенитель (см., например, “Физические основы устройства и функционирования стрелково-пушечного, артиллерийского и ракетного оружия”/ Под редакцией чл-кор. Раран А.А. и др., РПК “Политехник”, Волгоград, 2002, Часть 1, с.477, 478). Недостатками такого способа воспламенения зарядов являются:

во-первых, многостадийность и большая продолжительность процесса воспламенения;

во-вторых, гарантированное зажжение заряда обеспечивается только при ограниченном (фиксированном) расстоянии между средством воспламенения и воспламенителем заряда;

в-третьих, имеет место большая вероятность отказа срабатывания системы из-за зависимости воспламеняющей способности средства воспламенения от температуры, а осечка средства воспламенения приводит к задержке при стрельбе, которая негативно сказывается на боевой эффективности оружия;

в-четвертых, локализация воспламенения первой от дна части заряда в области истечения продуктов сгорания из средства воспламенения и последующая постепенность воспламенения следующих частей заряда вызывают возникновение волновых процессов в заснарядном объеме, что в свою очередь снижает эффективность срабатывания заряда в целом;

в-пятых, при реализации данного способа требуются большие затраты на изготовление соответствующих боеприпасов, в том числе из-за невозможности многоразового использования элементов инициирования.

Известны так называемые нетрадиционные способы воспламенения зарядов, разработанные с целью устранения изложенных выше недостатков и улучшения условий протекания внутрикаморного процесса горения заряда.

К нетрадиционным способам воспламенения зарядов, в частности, относятся: воспламенение лучом лазера, плазменное воспламенение, индукционное воспламенение и воспламенение зарядов управляемым электромагнитным СВЧ-излучением.

Известный способ воспламенения заряда путем нагрева его элементов лучом лазера (см., например, патенты: США N 4870903; Японии N 2000055594; Японии N 2001082900; Франции N 2679640) заключается в том, что на торцовый воспламенитель, расположенный в донной части воспламеняемого заряда, через окно в затворе воздействуют мощным импульсом лазерного излучения.

В этом случае имеет место локализация воспламенения, аналогичная традиционному способу воспламенения заряда, например, с помощью капсюля, с присущими ему недостатками.

При этом оптическая система должна выдерживать высокие давления, температуры и перегрузки при выстреле.

Остающийся после выстрела нагар приводит к потере оптических свойств системы и требует периодического удаления или замены выходного окна. Кроме этого, реализация данного способа возможна только с помощью дорогостоящего оборудования.

Известный способ плазменного воспламенения заряда (см., например, патенты: США № 5355764; США № 5549046; РФ № 2166181) заключается в том, что с помощью высокого напряжения электрического поля создают плазму и при выстреле воздействуют ей на элементы воспламеняемого заряда.

Такой способ, хотя и позволяет воспламенять заряды в каморе ствола артиллерийского орудия, но для его реализации требуется очень много электроэнергии, в процессе передачи которой возникают значительные потери, да и обеспечение надежного контакта элементов системы высоких напряжений (как правило, одноразового действия) представляет сложную проблему. Источники питания для систем плазменного инициирования, способные обеспечить интенсификацию воспламенения и управление внутрикаморным процессом, имеют значительные массогабаритные характеристики, делающие их использование в артиллерийских системах в настоящее время проблематичным.

Известен индукционный способ воспламенения заряда по патенту Германии № 19848758, заключающийся в том, что сначала в затворе устанавливают первичную катушку, а в заряде – вторичную катушку и окружают ее взрывчатым веществом, после чего вторичную катушку с помощью индукции разогревают до температуры воспламенения окружающего ее взрывчатого вещества, в свою очередь воспламеняющего основной заряд.

Одним из недостатков данного способа является то, что для обеспечения надежного воспламенения заряда необходима определенная ориентация и близкое расположение первичной и вторичных катушек, а также очень мощная система электропитания.

В процессе эксплуатации такой системы возникает повышенная опасность наведения тока во вторичной катушке за счет посторонних источников электромагнитных полей и, соответственно, нештатное срабатывание системы.

Кроме этого, индукционная система воспламенения создает помехи работе расположенных рядом электронных приборов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату от его использования является известный способ воспламенения заряда управляемым электромагнитным излучением по патенту США № 3601054, F41A 19/63, F42B 05/08, F42C 19/12, опубл. 1971, заключающийся в том, что у дна воспламеняемого заряда размещают первую часть метательного заряда (воспламенитель или запал), в центре которого помещают металлические инициаторы, которые при выстреле облучают электромагнитным излучением в СВЧ-диапазоне, например, с частотой 13 ГГц, раскаляя металлические инициаторы (проводники одинаковой длины, соответствующей половине длины волны электромагнитного излучения) до температуры возгорания первой части метательного заряда (воспламенителя), поджигающего затем в свою очередь вторую (основную) часть метательного заряда.

