Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ГАЗОВОГО ИМПУЛЬСА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТОПЛИВА И ОКИСЛИТЕЛЯ, КОТОРЫЕ ЯВЛЯЮТСЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ИНЕРТНЫМИ В УСЛОВИЯХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ГАЗОВОГО ИМПУЛЬСА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТОПЛИВА И ОКИСЛИТЕЛЯ, КОТОРЫЕ ЯВЛЯЮТСЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ИНЕРТНЫМИ В УСЛОВИЯХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ГАЗОВОГО ИМПУЛЬСА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТОПЛИВА И ОКИСЛИТЕЛЯ, КОТОРЫЕ ЯВЛЯЮТСЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ИНЕРТНЫМИ В УСЛОВИЯХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к области создания источников газовых импульсов высокого давления, например, для ускорения снарядов. Технический результат - повышение эффективности газовых импульсов. Источник газового импульса высокого давления для ускорения, например, снаряда вдоль ствола пушки включает в себя структуру, содержащую высоковольтный электрод для установления осевых электрических разрядов в соответствующих осевых зазорах (разрядных промежутках) позади выходного отверстия, где размещен снаряд. Плазма втекает под прямыми углами относительно осевых разрядов в массу метательного взрывчатого вещества, которая при этом преобразуется в компонент газового импульса высокого давления. Зазоры устроены так, что при сдвиге снаряда из своего начального положения и при его нахождении в стволе мощность, подведенная к плазме через зазоры, более близкие к выходному отверстию, больше мощности, подведенной к плазме через зазоры, более удаленные от выходного отверстия. Во избежание повреждения пушки зазоры устроены так, что мощность, подводимая к плазме, одинакова во всех разрядах при первоначальном образовании плазмы. Зазоры имеют стенки, которые эродируют различно при приложении разрядов так, что имеется более быстрая эрозия в стенках зазоров, более близких к выходному отверстию, чем в стенках зазоров, более удаленных от выходного отверстия. Масса метательного взрывчатого вещества включает в себя твердое топливо и окислитель, которые не вступают в реакцию при условиях окружающей среды, когда часть топлива упирается в структуру. 2 с. и 25 з.п. ф-лы, 5 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2145409
Класс(ы) патента: F41A1/02
Номер заявки: 96108414/02
Дата подачи заявки: 05.04.1996
Дата публикации: 10.02.2000
Заявитель(и): Дженерал Динамикс Лэнд Системс, Инк. (US)
Автор(ы): Йешайаху С.А.Гольдштейн (US)
Патентообладатель(и): Дженерал Динамикс Лэнд Системс, Инк. (US)
Описание изобретения: Изобретение имеет главным образом отношение к созданию источников газовых импульсов высокого давления, в особенности подходящих для ускорения снарядов, а более конкретно, имеет отношение к созданию источников газовых импульсов высокого давления, включающих в себя твердое топливо и не газовый окислитель, которые являются относительно инертными в условиях окружающей среды и которые испаряются для создания импульса.
Источники газовых импульсов высокого давления, построенные с использованием электротермической технологии, раскрыты, например, в патентах США 4590842; 4715261; 4974487 и 5012719. В некоторых из этих известных устройств исключено использование энергичных химикатов, которые часто становятся нестабильными и постоянно создают проблемы безопасности. В этих известных источниках газовых импульсов формируется капиллярный разряд в промежутке между двумя раздвинутыми друг от друга электродами, установленными на противоположных концах диэлектрической трубки, преимущественно изготовленной из полиэтилена. При создании между электродами напряжения разряда в промежутке (зазор) образуется высокотемпературная плазма высокого давления, которая вызывает удаление материала с диэлектрической стенки. Имеющая высокое давление, высокотемпературная газовая плазма течет вдоль области разряда в продольном направлении и выходит через отверстие, выполненное в электроде на одном из концов разрядного промежутка. Газ, вытекающий продольно из промежутка через отверстие, создает газовую струю с высоким давлением и высокой скоростью, которая может ускорять снаряд до высокой скорости. В патенте США 4974487 плазма, имеющая высокое давление и высокую температуру, взаимодействует с массой метательного взрывчатого вещества для образования высокотемпературного метательного взрывчатого вещества. В патенте США 5012719 образуется водород при взаимодействии плазмы, протекающей через отверстие, с гидридом металла и с некоторыми другими материалами, при этом получают водород с высоким давлением. Плазма охлаждается при взаимодействии с охладителем, например, водой, в ходе экзотермической химической реакции.
В патенте США 4974487 давление, воздействующее на тыльную сторону снаряда, поддерживается главным образом постоянным в ходе ускорения снаряда в стволе, несмотря на то, что объем полости ствола между выходным отверстием источника высокого давления и снарядом возрастает. Такой результат достигнут за счет увеличения электрической мощности, подводимой к капиллярному разряду, главным образом линейно в функции времени.
Наиболее близкими к заявленному способу и устройству являются известные способ и устройство для генерации газового импульса высокого давления по патенту США 5072647. В этом патенте раскрыто наличие разрядного элемента, а также принудительное испарение вещества. Согласно патенту плазменный разряд высокого давления создается в промежутке между двумя раздвинутыми друг от друга электродами. Давление плазмы в разряде достаточно для ускорения снаряда в стволе пушки (пусковой установки). Плазма образована в конструкции со стенками, между которыми заключен разряд, которые имеют отверстия, через которые происходит истечение плазмы в поперечном направлении относительно разряда. Камера, окружающая стенку, содержит пульпу воды с частицами металла, что позволяет получить водород высокого давления, который вытекает в продольном направлении относительно разряда и воздействует на тыльную часть снаряда. Для поддержания давления газообразного водорода, воздействующего на снаряд, на относительно постоянном уровне в ходе ускорения снаряда в стволе, производят увеличение электрической мощности, подводимой к капиллярному разряду, главным образом линейно в функции времени.
Некоторые концепции, использованные в патенте США 5072647, заложены в находящейся на рассмотрении заявке на патент США 08/238433, поданной 5 мая 1994 г. В этой заявке раскрыта конструкция, в которой сформированы по меньшей мере несколько электрических разрядов через осевые зазоры (промежутки), расположенные позади выходного отверстия источника газового импульса высокого давления, причем эта конструкция в особенности подходит для ускорения снаряда. Разряды принуждают вытекать плазму с компонентами, направленными под прямыми углами относительно осевых разрядов. Обычная масса метательного взрывчатого вещества, например, черного пороха, или масса, создающая водород, как это раскрыто в патенте США 5,072,647, могут быть использованы для создания потока плазмы в результате процесса разряда. При воздействии плазмы, полученной при разряде, на массу метательного взрывчатого вещества, создается газовый импульс высокого давления.
