CC BY
52УДК 662.1:629.78.05
A.С. Дудырев, Д.Б. Демьяненко,
B.В. Ефанов*
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) * НПО им. С. А. Лавочкина (г. Москва)
КОМПЛЕКС НОВЫХ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Пиротехнические составы (ПС) представляют собой гетерогенные конденсированные системы, содержащие в определенных соотношениях горючие, окислители и другие компоненты в виде высокодисперсных порошков. ПС являются одним из видов энергетических материалов, химическая энергия которых под действием внешнего импульса высвобождается и превращается в другие виды энергии. Особенностью ПС является то, что химические превращения в них протекают главным образом в форме горения - самораспространяющегося экзотермического процесса, протекающего с относительно невысокими линейными скоростями в диапазоне от долей миллиметров до метров в секунду. ПС широко применяются в различных областях техники для получения тепловых, световых, динамических и многих других полезных эффектов.
Области применения ПС и средств на их основе постоянно расширяются, чему способствует изучение механизмов их воспламенения и горения, создание все более эффективных композиций с заданными свойствами, а также совершенствование технологических процессов переработки пиротехнических материалов в изделия.
Одной из перспективных областей применения пиротехнических композиций и средств являются устройства и системы пироавтоматики, работа которых основана на использовании различных эффектов, сопровождающих горение пиротехнических зарядов: движение фронта горения с определенной линейной скоростью, выделение сжатых газов, изменение свойств продуктов сгорания по сравнению с исходными пирозарядами (электропроводность, газопроницаемость и др.), генерирование электрического тока при горении пирозарядов и на других явлениях.
Создан комплекс новых пиротехнических средств, обеспечивающий функционирование систем и устройств малых космических автономных аппаратов без внешних источников электрического тока. Пиротехнические устройства, входящие в комплекс, обеспечивают запуск систем пироавтоматики, трансляцию команд между устройствами, заданную программу работы систем и исполнение команд. Комплекс средств пироавтоматики обладает высокими массо-габаритными характеристиками, надежностью, стойкостью к внешним воздействующим факторам, работает в широком температурном диапазоне. Разработан ряд проектов МКА, в которых применяются разработанные системы и устройства пироавтоматики.
Пиротехнические устройства обладают высокими надежностью, стойкостью к внешним воздействующим факторам, высокими удельными энергетическими характеристиками, статбильностью при долговременном хранении и целым рядом других преимуществ перед устройствами аналогичного назначения, но действующими на других физических принципах [1-3]. Поэтому такие устройства находят все более широкое применение в различных отраслях техники. Наиболее успешно они применяются именно в тех объектах, где требуется выполнение комплекса требований, сочетание которых затрудняет или делает невозможным применение устройств других типов. Это, прежде всего, относится к таким автономным объектам ракетно-космической техники, как малые космические аппараты, а также к системам аварийной защиты, охраны и автоматического пожаротушения и ряду других объектов, у которых ограничены энергетические ресурсы или вообще отсутствуют бортовые источники электрического питания [4-6].
Малые космические аппараты (МКА) применяются как для исследовательских целей, так и для выполнения разнообразных прикладных функций. Возрастающий интерес к МКА обусловлен не только экономическими соображениями, но и тем, что они открывают новые возможности в изучении космического пространства и планет, а также в решении прикладных задач [5,7].
Одной из достаточно сложных проблем, возникающих при проектировании МКА с учетом их габаритов, массы, условий их автономного функционирования, является ограниченность бортовых энергоресурсов. Существующие системы пироавтомати-ки весьма разнообразны по схемно-конструктив-ным решениям, однако для объектов ракетно-кос-
мической техники наиболее типична схема, включающая, как правило, следующие устройства: командно-управляющий блок, электропроводная схема коммутации, пиротехнические или взрывные исполнительные устройства - пироэнергодатчики и источник электрического питания [5].
