Расчет метания подрывных элементов с электрической инициацией вышибных зарядов

При баллистическом проектировании установки для дистанционной локализации лесных пожаров с электрической инициацией подрывных элементов в пусковых трубах основная проблема при предварительном проектировании сводилась к выбору последовательности инициации вышибных зарядов. Это было обусловлено тем, что при одновременной инициации вышибных зарядов отпадает необходимость в комплектации установки прибором, осуществляющим подачу электрических импульсов на электровоспламенительные устройства. В то же время становится проблематичной возможность осуществления метания конструктивно одинаковых ПЭ из одной пусковой трубы с близкими дульными скоростями, обеспечивающими равномерное рассеивание ПЭ на местности. Такое метание может потребовать варьирования масс вышибных зарядов. Кроме этого целью математического моделирования процесса метания является определение максимальных давлений и температур в полостях конструкции и максимальных перегрузок при движении ПЭ в канале пусковой трубы. Указанные факторы определяют структуру конструкции и прочностные свойства элементов конструкции ПЭ, обеспечивающие требуемый характер функционирования. Ниже приводятся результаты расчетов для модельной установки с пусковой трубой длиной 1,2 м, калибром 0,06 м и ПЭ массой 0,15 кг.

Проведен расчет процесса метания с последовательным включением вышибных зарядов ПЭ. Предполагалось, что вышибные заряды состоят из 1 г пороха марки ДРПЗ, а воспламенительные импульсы подаются на электровоспламенители с интервалом 0,015 с. Угол бросания полагался равным 0°. Расчеты проводились с использованием схемы Рунге — Кутта 4-го порядка точности с автоматическим выбором шага по времени по методу Рунге. При этом относительная погрешность вычислений задавалась равной ОД %. Проверка величины шага по времени и его пересчет проводилось через 20 шагов по времени. Минимальный шаг задавался равным 0,2 • 10^-5 с. Максимальный шаг ограничивался величиной 0,1 • 10^_3 с. Расчет движения ПЭ прекращался при достижении координатой ПЭ значения 1,215 м.

При реализации электровоспламенения вышибных зарядов необходимо подводить напряжение к электровоспламенительным устройствам ПЭ. Простейший способ реализации этого — пропуск проводов через зазоры в поршневых кольцах ПЭ. При последовательном метании через эти зазоры осуществляется набор давления и температуры в сосуде S_t_i при горении заряда в сосуде S,. Этот процесс может привести к нарушению герметичности крышки полости вышибного заряда ПЭ Пi_i при метании ПЭ П; и досрочной инициации этого заряда. Кроме этого, при сбросе давления в сосуде S, после вылета ПЭ П; из трубы ПУ давление в S_t_i может разрушить элементы форсирования и нарушить целостность блока ПЭ до момента инициации заряда в S^. Поэтому давление и температура в сосуде, предшествующем сосуду из которого выстреливается ПЭ, является важным параметром конструкции.

Расчет процесса метания показал, что для предотвращения отмеченных выше негативных явлений достаточно рассчитывать элементы форсирования и крышки камер сгорания вышибных зарядов на прочность по нагрузке, соответствующей перепаду давлений 2 ата. Результаты расчета давления и температуры в сосудах S11 и S10, а также относительной величины сгоревшей части свода вышибного заряда Z1 в сосуде S11 при метании первого ПЭ представлены на рис. 8.71, 8.72. Аналогично меняются параметры в смежных сосудах и при метании последующих ПЭ. В целом анализ результатов расчета процесса при подаче воспламенительных импульсов к вышибным зарядам с интервалом 0,015 с показывает, что при метании очередного ПЭ, давление в сосуде слева от предшествующего ПЭ не превышает 123 • 10⁵ Па, а температура 344 К. Максимальное давление в трубе при метании составляет 21,09 • 10⁵ Па. Максимальное ускорение ПЭ составляет 10,3 • 10⁵ м/с². В табл. 8.3 приведены моменты бросания и дульные скорости полученные в расчете. Анализ табл, показывает, что дульная скорость ПЭ сначала возрастает, а затем падает. Причина заключается в том, что 1−3 ПЭ выходят из трубы с некоторым недорасширением газа в канале ПУ. В то же время последующие ПЭ вблизи дульного среза движутся в условиях, когда давление за ними падает ниже атмосферного, что приводит к снижению дульной скорости (для 10 ПЭ до 78,59 м/с при максимуме 84,18 м/с). В целом очевидно, что ввиду малости разброса дульных скоростей можно добиться равномерности разброса ПЭ на местности варьированием.