Специалистам, работающим в данной области, понятно, что желательно, чтобы плазма, ускоряющая снаряд, создавала максимальное давление возможно ближе к его основанию, то есть в тыльной части снаряда. Поэтому, после первоначального ускорения снаряда, желательно, чтобы мощность вблизи от снаряда, на фронте источника плазмы, была больше, чем мощность в задней части источника плазмы. Однако при создании плазмы с таким распределением мощности или энергии, имеется тенденция к образованию волн давления в источнике плазмы. Такие волны давления в электрическом источнике плазмы с высокой энергией (до нескольких миллионов джоулей) могут быть разрушительными для пусковой установки снаряда, на которой установлен такой источник высокого давления. Поэтому желательно иметь в источнике плазмы высокого давления по меньшей мере несколько осевых электрических разрядов для первоначального создания плазмы, имеющей ориентировочно одну и ту же мощность для всех зазоров (разрядных промежутков). После того, как снаряд сместился из своего исходного положения, становится желательным осуществление подвода мощности к плазме таким образом, чтобы в том месте, которое находится возможно ближе к снаряду, эта мощность была больше, чем мощность для плазмы на большем удалении от снаряда.
Проблема с указанными выше типами устройств состоит в том, что плазма имеет тенденцию к протеканию через ограничивающую ее конструкцию к электроду, необходимому для установления осевых электрических разрядов; при этом электрод должен находиться под высоким потенциалом относительно близких к нему металлических частей. Если плазма имеет высокую температуру в момент падения на электрод, то на электрод попадает множество носителей заряда, что приводит к понижению электрического сопротивления между электродом и металлическими частями. При этом возникает параллельный контур протекания тока, в который отбирается ток от желательных разрядов. При этом исходные электрические разряды в результате имеют тенденцию к затуханию. Для преодоления этой проблемы в известных ранее устройствах существовала общая практика проектирования конструкций, в которых электроды установлены на большем расстоянии от разрядной структуры. При таком построении устройства происходит значительное рассеивание температуры плазмы, что снижает число носителей зарядов плазмы, падающих на электрод. Однако такая удлиненная конструкция не является оптимальной для гильз (патронов) снарядов, предназначенных для использования в установках военного назначения.
Многие из указанных проблем были рассмотрены и разрешены в находящейся на одновременном рассмотрении, переуступаемой обычным образом, заявке Гольдштейна и др. (Lowe, Price, LeBlanc & Becker, реестр 277-042), озаглавленной "Гибридная электротермическая пушка с мягким материалом для запрета нежелательного потока плазмы и с зазорами для установления поперечного разряда плазмы", заявленной 26 октября 1994 г. В этой заявке раскрыт источник газовых импульсов высокого давления, в особенности приспособленный для ускорения снаряда вдоль ствола пушки. Этот источник включает в себя структуру, предназначенную для установления по меньшей мере нескольких осевых электрических разрядов в соответствующих осевых зазорах позади выходного отверстия; снаряд первоначально установлен непосредственно перед лицевой стороной выходного отверстия. При возникновении разрядов происходит образование потока плазмы с компонентами, идущими под прямыми углами относительно осевых разрядов в течение значительного промежутка времени, когда образуется импульс и пока снаряд проходит по стволу. Масса метательного взрывчатого вещества под воздействие возникающего от разрядов потока плазмы преобразуется плазмой в компоненту высокого давления газового импульса. Осевые зазоры (разрядные промежутки) устроены таким образом, чтобы после первоначального формирования импульса и его получения, то есть после того, как снаряд сдвигается от своего исходного положения, но все еще находится в стволе, мощность, которая прикладывается к плазме через зазоры, расположенные ближе к выходному отверстию, была больше прикладываемой к плазме мощности через зазоры, расположенные дальше от выходного отверстия. В результате к тыльной части (основанию) снаряда прикладывается большая мощность и давление, что приводит к более эффективному ускорению снаряда и к его более высокой скорости.
Чтобы избежать повреждения или разрушения конструкции для создания газового импульса высокого давления, например, пушки со стволом, осевые зазоры устроены таким образом, что при первоначальном создании плазмы и возникновении импульса, мощность, прикладываемая к плазме, главным образом одинакова для всех электрических разрядов.
Преимущественно, зазоры имеют стенки, которые эродируют (разъедаются) различным образом при воздействии разрядов таким образом, что во время приложения мощности к зазорам стенки зазоров, более близкие к выходному отверстию и снаряду, эродируют быстрее, чем стенки зазоров, более удаленные от выходного отверстия и снаряда. Первоначально развивающаяся во всех зазорах мощность является ориентировочно одинаковой. После однократного использования разрядной конструкции она выбрасывается, как это и происходит обычно для ускоряющих частей снарядных гильз.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения стенки зазоров, более близкие к снаряду, имеют более малые радиусы, чем стенки зазоров, более удаленные от снаряда, для того, чтобы создавать большую эрозию в стенках зазоров, более близких к снаряду, чем в стенках зазоров, более удаленных от снаряда. Аналогичный результат достигается установкой стенок зазоров, более близких к снаряду, ближе друг к другу, чем стенок зазоров, более удаленных от снаряда. Большая (более высокая степень) однородность начального приложения мощности к зазорам обеспечена комбинацией двух указанных выше факторов, то есть применением стенок зазоров, более близких к снаряду, с меньшим радиусом, чем у стенок зазоров, более удаленных от снаряда, и установкой стенок зазоров, более близких к снаряду, ближе друг к другу, чем стенок зазоров, более удаленных от снаряда. Длина зазора и радиус стенки должны изменяться постепенно от одного зазора к другому, чтобы половины зазоров, ближние к выходному отверстию, могли иметь одинаковую первую конфигурацию, в то время как зазоры, удаленные от выходного отверстия, могли иметь одинаковую вторую конфигурацию, которая отлична от первой конфигурации.
Использование зазоров с различной геометрией исходит из предположения, что в ходе разряда все длины зазоров увеличиваются. Увеличение длины более малых зазоров превышает увеличение длины больших зазоров. В результате образуется сдвиг мощности плазмы в направлении к фронту источника плазмы, где расположены меньшие зазоры. Аналогичным образом, по мере возрастания радиальных радиусов стенок зазора сопротивление плазмы в этом зазоре уменьшается, что приводит к меньшему рассеиванию мощности в таком зазоре при равной длине зазоров. Уменьшение рассеивания мощности в зазорах с более толстыми стенками приводит к меньшей эрозии с этих стенок, причем наблюдается меньшая эрозия толстых стенок, более удаленных от снаряда, по сравнению с более тонкими стенками, более близкими к снаряду.
Преимущественно, каждая стенка является частью элемента, имеющего внешнюю периферию позади (по ту сторону) стенки. Внешняя периферия образована не электропроводным материалом, который эродирует под воздействием плазмы с меньшей скоростью, чем материал стенки. В результате внешняя периферия сохраняет свою геометрию во время разряда, так что плазма, падающая на ее внешнюю поверхность, не изменяет разрядную структуру. Это позволяет обеспечить предсказуемые характеристики истечения плазмы из разрядной структуры в метательное взрывчатое вещество.
Источник электрической мощности, подключенный к структуре, обеспечивает сохранение практически постоянного давления, приложенного к снаряду, когда снаряд ускоряется в стволе, несмотря на то, что объем ствола между выходным отверстием источника высокого давления и основанием снаряда увеличивается. Для достижения этой цели источник мощности (силовой источник) первоначально создает электрический импульс высокой мощности для первоначального приложения плазмы высокого давления от многих разрядов к снаряду. Затем, после сдвига снаряда от его исходного положения, к зазорам прикладывается меньшая электрическая мощность. В этот момент времени запасенная потенциальная энергия массы метательного взрывчатого вещества преобразуется в давление, которое прикладывается к снаряду посредством ствола. Затем приложенная к зазорам электрическая мощность возрастает для увеличения давления плазмы, при этом давление, полученное от преобразованной массы метательного взрывчатого вещества, соответствующее полному давлению, приложенному к снаряду, остается ориентировочно постоянным, начиная от момента времени, который слегка сдвинут от момента первоначальной генерации разряда, до конца разряда, что обычно составляет около 1.000 микросекунд после возникновения первоначального разряда.