Системы пироавтоматики, построенные по такой схеме, в некоторых МКА применить невозможно. Наиболее часто встречающимися причинами являются невозможность размещения источника тока на автономном объекте из-за его больших габаритов и массы, недостаточно надежной работы в условиях значительных перегрузок и низких температур. Другими причинами, кроме жестких габаритных и весовых ограничений, являются необходимость обеспечения длительной сохранности объекта при воздействии комплекса неблагоприятных факторов (значительных колебаний температур, механических воздействий, радиационных нагрузок и др.), электромагнитная несовместимость с другими электро- и радиосистемами, воздействие на объекты сильных магнитных полей и ряд других.
Выполненные исследования и проектные разработки показали принципиальную возможность и технико-экономическую целесообразность применения для обеспечения функционирования МКА и целого ряда других автономных объектов систем пироавтоматики нового типа, функционирующих без внешнего источника электрического тока.
Пиротехнические средства, входящие в эти системы, обеспечивают запуск командно-исполнительных пиротехнических систем от внешних факторов (температуры, давления, механических или других воздействий) при достижении ими определенных величин или по электрической или механической команде, передачу сигналов внутри системы в виде огневых или электрических импульсов, необходимую программу работы системы и исполнение соответствующих операций за счет работы пиротехнических или взрывных исполнительных устройств.
При разработке номенклатуры и конструкций пиротехнических устройств предполагалось выполнение следующих основных требований:
- номенклатура базовых устройств должна быть функционально-полной, т. е. обеспечивать решение возможно более широкого круга задач, возникающих при проектировании автономных объектов и систем;
- устройства должны быть выполнены в виде миниатюрных модулей с согласованными входами и выходами для обеспечения возможности создания из набора этих устройств систем пироавтоматики с широкими возможностями и быть минимизированными по габаритам и массе;
- пиротехнические устройства должны быть герметизированными и не выделять в окружающую среду продуктов сгорания пирокомпозиций как во время, так и после их срабатывания.
Пиротехнические композиции для средств пироавтоматики должны удовлетворять следующим требованиям:
- композиции должны быть мало- и безгазовыми (за исключением специальных, предназначенных для генерации газов);
- составы должны воспламеняться и устойчиво гореть в широком диапазоне начальных темпе-
ратур в условиях герметизированных огневых цепей в каналах малых диаметров с высоким теплоот-водом;
- составы должны быть радиационно- и термостойкими;
- номенклатура пиротехнических композиций также должна быть минимальной и унифицированной.
Работу систем пироавтоматики МКА обеспечивают следующие группы пиротехнических устройств:
1) Пусковые - обеспечивают запуск систем от внешних воздействий (тепловых, механических или давления среды) при достижении ими определенных значений, а также по команде отэлектри-ческих или механических средств инициирования;
2) Транслирующие - передают команды между устройствами системы в форме огневых сигналов;
3) Программно-временные - обеспечивают программу работы системы, т. е. выработку команд на срабатывание устройств в заданной последовательности и создание необходимых временных задержек в огневых цепях;
4) Преобразователи вида сигналов - обеспечивают преобразование огневых команд в детонационные, детонационных в огневые, огневых -в электрические.
5) Пиромеханические - пироклапаны, пирос-топоры и т. п., в том числе логические, выполняющие в сложных огневых цепях логические функции «И», «ИЛИ», «НЕ» и другие.
6) Исполнительные - пиростатические и ионизационные замыкатели, газогенераторы, тепловыделяющие элементы, пироструйные резаки и другие.
Ниже кратко описаны некоторые группы пиротехнических устройств, входящих в комплекс, и пиротехнические композиции для их снаряжения.
К пусковым устройствам относится тепловой датчик, который срабатывает от кинетического нагрева при входе МКА в атмосферу. При определенной температуре и времени нагрева, которые определяются траекторией входа аппарата в атмосферу, происходит самовоспламенение специального пиротехнического заряда, который задействует систему пироавтоматики. Разработанные пиротехнические составы имеют температуры самовоспламенения от 220° до 600°С и высокую воспламеняющую способность.
Трансляция огневых команд между устройствами системы обеспечивается огнепроводными шнурами со скоростью до 15 м/с. Огнепроводные шнуры представляют собой специальные пирозаряды в трубчатых металлических (медь, алюминий, мед-но-никелевые сплавы и т. д.) неразрушаемых оболочках с наружным диаметром до 4 мм.
Огнепроводные шнуры имеют определенную пластичность, благодаря чему на их основе могут быть созданы герметизированные огневые цепи со сложной пространственной структурой.