Рис. 8.71. Изменение параметров в сосуде 511 при метании первого ПЭ

в блоке

Рис. 8.72. Изменение параметров в сосуде S10 при метании первого ПЭ

в блоке

Таблица 8.3

Дульные скорости при последовательном воспламенении вышибных зарядов ДРПЗ массой 1 г

моментов включения вышибных зарядов при одинаковости последних у всех ПЭ в блоке.

Результаты расчета процесса метания при одновременной инициации вышибных зарядов носят качественно иной характер. На рис. 8.73, 8.74 изображено изменение давлений в сосудах системы. На рис. 8.75, 8.76 изображены соответственно координаты X и скорости V ПЭ системы.

Рис. 8.73. Изменение давлений в сосудах системы в начальный период метания

Рис. 8.74. Изменение давлений в сосудах системы при метании двух последних ПЭ

Рис. 8.75. Изменение координат ПЭ в сосудах системы при метании

Рис. 8.76. Изменение скоростей ПЭ в сосудах системы при метании

Максимальные давления в сосудах С2—С6 почти одинаковы и существенно выше максимального давления в CIO, С9. В целом движение ПЭ носит более сложный характер, чем при последовательном метании, так как динамика каждого ПЭ в трубе ПУ определяется совокупным действием давления в сосуде слева от ПЭ и противодавления в сосуде справа. При этом предпоследний девятый ПЭ к моменту выхода восьмого ПЭ имеет скорость около 30 м/с и, начиная с момента t = 0,29 • 10^-4 с движется в условиях, когда давление в сосуде СЗ слева от него оказывается ниже атмосферного, а справа, в сосуде С4, реализуется атмосферное давление. При этом ПЭ тормозится и его скорость к моменту выхода падает до 26,93 м/с. По этой же причине следующий за ним десятый ВЭ оказывается не в состоянии вылететь из трубы, так как накопленная им скорость в 15 м/с гасится противодавлением (см. рис. 8.74) и при достижении координаты X = 0,725 м происходит смена знака скорости. В целом максимальное давление в трубе ПУ при выстреле составило 55,22 • 10⁵ Па и реализовалось в сосудах С2 — С6. Максимальное ускорение ПЭ составило 9,578 • 10³ м/с² для первого ПЭ. Полученные в расчете дульные скорости и моменты бросания ВЭ представлены в табл. 8.4. Результаты расчета показывают существенный разброс дульных скоростей при одновременной инициации одинаковых вышибных зарядов и удвоение максимального давления. В то же время максимальная перегрузка ПЭ на три порядка меньше, чем в предыдущем случае. Характер движения десятого ПЭ обусловлен недостаточной массой его вышибного заряда. Обеспечение нормального функционирования ПУ возможно несколькими способами. Один из них заключается в снабжении одинаковых ПЭ вышибными зарядами разной массы или дополнительными зарядами с задержанным по отношению к основным воспламенением. Последняя возможность проиллюстрирована на рис. 8.75—8.76 кривыми с кружками. В описанном выше варианте выстрела сразу после выхода восьмого ПЭ в момент t = 0,026 с в сосуде С2 воспламенялся второй дополнительный вышибной заряд ДРПЗ массой в 1 г. Технически такая возможность может быть реализована с использованием пироДульные скорости при одновременном воспламенении вышибных зарядов ДРПЗ массой 1 г (без дополнительного заряда / с дополнительным зарядом).

замедлителя, или слоистого заряда типа описанных в [81]. Газоприход от горения заряда обеспечивает положительный перепад давления на ПЭ и выход его из трубы ПУ с набором дульной скорости 43,88 м/с. За счет поджатия газа между движущимися ПЭ десять и девять обеспечивается более быстрый выход девятого ПЭ. Конструктивно дополнительный заряд может быть установлен либо на днище трубы ПУ, либо на стенке трубы. В последнем случае он должен включаться после прохождения десятым ПЭ сечения, в котором он установлен.

Таким образом результаты расчета метания при одновременном воспламенении вышибных зарядов показывают невозможность обеспечения метания однотипных ПЭ с близкими дульными скоростями через примерно равные интервалы времени. В целом сравнение двух способов инициации вышибных зарядов позволяет сделать следующие выводы.