В этой известной конструкции масса метательного взрывчатого вещества именуется черным порохом. Однако преимущества безопасности более ранних электротермических устройств не включены в конструкцию этой находящейся на одновременном рассмотрении заявки. Кроме того, использование черного пороха в соответствии с этим известным решением, является не очень эффективным, так как фракция черного пороха сгорает слишком поздно для того, чтобы создать давление в основании снаряда. Кроме того, электрическая энергия может быть подана в импульс слишком поздно, в течение последней части импульса давления, когда давление постепенно снижается до нуля.
В связи с изложенным, основной задачей настоящего изобретения является создание нового и усовершенствованного устройства и способа для выработки газового импульса высокого давления, в особенности подходящего для создания перемещения снаряда в стволе пушки.
Другой задачей настоящего изобретения является создание новой и усовершенствованной снарядной гильзы и электротермической структуры для перемещения снаряда с высокой скоростью в стволе пушки.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание нового и усовершенствованного способа выработки газового импульса высокого давления из массы не газообразного материала, который является относительно инертным и, следовательно, безопасным при условиях окружающей среды, и который испаряется и вступает в химическую реакцию таким образом, что относительно большой процент потенциальной энергии при этом преобразуется в кинетическую энергию.
Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание нового и усовершенствованного электротермического устройства, которое включает в себя по меньшей мере несколько размещенных по оси зазоров для образования плазмы, которая истекает радиально по отношению к структуре, содержащей осевые зазоры, причем в устройстве использована масса метательного взрывчатого вещества, которое является относительно инертным при условиях окружающей среды, и большой процент которого преобразуется в кинетическую энергию.
Дальнейшей задачей настоящего изобретения является создание новой и усовершенствованной гильзы (патрона), которая включает в себя снаряд, связанный со структурой для выработки по меньшей мере нескольких смещенных по оси плазменных струй, которые втекают в метательное взрывчатое вещество, масса которого радиально смещена относительно структуры и является относительно инертной при условиях окружающей среды, однако имеет относительно большой процент потенциальной энергии, который преобразуется в кинетическую энергию.
В соответствии с первым аспектом в настоящем изобретении предлагается устройство для ускорения снаряда вдоль ствола пушки, имеющего продольную ось, включающее в себя структуру по меньшей мере с несколькими осевыми зазорами для установления по меньшей мере нескольких электрических разрядов позади снаряда. Разряды принуждают вытекать плазму с компонентами, направленными под прямыми углами относительно осевых разрядов, в течение существенного времени, когда снаряд перемещается в стволе. Масса метательного взрывчатого вещества под воздействием возникающего от разрядов потока плазмы преобразуется в газ высокого давления для ускорения снаряда в стволе в ответ на образование плазмы, возникающей от попадания разрядов на массу метательного взрывчатого вещества. Масса метательного взрывчатого вещества включает в себя твердое топливо и окислитель, которые не вступают в реакцию при условиях окружающей среды, когда часть топлива упирается в структуру. Топливо и окислитель испаряются и их температура поднимается за счет плазмы до температуры, достаточно высокой для развития экзотермической химической реакции, в результате протекания которой создается газовый импульс высокого давления, который прикладывается к снаряду. Осевые зазоры (разрядные промежутки) устроены таким образом, чтобы мощность, которая прикладывается к плазме через зазоры, расположенные ближе к снаряду, создавала первоначальное испарение топлива в самой ближней к снаряду области ранее испарения топлива в самой удаленной от снаряда области, с последовательным испарением более удаленного от снаряда топлива. Это устройство преимущественно содержит патрон, включающий в себя снаряд.
Преимущественно, зазоры (разрядные промежутки) устроены таким образом, что большая мощность приложена к зазорам, расположенным ближе к снаряду, чем к зазорам, более удаленным от снаряда. Кроме того, масса топлива представляет собой твердое вещество, ограниченное областью, расположенной в непосредственной близости от разрядов, а окислитель расположен во второй области, радиально позади той области, где расположено топливо. Окислитель может представлять собой жидкость, имеющуюся в первой и второй областях, или твердое тело, имеющееся во второй области. Преимущественно, топливо представляет собой порошок, расположенный в сетке с размерами ячеек меньше размера зерна порошка. Расположенная в области непосредственной близости масса топлива имеет уменьшающееся поперечное сечение вдоль структуры в направлении увеличения расстояния от снаряда. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения зазоры имеют стенки, которые эродируют различно при приложении разрядов, причем более быстрая эрозия наблюдается в стенках зазоров, более близких к снаряду, чем в стенках зазоров, более удаленных от снаряда. Стенки установлены на кольцах, соосных с осью структуры, причем диаметры колец, расположенных ближе к снаряду, меньше диаметров колец, более удаленных от него. Сетка имеет постоянный цилиндрический диаметр, соосный с кольцами. При таком построении создается эффект сопла для транспортирования топлива и окислителя к выходному отверстию для приложения газового импульса высокого давления к снаряду.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения стенки зазоров содержат твердый материал, например углерод, который испаряется в результате разряда и вступает в экзотермическую химическую реакцию с окислителем для образования части газового импульса высокого давления, который прикладывается к снаряду.
В соответствии с другим аспектом в настоящем изобретении предлагается устройство для создания газового импульса высокого давления вдоль продольной оси к выходному отверстию. Это устройство включает в себя структуру по меньшей мере с несколькими осевыми зазорами для создания по меньшей мере нескольких осевых электрических разрядов позади выходного отверстия. Разряды принуждают вытекать плазму с компонентами, направленными под прямыми углами относительно осевых разрядов. Масса метательного взрывчатого вещества под воздействием возникающего от разрядов потока плазмы преобразуется потоком плазмы в газовый импульс высокого давления. Зазоры имеют стенки, которые эродируют различно при приложении разрядов, и имеют более быструю эрозию в стенках зазоров, более близких к выходному отверстию, чем в стенках зазоров, более удаленных от выходного отверстия. Масса метательного взрывчатого вещества включает в себя твердое топливо и окислитель, которые не вступают в реакцию при условиях окружающей среды, когда часть топлива упирается в структуру. Топливо и окислитель испаряются и их температура поднимается за счет плазмы до температуры, достаточно высокой для развития экзотермической химической реакции, в результате протекания которой создается газовый импульс высокого давления, который прикладывается к выходному отверстию. Указанное устройство преимущественно используется для ускорения снарядов, в особенности снарядов, содержащих патроны (гильзы), которые включают в себя снаряд.
В соответствии с дальнейшим аспектом осуществления настоящего изобретения в нем предлагается способ создания газового импульса высокого давления, направленного к выходному отверстию, за счет химической реакции твердого топлива с не газообразным окислителем, путем инициализации испарения топлива в непосредственной близости от выходного отверстия, с последующим постепенным испарением топлива на большем расстоянии от выходного отверстия и с испарением окислителя. В ходе реакции окислитель и топливо находятся одновременно в парообразном состоянии. Реакция протекает таким образом, что первоначально к выходному отверстию прикладываются газовые реагенты высокого давления, наиболее близкие к выходному отверстию, и окислитель. С течением времени к выходному отверстию прикладываются газовые реагенты высокого давления, более удаленные от выходного отверстия, и окислитель. Топливо и окислитель не вступают в химическую реакцию при условиях окружающей среды.