Одним из вариантов транслирующих устройства являются огневоды. Огневоды представляют собой пустотелые трубки с внутренним диаметром 2,5 -4 мм. На одном из концов огневода размещен пиротехнический заряд, создающий при горении форс (поток) раскаленных частиц и пламени, а на другом - пиротехнический заряд, воспламеняющийся от воздействия этого форса. Огневоды могут иметь
Рисунок 1. Пиротехническое программно-временное устройство модульного типа. 1 - корпус узла инициирования; 2 - накидная гайка; 3, 7 - содержатели; 4, 8 - инициирующий замедлительный модуль; 5 - поджимная втулка; 6 - разветвитель; 9 - наборный модуль; 1о - концевой модуль; 11 - контргайка; 12 - заглушка.
изгибы. Для повышения надежности и дальности передачи огневых импульсов могут быть использованы промежуточные заряды-усилители.
Заданная последовательность операций обеспечивается пиротехническими программно-временными устройствами, которые выдают в заданной последовательности до 10 огневых команд с интервалами между ними от 0,05с и общей длительностью программы до 500 и более секунд. Точность выдачи команд при температурах 60оС не хуже 8 %. Схема одного из вариантов моноблочного программно-временного устройства приведена на рисунке 1.
Это устройство снаряжено набором замедли-тельных модулей, которые обеспечивают заданные временные интервалы, а также передачу огневых импульсов между собой и в разветвителях за счет огневого форса. К разветвителям могут монтироваться упомянутые выше огнепроводные шнуры или огневоды, которые транслируют огневые сигналы к другим элементам устройств, а также другие устройства комплекса пироавтоматики, в том числе пиротехнические источники электрического тока.
Основные характеристики горения быстро-и медленногорящих составов в замедлительных модулях приведены в таблице 1.
Следует обратить внимание, что приведенные в таблице характеристики относятся к герметизированным замедлителям, отток газов от горящих зарядов которых отсутствует.
В сложных системах пироавтоматики командные сигналы могут передаваться не только в виде
Рисунок 2. Схема трехэлементного импульсного пиротехнического ПИТ. 1 - корпус; 2 - изолятор; 3 - анодный пирозаряд; 4 -катодный пирозаряд;5 - шайба; 6 - контакт; 7, 11 - гайка; 8 -шайба-изолятор; 9 - крышка корпуса; 10 - изолирующая вставка; 12 - токосъемник; 13 - воспламенительный заряд.
огневых команд, но и в виде детонационной волны. Кроме того, команды могут подаваться и в виде электрических импульсов по проводам. Поэтому необходимы устройства, преобразующие одни виды сигналов в другие.
К числу преобразователей видов сигналов относятся также пиротехнические источники электрического тока (ПИТ). Действие ПИТ основано на прямом преобразовании химической энергии пиротехнических композиций в электрическую энергию. ПИТ выполняется миниатюрными и герметизированными, они инициируются от любого огневого (теплового) импульса и служат для преобразования огневых команд в электрические с целью передачи команд по проводам, через гибкие и подвижные соединения, герморазъемы и т. д., а также инициирования электровоспламенителей и электродетонаторов, питания микросхем, электромеханических, электромагнитных и других устройств с электрическим задействованием [8-11].
Таблица 1. Основные характеристики горения быстро- и медленногорящих составов в замедлительных модулях (ЗМ)
Наименование состава Индекс ЗМ Номинальное время работы, мс Средняя скорость горения, мм/с
БМГС-1 БМ-0006 6 330
БМ-001 10 460
БМ-002 20 480
БМ-004 40 510
БМГС-2 БМ-02 200 100
БМ-04 400 50
БМГС-3 БМ-0125 125 150
БМ-033 330 60
БМГС-4 БМ-08 800 24
БМ-1 1000 20
БМ-1,5 1500 12,9
МЗС-1 ЗМ-2 2000
ЗМ-4 4000 1,1..1,2
ЗМ-7 7000
ЗМ-12 12000
Рисунок 3. Блок - схема системы пироавтоматики с пиротехническими ИТ. ПУ - пусковой механизм; ПВУ - программно -временное устройство; ПГЭТ - пиротехнический генератор электрического тока; ИУ - исполнительное устройство.