Такой способ хотя и обеспечивает надежное локальное воспламенение метательного заряда в месте расположения его первой части (воспламенителя) с последующим последовательным распространением горения по всей второй (основной) части метательного заряда, но он не может обеспечить одновременное воспламенение отдельных (первой и второй) частей метательного заряда, что ведет, как и в традиционных системах воспламенения (например, капсюльного типа), к нестабильности воспламенения метательного заряда и формированию интенсивных непредсказуемых и неуправляемых волновых процессов в каморе.

Кроме этого, данный способ не позволяет реализовать воспламенение уменьшенных переменных зарядов, в частности модульных, при их удаленном расположении от затвора в случае безгильзового заряжания.

Известно (см. Jane’s Internationel Defense Review, February, 2004, idr. Janes, com., volume number 37, P.32-39), что уменьшенные переменные метательные заряды различной массы широко применяются в артиллерии с безгильзовой обтюрацией для неполного заполнения каморы артиллерийского орудия для регулирования потребной мощности метательного заряда при необходимости корректировки ведения стрельбы путем коррекции дальности полета снаряда, зависящей в основном (наряду с другими факторами) от мощности метательного заряда.

При этом установлено, что наиболее эффективное применение уменьшенных переменных метательных зарядов имеет место в случае, если все эти метательные заряды выполнены в виде одинаковых модулей – наиболее технологичных при изготовлении и использовании (см. Jane’s Ammunition Handbook 2002-2003, p.409-411).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение арсенала уже имеющихся технических средств определенного назначения, связанных с повышением боевой эффективности артиллерийского орудия путем повышения надежности его работы за счет повышения стабильности выстрела, обеспечения возможности управлять процессом воспламенения метательных зарядов любого типа, а также за счет обеспечения возможности воспламенять метательный заряд, расположенный в каморе ствола артиллерийского орудия и состоящий из любого количества уменьшенных переменных зарядов, в частности модульных.

Данная задача решается с помощью технического результата от использования предлагаемого изобретения, заключающегося в обеспечении надежного воспламенения метательного заряда при всех вариантах его возможной комплектации, ориентации при заряжании и расположения в каморе, а также улучшения условий функционирования метательного заряда за счет существенного уменьшения неодновременности воспламенения его различных участков.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе воспламенения метательного заряда в каморе ствола артиллерийского орудия с безгильзовым заряжанием, включающем размещение металлических инициаторов в метательном заряде и облучение металлических инициаторов при выстреле электромагнитным полем СВЧ-диапазона с раскаливанием их до температуры воспламенения метательного заряда,

во-первых, металлические инициаторы выполняют либо из нитей, имеющих длину, равную половине длины волны излучения, либо из резонансных кольцевых элементов с разрывом и размещают в метательном заряде пучками с распределением их по всему объему заряда,

во-вторых, облучение пучков металлических инициаторов при выстреле электромагнитным полем СВЧ-диапазона производят одновременно посредством стоячей электромагнитной волны.

Введение дополнительных операций, а также особые режимы выполнения уже имеющихся операций позволяют существенно повысить эффективность стрельбы из артиллерийского орудия путем повышения стабильности выстрела особенно при стрельбе с уменьшенными переменными метательными зарядами или с модульными метательными зарядами.

Предлагаемый способ легко реализуется с помощью специальной разработанной и апробированной авторами нижеописанной установки.

Известны различные устройства для воспламенения метательных зарядов, размещенных в каморе ствола артиллерийского орудия.

Известно устройство для воспламенения заряда путем нагрева его элементов лучом лазера (см., например, патенты: США № 4870903; Японии № 2000055594; Японии № 2001082900; Франции № 2679640).

Такое устройство содержит лазер, луч которого направляют на торцовый воспламенитель, расположенный в донной части воспламеняемого заряда, через окно в затворе со сложной оптической системой, обеспечивающей распределение энергии излучения по длине осевого воспламенительного устройства заряда, или такое распределение производится делительными устройствами, находящимися в заряде, что, естественно, усложняет его конструкцию.