Преимущественно, топливо испаряется приложением возникающей под действием электрических разрядов плазмы к топливу. Электрические разряды имеют большую мощность в плазме ближе к выходному отверстию, чем в плазме на удалении от выходного отверстия. Преимущественно, топливо выбирают из группы, которая включает в себя главным образом полиэтилен, углерод, нитрат триэтаноламмония (TEAN), бутират ацетат целлюлозы (CAB) и гидрозин боран, а окислитель выбирают из группы, которая включает в себя главным образом твердый нитрат аммония (HA), KClO4, NaClO4, водный раствор HA, жидкий гидроксил нитрата аммония (ГНА) а также раствор, содержащий H2O2. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения топливо и окислитель соответственно включают в себя полиэтилен и нитрат аммония, которые испаряются и вступают в химическую реакцию для создания газового импульса высокого давления в соответствии с реакцией
CH2 + 3NH4NO3 ---> CO2 + 7H2O + 3N2 + тепло. (1)
Альтернативно или дополнительно, топливо преимущественно включают в себя углерод, который испаряется и вступают в химическую реакцию с нитратом аммония в соответствии с реакцией
C + 2NH4NO3 ---> CO2 + 2N2 + 4Н2O + тепло (2)
Указанные ранее и другие характеристики и преимущества изобретения будут более ясны из последующего детального описания конкретного примера его выполнения, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг. 1 показан вид сбоку в сечении патрона (гильзы, снаряженного снаряда) в соответствии с настоящим изобретением, которым заряжают ствол пушки.
На фиг. 2 показан вид сбоку в сечении преимущественного варианта патрона, показанного на фиг. 1.
На фиг. 3 детально изображен участок патрона, показанного на фиг. 2.
На фиг. 4 приведена блок-схема источника питания для управления патроном фиг. 1-3.
На фиг. 5а и 5в показаны кривые электрической мощности и давления источника фиг. 4, которые прикладываются к структуре фиг. 1 и 2.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1, на которой показан патрон 10 с круговым поперечным сечением, коаксиальный с осью 42, который введен в казенную часть 12 пушки 14, содержащей металлический ствол 16 с цилиндрическим отверстием 18. После установки патрона высоковольтный электрод 20 патрона через контакты переключателя 22 подключают к высоковольтным клеммам 24 источника питания 26 постоянного тока, который имеет заземленную клемму 28, подключенную к внешней металлической стенке, образующей ствол 16. Обычно силовой источник 26 создает достаточную энергию для ускорения снаряда 30 патрона 10 в отверстии 18 и по его длине. Силовой источник 26 создает условия для выработки в патроне 10 импульса плазмы высокого давления, который взаимодействует с массой метательного взрывчатого вещества 31, которое включает в себя массу топлива 34 и массу окислителя 35. Масса метательного взрывчатого вещества 31 выделяет химическую энергию, которая создает импульс давления, который в сочетании с давлением плазмы приводит в движение снаряд 30. Типичные уровни энергии силового источника 26 имеют порядок 0,4- 1,6 МДж для орудия калибра 30 мм, с пиковым напряжением в диапазоне 4 - 20 кВ, с выдаваемой мощностью около ~ 1 ГВт.
Патрон 10 кроме снаряда 30 включает в себя разрядную структуру 32, имеющую круговое поперечное сечение и коаксиальную с осью 42, предназначенную для генерации плазмы высокого давления и высокой энергии при замыкании переключателя 22. Разрядная структура 32 окружена твердой, преимущественно порошкообразной массой топлива 34. Масса топлива 34 является достаточно инертной при условиях окружающей среды, то есть при атмосферном давлении и при температуре от -40 до 50oC, и ограничена не металлической сеткой 33 в непосредственной близости от структуры 32, за исключением крайнего кончика структуры. Предпочтительным материалом в качестве топлива 34 является полиэтилен, хотя могут быть использованы и другие материалы, например, углерод, TEAN, CAB и гидрозин боран.
Сетка 33 содержит электрически изолированные ячейки, размер которых мельче размера порошка, образующего массу топлива 34. Сетка 33 имеет цилиндрическую боковую стенку 37, коаксиальную оси 42 и окружающую разрядную структуру 32. Основание сетки 33 прикреплено к электрически изолированному блоку 106. На переднем конце разрядной структуры 32 имеется электрически изолированная шайба 80, с которой совмещена и в которую упирается плоская концевая шайба 39 сетки 33. Сетка 33 испаряется в поздней стадии электрического импульса за счет высокой температуры, создаваемой плазмой, возникающей в структуре 32.
Твердотельная или жидкая масса окислителя 35, который является безопасным в обращении (при нормальном обращении военного персонала) и не реагирует с топливом 34 при условиях окружающей среды, контактирует с топливом внутри сетки 33, окружает сетку и обычно заполняет объем внутри электрически изолированного патрона и корпуса 36, в направлении вперед от электрически изолированного блока 106. Альтернативно, вся масса твердого окислителя 35 может находиться вне сетки 33, причем такая конфигурация в некоторой степени безопаснее, чем в случае нахождения в контакте масс топлива и окислителя. Типичными материалами для массы твердого окислителя 35 являются твердый нитрат аммония (далее именуемый НА), KClO4, твердый NaClO4, водный раствор HA, жидкий гидроксил нитрата аммония (ГНА) и H2O2 в растворе с водой; обычно этот последний раствор содержит около 65% по весу H2O2. Масса топлива 34 преобразуется в газ высокого давления с относительно низкой температурой, а окислитель испаряется и разлагается на образующие молекулы за счет воздействия плазмы, выделяемой в структуре 32. Разложившийся окислитель и топливо вступают в химическую реакцию с созданием энергетического газа с низким атомным весом, который используется для придания ускорения снаряду 30.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, когда топливом является CH2, а окислителем NH4NO3, химическая реакция соответствует уравнению
CH2 + 3NH4NO3 ---> CO2 + 7H2O + 3N2 + 5,2 кДж/г реагента, (3)
Можно показать, что в гильзе калибра 120 мм, в которой НА уплотнен до 1,55 г/см2, а CH2 имеет плотность около 1 г/см2, содержится 8,7 л HA и 0,8 л CH2 с общим весом 14,3 кг и с химической потенциальной энергией 74 МДж, которая может быть преобразована ориентировочно в 17 МДж кинетической энергии при приложении устройством 26 к структуре 32 от 0,6 до 1,6 МДж электрической энергии.
По той причине, что масса топлива 34 и масса окислителя 35 являются чрезвычайно стабильными и не могут вступать в химическую реакцию до тех пор, пока к разрядной структуре 32 не приложена достаточная электрическая энергия, гильза (патрон) 10 может быть изготовлена без особых предосторожностей, которые не требуются также при ее техническом обслуживании. Обычно для превращения массы топлива 34 в пар требуется 1-2 кДж электрической энергии на 1 кг массы топлива. По той причине, что масса окислителя 35 свободно распадается раньше в течении импульса, приложенного к разрядной структуре 32, отсутствует риск развития чрезмерно высокого и, возможно, разрушительного давления в стволе 16.