• 1. При последовательной инициации вышибных зарядов ПЭ возможно обеспечение метания из ПУ с близкими по величине дульными скоростями и интервалами выхода ПЭ из пусковой трубы. При этом возможен рациональный выбор размера вышибных зарядов, позволяющий спроектировать мембраны камер сгорания вышибных зарядов и элементы форсирования так, чтобы обеспечить требуемый характер функционирования ПУ при выстреле.
• 2. При одновременной инициации вышибных зарядов при одинаковых габаритно массовых характеристиках конструкций ПЭ невозможно реализовать метание ПЭ с близкими по величине дульными скоростями и интервалами выхода из трубы ПУ. Указанный характер функционирования ПУ может быть в этом случае реализован за счет применения различных по массе и типу функционирования вышибных зарядов для различных ПЭ в составе метаемого из трубы блока. Таким образом окончательный ответ на вопрос о рациональном выборе способа инициации вышибных зарядов сводится к экономической проблеме сравнения стоимости изготовления прибора, осуществляющего подачу воспламенительных импульсов в заданные моменты времени, и стоимости изготовления качественно различных вышибных зарядов для комплектации ПЭ, собираемых для метания в блок.

При использвании ПЭ, попарно связанных тросиком, обеспечивающим фиксацию ПЭ в кронах деревьев, целесообразно их попарное метание. Для моделирования такого режима работы ПУ, проведен расчет процесса метания с одновременным включением вышибных зарядов двух ПЭ, нечетного и четного, начиная с головной части блока ПЭ, размещенного в пусковой трубе. При этом вышибной заряд четного ПЭ имел массу 2 г ДРПЗ и играл роль основного вышибного заряда метаемой пары. Заряд нечетного ПЭ состоял из 0,3 г ДРПЗ и служил для разрушения элемента форсирования, соединяющего ПЭ в метаемой паре. Далее этот заряд называется «разделительным».

Процесс разрушения элементов форсирования ПЭ рассчитывался в соответствии с алгоритмом, изложенным в подпараграфе 5.9.2. При выбранных размерах вышибного и разделительного зарядов пары, процесс метания развивался в следующей последовательности. При одновременном воспламенении двух зарядов, сначала разрушался элемент форсирования заднего ПЭ в паре, и пара ПЭ двигалась как единое целое. Затем, при выполнении условия разрушения элемента форсирования, соединяющего ПЭ в пару, происходило разделение ПЭ, и они продолжали двигаться в пусковой трубе раздельно. При этом задний ПЭ пары несколько тормозился противодавлением в сосуде между ПЭ. Дульная скорость у ПЭ метаемой пары отличалась на 25—30 м/с. Двигаясь в трубе, ПЭ успевали разойтись на расстояние порядка 0,40 м. Для обеспечения сохранения связи элементов тросиком, его длина должна выбираться превышающей это расстояние, а укладка тросика при заряжании ПУ не должна препятствовать свободному разматыванию его с несущего ПЭ при движении в трубе. В противном случае тросик будет разорван давлением пороховых газов, приложенным к ПЭ, которые этим тросом связаны. Максимальное давление в трубе ПУ составило 50,6 • 10⁵ Па. Давление в объеме, предшествующем сосуду, из которого выстреливается метаемая пара, определяющее прочность крышки камеры с вышибным зарядом следующего ПЭ, не превышало 1,54 ата, а температура в нем не превышала 416 К. Максимальное ускорение ПЭ составило 4,546 • 10⁵ м/с. Полученные в расчете дульные скорости представлены в табл. 8.5.

Рассчитанные варианты позволяют сформулировать следующие рекомендации для конструирования экспериментального образца системы, описанной в подпараграфе 5.9.1. Рекомендуются следующие габаритные размеры трубы ПУ и ПЭ: длина 1,2 м; внутренний диаметр (калибр) 60 мм. Корпус ПЭ должен быть снабжен разжимным поршневым кольцом, перекрывающим весь периметр кольцевого зазора, кроме Дульные скорости при попарном метании подрывных элементов.

участка длиной около 2 мм, в который пропускаются контактные провода электровоспламенительных устройств. Труба ПУ и ПЭ должны рассчитываться на максимальные давления порядка 60 • 10⁵ Па, перегрузки порядка 500 g.

Крышка полости вышибного заряда ПЭ должна обеспечивать герметичность полости при перепаде давления на ней не менее 2 • 10⁵ Па, и термоизоляцию вышибного заряда при температуре вне камеры сгорания порядка 500 К в течение не менее 0,015 с. При изменении размеров газодинамических связей соседних объемов в трубе с блоком ПЭ (т.е. изменение размера площади, неперекрытой разжимным кольцом) параметры среды, воздействующей на крышку камеры сгорания ПЭ изменятся. Прочная крышка необходима для обеспечения возможности последовательного и попарного метания ПЭ. Ее разрушение приведет к несвоевременному срабатыванию заряда ПЭ.