В этом случае имеет место локализация воспламенения заряда, как и у устройств воспламенения заряда, например, традиционного капсюльного типа, с многоступенчатым принципом срабатывания.

Данное устройство имеет низкую надежность работы из-за большой вероятности быстрого выхода из строя при выстреле оптической системы.

Известны различные устройства для воспламенения заряда воздействием на его элементы плазмы (см., например, патенты: США № 5355764; США № 5549046; РФ № 2166181), каждый из которых содержит блок создания плазмы с мощным источником питания и тракт подачи плазмы к воспламеняемому заряду.

Устройства для реализации плазменного воспламенения, как правило, одноразового действия. Они потребляют много электроэнергии, в процессе ее передачи возникают значительные потери, обеспечение надежного контакта элементов системы при использовании высоких напряжений представляет сложную проблему. Источники питания для систем плазменного инициирования, способных обеспечить интенсификацию воспламенения и управление внутрикаморным процессом, имеют значительные массогабаритные характеристики, делающие их использование в артиллерийских системах в настоящее время проблематичным.

Известно устройство для воспламенения заряда с помощью индукции по патенту Германии № 19848758, в котором в затворе установлена первичная катушка, а в заряде – вторичная катушка, окруженная взрывчатым веществом, и имеется мощная система электропитания, электрически соединенная с первичной катушкой.

Данное устройство сложно в настройке и ненадежно в работе из-за того, что в процессе эксплуатации такого устройства возникает повышенная опасность наведения тока во вторичной катушке за счет посторонних источников электромагнитных полей и, соответственно, нештатное срабатывание системы инициирования.

Кроме этого, как отмечалось выше, индукционное устройство воспламенения зарядов создает помехи работе расположенных рядом электронных приборов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату от его использования является известное устройство для воспламенения заряда с помощью управляемого электромагнитного излучения по патенту США № 3601054, F41A 19/63, F42B 05/08, F42C 19/12, опубл. 1971, содержащее (см. Фиг.1):

– источник 1 электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, например, магнетрон,

– металлические инициаторы 2, имеющие длину, равную половине длины волны излучения, расположенные в толще первой части метательного заряда – запала 3, размещенного у дна каморы и поджигающего вторую (основную) часть 4 метательного заряда, не имеющую металлических инициаторов,

– блок (тракт) передачи электромагнитного излучения от его источника к пучку металлических инициаторов, выполненный в виде волновода 5, связывающего источник 1 (генератор мощности) с антенной 6 (антенным рупором), расположенной у затвора 7 орудия,

– блок 8 питания и управления процессом (командное устройство).

При этом каждый из металлических инициаторов имеет одну и ту же длину, равную половине длины волны электромагнитного излучения.

Кроме этого, вышеупомянутая часть воспламеняемого материала (запала) заключена в специальную оболочку, с одной стороны изготовленной из материала, пропускающего электромагнитные волны, а с другой стороны изготовленной из материала, отражающего электромагнитное излучение, и выполненной в форме параболоида, фокусирующего электромагнитное излучение на пучке металлических инициаторов.

Такое устройство, хотя и позволяет обеспечить локальное воспламенение заряда в месте расположения запала, срабатывающего от воздействия на него электромагнитным излучением, в то же время конструкция такого устройства исключает возможность одновременного воспламенения отдельных частей заряда, что ведет, как и в традиционных устройствах капсюльного типа, к нестабильности воспламенения заряда и формированию интенсивных волновых процессов в каморе, а также не позволяет реализовать воспламенение уменьшенных переменных зарядов, в частности модульных, при их удаленном расположении от затвора в случае безгильзового заряжания.

Кроме этого, в случае применения модульного безгильзового заряжания для воспламенения модулей при их произвольной ориентации при заряжании необходимо наличие запалов с обоих торцов каждого модуля, что, естественно, усложняет его конструкцию и существенно повышает затраты на его изготовление.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение арсенала уже имеющихся технических средств определенного назначения, связанных с повышением боевой эффективности артиллерийского орудия путем повышения надежности его работы за счет повышения стабильности выстрела, обеспечения возможности управлять процессом воспламенения метательных зарядов любого типа, а также за счет обеспечения возможности воспламенять уменьшенные переменные заряды, в частности, модульного типа.

Данная задача решается с помощью технического результата от использования предлагаемого изобретения, заключающегося в обеспечении надежного воспламенения метательного заряда при всех вариантах его возможной комплектации, ориентации при заряжании и расположения в каморе, а также улучшения условий функционирования метательного заряда за счет уменьшения неодновременности воспламенения его различных участков.

Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве для воспламенения метательного заряда в каморе ствола артиллерийского орудия с безгильзовым заряжанием, содержащим:

– источник электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, например, магнетрон,

– металлические инициаторы, имеющие длину, равную половине длины волны излучения,

– блок передачи электромагнитного излучения от его источника к металлическим инициаторам, состоящий из антенны и волновода, связывающего источник электромагнитного излучения с антенной,

– блок питания и управления,

во-первых, металлические инициаторы выполнены либо из нитей, либо из резонансных кольцевых элементов с разрывом и размещены в метательном заряде пучками с распределением их по всему объему заряда,

во-вторых, антенна расположена в каморе со стороны затвора,

в-третьих, волновод размещен в канале затвора с коаксиальным трактом и соединен с внешней стороны затвора с источником электромагнитного излучения, а со стороны каморы – с антенной через согласующие узлы-волноводы, при этом часть коаксиального тракта со стороны каморы выполнена по конусу, а источник электромагнитного излучения СВЧ-диапазона выполнен с возможностью создания в каморе стоячей электромагнитной волны,

в-четвертых, в первом варианте исполнения волновод выполнен составным из неподвижной части, закрепленной вместе с источником электромагнитного излучения на лафете орудия, и подвижной части, соединенной с коаксиальным трактом затвора и выполненной с возможностью перемещения вместе с откатными частями орудия,

в-пятых, во втором варианте исполнения волновод выполнен в виде коаксиального кабеля и соединен с коаксиальным трактом затвора с возможностью перемещения вместе с откатными частями орудия, при этом источник электромагнитного излучения неподвижно закреплен на лафете орудия.

Введение в конструкцию устройства новых блоков и элементов, а также особое выполнение уже имеющихся основных узлов устройства и особое размещение их элементов позволяет существенно повысить эффективность эксплуатации такого устройства за счет обеспечения высокой надежности его работы при одновременном обеспечении удобства его эксплуатации в любых самых сложных условиях.

Заявляемое изобретение пояснено чертежами, на которых:

– на Фиг.1 показана схема прототипа по патенту США N 3601054;

– на Фиг.2 показана схема предлагаемого устройства для воспламенения метательного заряда с помощью управляемого электромагнитного излучения в случае применения в качестве метательного заряда одного из уменьшенных переменных зарядов, в частности, модульного типа, расположенного в любом месте каморы;

– на Фиг.3 показана схема предлагаемого устройства для воспламенения метательного заряда с помощью управляемого электромагнитного излучения в случае применения в качестве метательного заряда двух уменьшенных переменных зарядов, в частности, модульного типа, расположенных в любом месте каморы с зазорами между собой и на некотором расстоянии от дна снаряда и от дна каморы;

– на Фиг.4 показана схема предлагаемого устройства для воспламенения метательного заряда с помощью управляемого электромагнитного излучения, в которой метательный заряд заполняет весь объем каморы;

– на Фиг.5 показана схема варианта предлагаемого устройства с двухступенчатым волноводом;

– на Фиг.6 показана схема варианта предлагаемого устройства с волноводом, выполненным в виде коаксиального кабеля.

Заявляемое устройство для воспламенения метательного заряда в каморе ствола артиллерийского орудия с безгильзовым заряжанием с помощью управляемого электромагнитного излучения содержит:

источник 1 электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, например, магнетрон,

металлические инициаторы 2, имеющие длину, равную половике длины волны излучения, причем металлические инициаторы 2 выполнены либо из нитей, либо из резонансных кольцевых элементов с разрывом и размещены пучками в метательном заряде 9 (либо целиком заполняющего камору (см. Фиг.4, 5, 6), либо состоящего из любого уменьшенного заряда (см. Фиг.2) или набора таких уменьшенных зарядов, например, модульного типа, в том числе (см. Фиг.3) при их произвольной ориентации, при этом пучки металлических инициаторов 2 распределены по всему объему метательного заряда,

блок передачи электромагнитного излучения от его источника к металлическим инициаторам, состоящий из антенны 6 и волновода 5, связывающего источник 1 электромагнитного излучения с антенной 6, которая расположена в каморе со стороны затвора 7,

блок 8 питания и управления.

Волновод 5 размещен в канале затвора 7 с коаксиальным трактом 10 и соединен с внешней стороны затвора 7 с источником 1 электромагнитного излучения, а со стороны каморы – с антенной 6 через согласующие узлы-волноводы 11, при этом часть коаксиального тракта 10 со стороны каморы выполнена по конусу 12, а источник 1 электромагнитного излучения СВЧ-диапазона выполнен с возможностью создания в каморе стоячей электромагнитной волны.