Структура 30 устроена таким образом, что топливо в переднем конце патрона 10, то есть вблизи от основания снаряда 30, испаряется раньше топлива посредине и в задних участках патрона. Поэтому топливо содействует образованию высокого давления, прикладываемого к снаряду 30, в течение всего времени ускорения снаряда в стволе 16. Импульс мощности, приложенный источником 26 к структуре 32, и физическая конфигурация разрядной структуры таковы, что топливо надлежащим образом преобразуется в газ и соответствующим образом регулируется. Для обеспечения управляемого испарения массы топлива 34 важно, что она ограничена экраном 33 в непосредственной близости к структуре 32.
Из соображений безопасности в качестве топлива и окислителя выбраны соответственно полиэтилен и нитрат аммония. Кроме того, при испарении они создают больше энергии, чем черный порох или аналогичные известные ранее взрывчатые вещества. Продукты реакции полиэтилена и нитрата аммония имеют большую плотность, чем черный порох или аналогичные известные ранее взрывчатые вещества, так что эти продукты реакции могут быть приложены при заданном давлении (которое должен выдерживать ствол) к снаряду в течение более длительного периода времени для патронов с таким же объемом. Полиэтилен и нитрат аммония в значительной степени снижают температуру плазмы, так что ствол 16 плазмой не повреждается.
В результате выработки плазмы высокого давления в структуре 32, первоначально преобразованной массами 34 и 35 в газ высокого давления, снаряд 30, который первоначально был зафиксирован на хрупкой торцевой стороне 104 корпуса патрона 36, с ускорением вылетает из структуры 32. Когда торцевая сторона 104 разрывается за счет давления от плазмы, то образуется выходное отверстие для газового импульса высокого давления, вырабатываемого химическим и электрическим источниками. В результате этого снаряд 30 приводится в движение по оси отверстия 18 ствола 16.
Как показано на фиг. 2, патрон 10 содержит выступающий в осевом направлении металлический стержень 40, который коаксиален с продольной осью 42 отверстия ствола 18. Один из концов металлического стержня 40 выступает в заднем направлении за металлическую тыльную стенку 100 корпуса патрона 36 и имеет резьбу 44, на которую навинчен цилиндрический металлический электрод 20, который предназначен для избирательного приложения высокого напряжения от выводов 24 источника 26 высокого напряжения. Металлический стержень 40 вставлен в электроизоляционную трубку 46 практически по всей его длине, от электрода 20 до конца металлического стержня, ближайшего к снаряду 30. По внешнему диаметру стержень 40 надлежащим образом соединен, например, приклеен, к внутренней поверхности трубки 46.
Структура для выработки по меньшей мере нескольких, например, 13 осевых разрядов в направлении оси 42 включает в себя распределенные по оси кольца 50.1 - 50.12 и металлическую втулку 52, которые коаксиальны, расположены по окружности и соединены с изоляционной трубкой 46. (В том случае, когда кольца 50.1 - 50.12 упоминаются в общем виде, то они могут именоваться как кольца 50 или каждое из колец 50). Как это подробно показано на фиг. 3, каждое из колец 50 содержит металлическую, а преимущественно изготовленную из углерода, внутреннюю часть 54, имеющую внешнюю кольцевую (в поперечном сечении) стенку, соединенную с внутренней цилиндрической стенкой электрически изолированного кольцевого внешнего участка 56. Металлическая часть 54 каждого из колец 50 имеет идущую в радиальном направлении стенку 58, которая совмещена с соответствующей идущей в радиальном направлении стенкой 60 кольцевого участка 56. Кольцевой участок 56 изготовлен из такого материала (например, из каптона или лексана), который эродирует со значительно меньшей скоростью, чем металлическая стенка 58, при приложении электрического разряда, который устанавливается в зазоре (промежутке) 62 между смежными, обращенными друг к другу металлическими стенками 58 смежных колец 50. Для уменьшения первоначального потребления энергии от источника высокого напряжения 26 применена расплавляемая металлическая проволока 64 (фиг. 3), которая проходит между обращенными друг к другу стенками металлических частей 54 смежных колец 50 и соединяет их. Проволока 64 обрывается при первоначальном подводе мощности от источника 26 к электроду 20 при замыкании переключателя 22.
Каждое из колец 50 содержит паз 66, направленный по оси вдоль его внутренней, идущей по окружности, стенки. Каждый из пазов 66 идет от участка стенки 58 к осевому центру каждого из колец 50 на расстояние, которое превышает эрозию стенки 58 при подводе мощности от источника 26 к электроду 20. Пространство между обращенными друг к другу стенками пазов 66 пары смежных колец 50 заполнено идущими в осевом направлении электрически изолированными шайбами 68, имеющими осевой конец и кольцевые (идущие по окружности) стенки, которые опираются в конец и идущие по окружности стенки пазов 66 для фиксации колец 50 по месту, при сохранении разрядного промежутка 62. Аналогичный паз 70 предусмотрен на конце втулки 52, смежном с кольцом 50.12, и заполнен электрически изолированной шайбой 72, при помощи которой создается зазор между кольцом 50.12 и втулкой 52, который в основном такой же, как и разрядный промежуток между смежными обращенными друг к другу стенками 58 колец 50.11 и 50.12.
Весь узел колец 50 и шайб 68 и 72 зафиксирован по месту при помощи узла 74 на конце металлического стержня 40, ближайшего к снаряду 30. При помощи узла 74 обеспечивается также электрический путь от металлического стержня 40 к металлической части 54 кольца 50.1 и к дальнейшему осевому разрядному промежутку кольца 50.2. Для этой цели конец металлического стержня 40, ближайший к снаряду 30, соединен на резьбе с металлическим стаканом 78, имеющим заплечик, который упирается в электрически изолированную шайбу 80. Заплечик стакана 78 упирается также в торцевую сторону электроизоляционной трубки 82, которая идентична шайбам 68, соосна шайбе 80 и соединена с ней. Внешняя торцевая сторона трубки 82 заходит в паз 66 на переднем конце кольца 50.1 и упирается в торцевую сторону трубки 46. Один из концов шайбы 80 упирается в торцевую сторону трубки 46. Стакан 78 ввинчен в достаточной степени для того, чтобы оказывать давление посредством своего заплечика на трубку 82 и, следовательно, на стенку паза 66 кольца 50.1, ближайшего к снаряду 30, что вызывает ввод (заглубление) всех пазов колец 50 в соответствующие поверхности электрически изолированных шайб 68, для прижима шайбы 72 к стенке паза 70 во втулке 52. Так как втулка 52 приклеена к металлическому стержню 40, весь узел колец 50 и шайб 68 фиксируется по месту.