ПВУ-1 и ПВУ-2. Эти временные устройства отрабатывают необходимые временные интервалы, связанные сдвижением аппарата в атмосфере и в заданное время обеспечивают срабатывание пиротехнического замыкателя ПЗ радиомаяка и отстрел крышки парашютного отсека (ОКПО) детонирующим удлиненным зарядом. Отделяющаяся крышка парашютного отсека вытягивает парашют. Через заданное время временные устройства выдают команды на узел отстрела стренг (УОС) парашюта, которые синхронно отделяются детонирующим зарядом, в результате чего парашют развертывается полнос-
Схема трехэлементного ИТ показана на рисунке 2.
Пиротехнический источник тока состоит из трех единичных ячеек, электродами в которых служат анодный (3) и катодный (4) пирозаряды пластинчатого типа, собранных в последовательную цепь в корпусе (1) с крышкой (9). Корпус при помощи резьбы герметично пристыковывается к предыдущему устройству системы пироавтоматики - например, к программному устройству (рисунок 3). Диаметр источника тока - 22 мм, высота - 20 мм. Максимальное напряжение на нагрузке - 3,7 В, максимальный ток разряда - до 10 А, время активации -0,3 с, время работы - 4 с.
Пиротехнические источники тока легко интегрируются в системы пироавтоматики различных объектов. Время работы ПИТ в различных вариантах исполнения может составлять от 1 до 120 с, удельная электрическая мощность достигает 12 Вт/г и 20 Вт/см3, выходное напряжение батарей - до 50 В.
Пиротехнические источники тока существенно расширяют функциональные возможности систем пироавтоматики, работающих без внешних источников электрического тока, позволяют связать их с системами радиотелеметрии и радиоуправления и с устройствами с электрическим задействованием.
На рисунке 3 представлена блок - схема системы пироавтоматики, работающей по заданной программе, включающей пиротехнические источники тока.
К исполнительным устройствам относятся пиро-механические устройства (т. е. устройства с пиротехническим приводом): пироклапаны, пирозамы-катели, пирочеки и т. п., а также пиротехнические устройства (пироструйные резаки) для перфорации и резки различных одно- и многослойных стенок элементов конструкций и другие.
Основными элементами конструкции пирост-руйного резака являются корпус, в котором размещен пиротехнический заряд, сопло и средство инициирования. При воспламенении пиротехнического заряда внутри корпуса создается избыточное давление, под действием которого продукты сгорания с помощью сопла формируются в виде высокоскоростной струи с температурой 3000...3300 К, осуществляющей мгновенную резку материала.
ПСР способен резать стой или иной степенью эффективности практически все известные конструкционные материалы.
В качестве иллюстрации возможностей систем пироавтоматики, работающей без бортовых источников тока, можно привести один из вариантов системы пироавтоматики МКА, предназначенного для доставки полезного груза на Землю (рисунок 4).
Система пироавтоматики МКА запускается по двум сигналам: от аэродинамического нагрева при входе аппарата в атмосферу при определенной температуре срабатывают пиротехнические тепловые датчики ТП-1 и ТП-2 и от перегрузок, связанных с входом возвращаемого аппарата в атмосферу Земли, срабатывает пусковой инерционный механизм ПИМ-1, запускающий механическое пусковое устройство с капсюлем-воспламенителем на-кольного типа. Сигналы от этих датчиков передаются при помощи быстрогорящих огнепроводных шнуров к пиротехническим временным устройствам
Рисунок 4. Схема системы пироавтоматики МКА. ТП - тепловой приемник; ПИМ - пусковой инерционный механизм; ПЗ - пирозамыкатель; УОКПО - узел отделения крышки парашютного отсека; ПВУ - пиротехническое программно-временное устройство; ЛЭ - логический элемент; УОС - узел отстрела стренг; СД - синхронизатор детонационный; УР - устройство разблокировки; УРС - узел резки стренг; ПК - пироклапан
тью. Затем происходит разблокировка пускового инерционного механизма ПИМ-2, который подает азот в баллоны ориентации и задействует пиронож резки строп (УРС), отделяющий парашют.