В первом варианте исполнения (см. Фиг.5) волновод 5 выполнен составным из неподвижной части 13, закрепленной вместе с источником 1 электромагнитного излучения на лафете орудия, и подвижной части 14, соединенной с коаксиальным трактом 10 затвора 7 и выполненной с возможностью перемещения вместе с откатными частями орудия.

Во втором варианте исполнения (см. Фиг.6) волновод 5 выполнен в виде коаксиального кабеля 15 и соединен с коаксиальным трактом 10 затвора 7 с возможностью перемещения вместе с откатными частями орудия, при этом источник 1 электромагнитного излучения неподвижно закреплен на лафете орудия.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

По команде с блока 8 питания и управления включается источник 1 электромагнитного излучения СВЧ-диапаэона, от которого электромагнитная волна передается через коаксиальный тракт 10 с согласующими узлами-волноводами 11 на антенну 6, с помощью которой в камерной части орудия (во внутреннем объеме ствола между затвором 7 и снарядом 16) возбуждается электромагнитная волна (как в волноводе) с дальнейшим поглощением электромагнитной энергии порохом метательного заряда в областях около металлических инициаторов 2, где происходит локальное усиление электромагнитной волны и либо происходит нагрев в этих областях пороха до температуры воспламенения, либо возникает микроволновой пробой. За счет чего и происходит гарантированное воспламенение метательного заряда.

Использование предлагаемых изобретений позволяет:

1. Обеспечить надежное воспламенения метательного заряда, в том числе модульного метательного заряда безгильзовой обтюрации, при всех вариантах его возможной комплектации, ориентации при заряжании и расположения в каморе.

2. Улучшить условия функционирования метательного заряда за счет уменьшения неодновременности воспламенения его различных участков.

3. Обеспечить многоразовость системы инициирования.

4. Уменьшить стоимость и упростить конструкцию выстрела за счет исключения из его состава средства воспламенения и исключения необходимости заключения средства воспламенения в специальную сложную и дорогостоящую оболочку, предназначенную для фокусирования излучения.

Формула изобретения

1. Способ воспламенения метательного заряда в каморе ствола артиллерийского орудия с безгильзовым заряжанием, включающий размещение металлических инициаторов в метательном заряде и облучение металлических инициаторов при выстреле электромагнитным полем СВЧ-диапазона с раскаливанием их до температуры воспламенения метательного заряда, отличающийся тем, что металлические инициаторы выполняют либо из нитей, имеющих длину, равную половине длины волны излучения, либо из резонансных кольцевых элементов с разрывом и размещают в метательном заряде пучками с распределением их по всему объему заряда, облучение пучков металлических инициаторов при выстреле электромагнитным полем СВЧ-диапазона производят одновременно посредством стоячей электромагнитной волны.

2. Устройство для воспламенения метательного заряда в каморе ствола артиллерийского орудия с безгильзовым заряжанием, содержащее источник электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, металлические инициаторы, блок передачи электромагнитного излучения от источника к металлическим инициаторам, состоящий из антенны и волновода, связывающего источник электромагнитного излучения с антенной и блок питания и управления, отличающееся тем, что металлические инициаторы выполнены либо из нитей, имеющих длину, равную половине длины волны излучения, либо из резонансных кольцевых элементов с разрывом и размещены в метательном заряде пучками с распределением их по всему объему заряда, антенна расположена в каморе со стороны затвора, волновод размещен в канале затвора с коаксиальным трактом и соединен с внешней стороны затвора с источником электромагнитного излучения, а со стороны каморы – с антенной через согласующие узлы-волноводы, при этом часть коаксиального тракта со стороны каморы выполнена по конусу, а источник электромагнитного излучения СВЧ-диапазона выполнен с возможностью создания в каморе стоячей электромагнитной волны.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что волновод выполнен составным из неподвижной части, закрепленной вместе с источником электромагнитного излучения на лафете орудия, и подвижной части, соединенной с коаксиальным трактом затвора и выполненной с возможностью перемещения вместе с откатными частями орудия.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что волновод выполнен в виде коаксиального кабеля и соединен с коаксиальным трактом затвора с возможностью перемещения вместе с откатными частями орудия, при этом источник электромагнитного излучения неподвижно закреплен на лафете орудия.

РИСУНКИ