Для замыкания электрического пути протекания тока через осевые зазоры 62 между участками стенки 58 колец 50, торцевая стенка втулки 52, удаленная от колец, упирается и соединена с упорной торцевой стенкой металлической втулки 90, имеющей внутреннюю цилиндрическую стенку, которая при помощи клея соединена с внешней стенкой изоляционной трубки 46. Конец втулки 90, который упирается во втулку 52, имеет камеру 92, образованную в виде полости с осевой стенкой 94 и идущей на конус стенкой 96. В результате полостная камера 92 имеет открытый конец на пересечении с торцевыми сторонами втулок 52 и 90, и закрытый конец на пересечении со стенками 94 и 96. Стенка 96 идет на конус от конца втулки 90, ближнего к втулке 52, в направлении электрода 20 на конце металлического стержня 40. Камера 92 заполнена мягкой, не проводящей электрически твердой массой 98, такой как петролатум (вазелин). (Мягкий материал определен как материал, имеющий отношение Пуассона, равное ориентировочно 0,5, при котором единичное преобразование (переход) по длине материала ориентировочно равно единичному преобразованию по ширине материала, при приложении силы, которая прикладывается к материалу в направлении длины материала; при этом мягкий материал действует подобно водяному мешку, когда он сжат).
Плазма, образованная в разрядных промежутках 62, обычно истекает радиально наружу в массу топлива 34 и массу окислителя 35, которые окружают разрядную структуру 32. Однако некоторая часть плазмы имеет тенденцию к протеканию по оси разрядной структуры и по оси 42 в направлении к электроду 20. Если электрод 20 расположен достаточно близко к плазме, протекающей из области разряда к нему, и если камера 92 и масса 98 отсутствуют, то образуется путь с относительно низким электрическим импедансом между электродом 20 и заземленными металлическими втулками 52 и 90, которые являются частью обратного пути тока, текущего от высоковольтной клеммы источника питания 26 к стволу 16. Если образуется такой путь с относительно низким электрическим импедансом между электродом 20 и стволом 16, то количество энергии, подаваемой в разрядные промежутки между кольцами 50, будет недостаточно для обеспечения надлежащей работы источника газа высокого давления, который ускоряет снаряд 30 в отверстии 18 ствола. В известных ранее устройствах такие короткозамкнутые контуры устраняли путем увеличения длины гильзы, таким образом, чтобы плазма, попадающая на высоковольтный электрод, была относительно холодной, имела недостаточное количество носителей заряда для установления пути с импедансом от электрода на заземленный ствол пушки. Однако недостаток такого решения заключается в относительно большой длине гильзы.
Мягкая, электрически изолированная масса 98, загруженная в полостную камеру 92, позволяет сократить длину гильзы 10. Камера 92 и масса 98 находятся на пути потока плазмы от колец 50 к электроду 20, идущему вдоль прилегающих друг к другу поверхностей по окружности трубки 46 и втулки 90. При воздействии высокого давления плазмы (например, несколько килобар), мягкий материал (1) сжимается по оси в направлении к задней части камеры 92, где встречаются стенки 94 и 96, и (2) расширяется радиально, упираясь в стенки 94 и 96. В результате образуется уплотнение с высоким электрическим импедансом на пути потока плазмы, который стремится установиться от колец 50 к электроду 20 через "прилегающие крайние" поверхности трубки 46 и втулки 90.
Для замыкания пути электрического разряда тока к отрицательному зажиму источника питания 26 корпус патрона содержит короткий стальной стакан (цилиндр) 100, который на одном из концов имеет резьбу, при помощи которой он соединен с концом металлической втулки 90. Внешняя цилиндрическая стенка короткого стакана 100 упирается во внутреннюю цилиндрическую стенку металлического ствола 16, при этом создается полный контур протекания тока высоковольтного источника питания 26, когда переключатель 22 замкнут.
Остальная часть корпуса гильзы образована электрически изолированной трубой 102, которая имеет электрически изолированную хрупкую торцевую стенку 104. Внешняя цилиндрическая стенка трубы 102 прилегает (упирается) к внутренней стенке ствола 16 и, в этом положении упора, имеет достаточную толщину для того, чтобы выдержать давление, создаваемое разрядами плазмы в зазорах 62, и выдержать давление, создаваемое массой метательного взрывчатого вещества 34, которая (масса) окружает разрядную структуру и находится перед ней. Хрупкая торцевая стенка 104, с которой связан снаряд 30, разрывается под действием высокого давления, производимого химической реакцией массы топлива 34 и массы окислителя 35 в результате их испарения посредством плазмы высокого давления, полученной из разрядных промежутков 62. Область позади массы метательного взрывчатого вещества 31 до торцевой стенки короткого стакана 100 заполнена пластмассовым, электрически изолированным твердым наполнителем 106.
Масса топлива 34 и масса окислителя 35 упакованы в области патрона 10, простирающейся от торцевой стенки 104 до района, расположенного слегка позади зазора 62 между кольцом 50.12 и втулкой 52, чтобы обеспечить путь для потока плазмы, вырабатываемой в зазорах 62, до задней торцевой стенки, то есть до основания снаряда 30. После установления плазменного разряда между зазорами 62 плазма истекает из зазоров в радиальном направлении, поперечно разрядам в зазорах 62. Затем плазма течет через массу топлива 34 и массу окислителя 35, главным образом параллельно оси 42, а затем вызывает разрыв торцевой стенки 104 и ускоряет снаряд 30. Плазма с высокой температурой и высоким давлением взаимодействует с массой топлива 34 и массой окислителя 35, вызывая их испарение и создавая другую компоненту газа высокого давления, которая течет главным образом параллельно оси 42 в направлении к снаряду 30. Газовые компоненты от плазмы и продукты реакции масс испаренного топлива и окислителя комбинируют для придания высокой скорости снаряду 30, вылетающему из ствола 16.
Для обеспечения максимальной эффективности передачи мощности от импульсного источника давления, который включает в себя осевые разряды в зазорах 62, и максимальной эффективности передачи давления реагентов, полученного за счет химической реакции массы топлива 34 и массы окислителя 35, желательно прикладывать очень высокое давление возможно ближе к основанию снаряда 30, при его нахождении в стволе на достаточном расстоянии от его исходного положения. Такое высокое давление может быть получено подведением значительно большей мощности к зазорам 62 разрядной структуры 32, которые расположены ближе к снаряду, чем к зазорам, которые расположены дальше от снаряда, после того, как снаряд 30 существенно сдвинулся от исходного положения и движется в стволе 16. Однако в том случае, когда во фронтальных зазорах 62 имеется существенно большая мощность, чем в остальных зазорах, тогда позади снаряда 30 имеется малый объем (в момент первоначального ускорения снаряда и в течение нескольких микросекунд после этого), и в этом малом объеме создаются существенные дифференциальные волны давления. Эти существенные дифференциальные волны давления могут иметь такую амплитуду, что могут оказывать вредное или даже разрушительное действие на структуру, которая содержит (ограничивает) газ высокого давления в пушке 14.
Для разрешения этой проблемы ориентировочно одна и та же мощность подводится первоначально к каждому зазору 62 между кольцами 50.1 - 50.12 и к зазору между кольцом 50.12 и втулкой 52. Зазоры 62 устроены таким образом, что они имеют различные эрозионные свойства в функции времени в течение протекания разрядов в зазорах. Эррозионные свойства таковы, что во фронтальных зазорах рассеивается существенно большая мощность, чем в остальных зазорах, после того, как снаряд 30 существенно сдвинулся от исходного положения и движется в стволе 16, так что волны дифференциального давления не оказывают вредного влияния на структуру, которая содержит (ограничивает) газ высокого давления в пушке 14. По той причине, что дифференциальное давление распределено главным образом по относительно большой поверхности внутренних стенок отверстия ствола 16, вредное или разрушительное действие на ограничительную структуру отсутствует.