Пиротехническое программное устройство обладает такими существенными преимуществами, как малая масса (~950 г), высокая радиационная стойкость и очень высокая надежность действия, которая обеспечивается, в том числе, и дублированием огневых цепей.
Неэлектрические системы пироавтоматики могут применяться как в качестве основных, так и в качестве дублирующих систем, которые работают на иных физических принципах. Основные преимущества таких систем - функционирование без источников электрического тока, высокая помехоустойчивость, стойкость к внешним воздействующим факторам (климатические, радиационные нагрузки и др.), длительные сроки существования в пригодном к работе состоянии, отсутствие необходимости в обслуживании после монтажа на объекте.
Основные параметры систем приведены ниже:
Температура эксплуатации, оС ...........-150...+180
Радиационная стойкость, рад....................108
Время хранения в пригодном
к работе состоянии, лет ..................15 и более
Временные интервалы
между командами, с ...............от 0,006 до 3000
Разброс временных параметров:
- для диапазона 0,006-1,5 с......................6
- для диапазона 1,5-20 с ....................... 12
- для диапазона более 20 с ..................... 15
Скорость трансляции
огневых команд, м/с..........................до 12
Импульсы напряжения,
вырабатываемые ПГЭТ, В.......................до 5
Характеристики пиросоставов:
- скорости горения, мм/с..............от 0,8 до 510
- удельное газовыделение, см3/г...........от 0 до 5
- температуры горения, оС...........от 600 до 1800
В настоящее время разработан ряд проектов МКА (в том числе возвращаемый МКА проекта «Фобос-грунт»), в которых реализованы описанные выше системы и устройства пироавтоматики.
Список литературы
1. Hardt A.P. Pyrotechnics - Post Falls, Idaho, U.S.A.: Pyrotechnica Publications, 2001 - 430 рр.
2. Вспомогательные системы ракетно-космической техники/Пер. с англ. Под ред. И. В. Тишунина - М., «Мир», 1970 - 400 с.
3. Braner K. O. Hahdbook of Pyrotechnic. N.Y.: Chem. Publ. Co. Inc., 1974 - 402 рр.
4. Д. Б. Демьяненко, А. С. Дудырев Средства пироавтоматики для автономных объектов // Современные проблемы технической химии: Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции / Казанский гос. технологический университет - Казань, 2003, - с. 142 - 153.
5. Д. Б. Демьяненко, А. С. Дудырев, В. В. Ефа-
нов Принципы проектирования малых космических аппаратов // Космические исследования - 1994, т.32, вып.5 - с.143-148.
6. Д. Б. Демьяненко, А. С. Дудырев Комплекс пиротехнических средств для обеспечения функционирования систем и устройств автономных объектов // Современные проблемы пиротехники: Материалы I Всероссийской конференции, Сергиев Посад, 25-27 октября 2000 г.-М., ЦЭИ «Химмаш», 2001 - с. 20-21.
7. Кузнецов А., Якушин А., Малогабаритные космические аппараты военного назначения // Техника и вооружение - 1992 - № 7 - 8. - с, 34 - 37.
8. Д.Б.Демьяненко, А. С. Дудырев Пиротехнические генераторы электрического тока // Современные проблемы пиротехники: Материалы II Всероссийской конференции, Сергиев Посад, 27-29 ноября 2002 г.- г. Сергиев Посад, ИДД «Весь Сергиев Посад», 2003.- с.87-97.
9. Д.Б.Демьяненко, А. С. Дудырев Пиротехнические генераторы электрического тока в автоматизированных системах управления и аварийной защиты / Там же, с. 56 - -57.
10.Д. Б. Демьяненко, А. С. Дудырев Источники электрического тока с электродами-пиротехничес-кими зарядами // Современные проблемы технической химии: Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции / Казанский гос. технологический ун-т. - Казань, 2003, - с. 130-142.
11.Д. Б. Демьяненко, А. С. Дудырев Источники электрического тока с электродами-пиротехничес-кими зарядами для систем пироавтоматики автономных объектов // Известия Российской Академии ракетных и артиллерийских наук.- 2005, - № 3 (44).- с.54-64.