Эффект дифференциальной эрозии обеспечивается за счет изготовления металлических частей 54 каждого из колец 50 из одного и того же материала, преимущественно углерода (так в подлиннике, хотя углерод и не является металлом. - прим. переводчика), и за счет постепенного изменения геометрии стенок металлических частей от передних к задним зазорам. Геометрии таковы, что первоначально (непосредственно после разрыва плавкой проволоки 64) электрическое сопротивление каждого зазора 62 одинаково, что приводит к ориентировочно одинаковому рассеиванию мощности в каждом зазоре. С течением времени в ходе разряда образуется большая эрозия и происходит большее рассеивание мощности в передних зазорах 62, например, между кольцами 50.1 и 50.2, чем в задних зазорах, например, между кольцами 50.12 и втулкой 52. В показанном на фиг. 3 варианте, длины зазоров 62 постепенно уменьшаются, так что самый короткий зазор имеется между кольцами 50.1 и 50.2, чуть больший зазор имеется между кольцами 50.2 и 50.3, а самый длинный зазор имеется между кольцами 50.12 и втулкой 52, причем между кольцами 50.11 и 50.12 имеется зазор, чуть меньший относительно самого длинного зазора, и т.д. Кроме того, металлические зоны стенок коротких передних зазоров становятся постепенно все меньшими в сравнении с металлическими зонами стенок задних зазоров что обеспечено меньшим радиусом металлической части зазора, образованного металлическими кольцами 50.1 и 50.2 в сравнении с радиусом металлической части 54 зазора, образованного кольцами 50.2 и 50.3, который, в свою очередь, меньше радиуса металлической части 54 зазора, образованного кольцами 50.3 и 50.4, и т.д. При установленной геометрии первоначально сопротивления каждого из зазоров 62 ориентировочно одинаковы, так что рассеивание мощности в каждом из зазоров также ориентировочно одинаково в начале разряда.
С течением времени в ходе разряда образуется большая эрозия из стенок 58 металлических частей 54 самого переднего зазора 62 между кольцами 50.1 и 50.2, чем в любом из других зазоров. Это происходит потому, что имеется гораздо большая эрозия металла в самых передних зазорах, чем в других зазорах. Сопротивление, рассеивание мощности и скорость эрозии в узких и имеющих малые радиусы самых передних зазорах превышают эти параметры для более широких задних зазоров с большими радиусами, так как (1) квадратичная зависимость, которая существует между диаметром и площадью поверхности, приводит к большему сопротивлению самого переднего зазора, пропорциональному квадрату отношения радиальной толщины, по сравнению с сопротивлением следующего более заднего зазора, что, в свою очередь, вызывает рассеивание мощности в самом переднем зазоре, которое в 4 раза меньше рассеивания в следующем более заднем зазоре, и (2) при этом большая энергия рассеивается в узком самом переднем зазоре, чем в более длинных зазорах, следующих за ним. Таким образом, с течением времени в ходе разряда, большая мощность, которая первоначально подводилась к массе топлива 34, наиболее близкой к снаряду 30, затем начинает подводиться к следующему сегменту массы топлива, более удаленному от снаряда.
Так как передние кольца 50 имеют меньший радиус, чем расположенные позади них кольца, а сетка 33 имеет постоянный радиус, то имеется больше топлива в передней части патрона, где существует большее рассеивание мощности, чем в задней части патрона. Такое построение благоприятствует развитию большего давления в непосредственной близости от снаряда 30 и содействует приближению скорости испарения топлива к идеальному соотношению, которое должно быть линейным во времени. За счет создания линейной скорости испарения топлива в функции времени можно управлять пиковым давлением в стволе 16, чтобы избежать повреждения ствола и поддерживать постоянное ускорение снаряда при его движении в стволе.
В то время как желательно увеличение длины зазора и радиуса зазора указанным выше образом, следует иметь в виду, что в определенной степени подобные ранее описанным результаты могут быть получены сохранением длины зазора или радиуса зазора на постоянном уровне, при изменении другого параметра. Однако при таких альтернативах достаточно сложно обеспечить однородное первоначальное распределение мощности по всем зазорам вдоль длины разряда.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения масса топлива 34 и масса окислителя 35 представляют собой соответственно твердый порошок полиэтилена (CH2) и нитрат аммония (NH4NO3) в виде раствора или твердого тела. Мощность образованной в структуре 32 плазмы достаточно велика для того, чтобы создать достаточно высокую температуру для начала процесса испарения NH4NO3 всего через несколько микросекунд после подачи от источника питания 26 импульса на структуру 32. Первоначально происходит испарение порции полиэтиленового топлива, наиболее близкой к снаряду 30, в зазоре между кольцами 50.1 и 50.2, так как первоначально в этом зазоре имеется наибольшая мощность плазмы и самая высокая температура, после первоначального интервала постоянного давления. В результате испарения полиэтилена в зазоре между кольцами 50.1 и 50.2, развивается описанная ранее экзотермическая химическая реакция как результат принудительного радиального удаления испаренного топлива из структуры 32 при посредстве плазмы высокого давления. В другом варианте изобретения использованы электроды из углерода; в этом случае углерод испаряется из электродов и из стенок зазора между кольцами 50.1 и 50.2 и втекает в виде газа радиально в массу окислителя 35 для экзотермической химической реакции с окислителем в соответствии с образованием + 850 кДж/моль продуктов реакции. При помощи крышек 56 втекание жидкого металла в зону реакции в значительной степени предотвращено, что сводит к минимуму взаимодействие с газообразным реагентом. Газообразные продукты обеих реакций объединяют и их поток направляют через выходное отверстие гильзы, созданное разрывом диафрагмы 104; эти газовые потоки воздействуют на снаряд 30 и вызывают его ускорение в отверстии ствола 18.
После инициализации реакций массы топлива 34 в непосредственной близости от зазора между кольцами 50.1 и 50.2 и углерода на стенках этих колец, аналогичные реакции происходят в результате испарения массы топлива и углерода на стенках колец зазора между кольцами 50.2 и 50.3. Затем происходит последовательное испарение масс топлива в функции расстояния от снаряда 30, с сопутствующими химическими реакциями, в результате чего создаются последовательные области, в которых отсутствуют твердые или жидкие материалы, препятствующие протеканию (течению) газообразных продуктов реакции к снаряду. При протекании реакций топливо и окислитель постепенно перемещаются через разорванную диафрагму 104 к переднему концу гильзы, в область непосредственной близости к срезу (выходному отверстию) ствола. Важно, чтобы топливо было замкнуто (ограничено) в непосредственной близости от разрядной области между кольцами 50, чтобы обеспечить адекватную теплопередачу для топлива, которое имеет относительно высокую температуру испарения.
Для содействия направлению газообразных продуктов реакции к тыльной части (основанию) снаряда 30, внутренняя стенка корпуса 102 (коаксиальная с осью 42) идет на конус, как это видно на фиг. 2, в сторону диафрагмы 104, чтобы создать эффект сопла. Такое построение заставляет жидкий окислитель перемещаться к тыльной части гильзы, а затем поступать через отверстие, образованное в разорванной диафрагме 104, для того, чтобы вступать во взаимодействие с плазмой высокой мощности и испаряться плазмой высокой мощности, вытекающей радиально из структуры 32. Преимущество использования жидкости в качестве массы окислителя 32 заключается в том, что жидкость при необходимости легко подать насосом (накачать) в гильзу в полевых условиях. Кроме того, жидкий окислитель может быть загружен в патрон с большей плотностью, чем твердый порошок; однако имеется большее (лучшее) перемешивание твердого порошкообразного окислителя с порошкообразным топливом, чем это может быть достигнуто при использовании жидкого окислителя.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления импульсного источника питания 26, показанным на фиг. 4, он включает в себя высоковольтные импульсные формирователи высокой мощности 110 и 112, которые предварительно заряжаются от высоковольтного источника 114 постоянного тока. На фиг. 5а приведена кривая мощности на клемме 24 для интервала времени, который начинается после замыкания контактов переключателя 22 (фиг. 1) и длится ориентировочно 1025 мкс. Этот период времени является типичным для орудия 30 мм калибра. Большее время требуется для более мощных пушек. Выходные контакты импульсных формирователей 110 и 112 подключены к выходу 24 импульсного высоковольтного источника питания 26, таким образом, что напряжения импульсных формирователей на выходе 24 складываются. Для независимой подачи на выход 24 напряжений импульсных формирователей 110 и 112 предусмотрены отдельные контакты 22A и 22B, которые подсоединяют, соответственно, выход источника 110 и выход источника 112 к выходной клемме 24. В соответствии с данным вариантом осуществления настоящего изобретения, импульсный формирователь 110 первоначально создает импульс (фиг. 5а) с начальным (сниженным) участком меньшего наклона 111, за которым следует закругленный участок 112, затем следует относительно постоянный участок 113 и, наконец, спадающий участок 114. Напротив, импульсный формирователь 112 создает линейно возрастающий участок 115, который быстро спадает до нуля после достижения максимального значения на участке импульса 114. Альтернативно, как показано штриховой линией, импульсный формирователь 110 первоначально создает участок 116 с пиковой мощностью, которая превосходит мощность на участке 113, и которая затем снижается до участка 113 со скоростью, ориентировочно равной скорости перехода участка 111 в участок 113. Альтернативно, формирователь 112 создает выходную мощность, имеющую изменения, аналогичные описанным. Участок импульса мощности 116 в некоторых случаях необходим для первоначального заполнения объема камеры сжатым газом, давление которого близко к пиковому давлению, необходимому для ускорения снаряда 30.
По фронту малого наклона участка 111 на выходе формирователя 110 происходит разрыв проволоки 64 в зазоре 62, что приводит к образованию импульса плазмы высокого давления в зазорах между кольцами 50, также как и между кольцом 50.12 и втулкой 52. Первоначально имеется очень быстрое возникновение плазмы, при котором имеется начальная очень высокая скорость изменения давления, прикладываемого к основанию снаряда 30, что показано участком 124 кривой изменения давления в функции времени, показанной на фиг. 5в. За участком кривой 124 следует участок постепенного перехода 125.
Для поддержания приблизительно постоянным приложенного к основанию снаряда 30 давления для всего интервала ориентировочно 1000 мкс, в течение которого снаряд ускоряется в отверстии ствола 18, что показано участком кривой 132, выходной импульс мощности формирователя 112 имеет наклонный возрастающий участок 115. Приложенное к снаряду давление начинает уменьшаться, как это показано участком 134, немедленно после спада импульсов формирователей 110 и 112. Преимущественно, эти спады импульсов совпадают по времени с проходом снарядом 30 дульного среза отверстия ствола 18. Увеличение (объема) плазмы в зазорах 62, вызванное приложением возрастающего участка 115 выходного импульса формирователя 112, создает большее давление, прикладываемое к снаряду 30, и приводит к испарению дополнительных порций массы топлива 34. Кумулятивные эффекты таковы, что комбинированное давление на основании снаряда 30 остается относительно постоянным, вне зависимости от возрастания объема в отверстии ствола 18 между выходным отверстием гильзы 10 и основанием снаряда 30 по мере его перемещения в стволе 16. Импульсный формирователь 112 создает плавно возрастающую мощность, что приводит к плавному возрастанию давления, так как при ступенчатом увеличении мощности и, следовательно, давления в стволе 16, может образовываться избыточное давление, которое может оказывать отрицательное и даже разрушительное воздействие на пушку 14.
Несмотря на то, что был описан предпочтительный вид осуществления изобретения, совершенно ясно, что он был дан в качестве примера, не ограничивающего область применения изобретения. В изобретение специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, не выходящие за рамки его патентных притязаний, полный объем которых определяется приведенной далее формулой изобретения. Например, несколько из описанных выше структур могут быть включены в параллель, при этом протекающие в параллельных структурах газы могут быть просуммированы для создания импульса более высокой мощности, как это раскрыто в патенте США N 5072647.
Формула изобретения: 1. Устройство для создания газового импульса высокого давления вдоль продольной оси к выходному отверстию, содержащее разрядный элемент, отличающееся тем, что оно снабжено взрывчатым веществом, а разрядный элемент выполнен продолговатой формы с по меньшей мере несколькими зазорами по длине для создания по меньшей мере нескольких электрических разрядов, направленных вдоль оси продолговатого разрядного элемента сзади выходного отверстия для принудительного распространения плазмы с компонентами под прямым углом относительно направления электрических разрядов, причем зазоры образованы стенками, выполненными с различными скоростями эрозии при приложении электрических разрядов, причем скорость эрозии стенок по направлению к выходному отверстию возрастает, взрывчатое вещество состоит из твердого топлива и окислителя, которые не вступают в реакцию друг с другом в условиях окружающей среды и испаряются под воздействием возникающего от электрических разрядов потока плазмы с подъемом температуры за счет взаимодействия с плазмой до температуры, достаточной для развития экзотермической химической реакции, в результате протекания которой создается газовый импульс высокого давления, который распространяется к выходному отверстию.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для ускорения снаряда вдоль ствола пушки с продольной осью и выходным отверстием оно снабжено продолговатым разрядным элементом с по меньшей мере несколькими зазорами по длине для создания по меньшей мере нескольких электрических разрядов по длине продолговатого разрядного элемента позади снаряда для принудительного распространения плазмы с компонентами, направленными под прямыми углами относительно направления электрических разрядов в течение существенного времени перемещения снаряда вдоль ствола пушки, при этом взрывчатое вещество под воздействием возникающего от электрических разрядов потока плазмы преобразуется в газ под высоким давлением, ускоряющим снаряд вдоль ствола пушки, причем в результате экзотермической химической реакции создается газовый импульс высокого давления, прикладываемый к снаряду, при этом зазоры выполнены так, что электрическая мощность, подведенная к плазме через зазоры, более близкие к снаряду, вызывает первоначальное испарение топлива, расположенного наиболее близко к снаряду, раньше, чем испарение топлива, самого удаленного от снаряда, при последовательном испарении от более близкого к более удаленному от снаряда топлива.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что зазоры выполнены по длине продолговатого разрядного элемента с возможностью возникновения электрического разряда большей мощности в зазорах, расположенных ближе к снаряду, чем в зазорах, удаленных от снаряда.
4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что в качестве топлива использовано твердое топливо, которое помещено в область, расположенную в непосредственной близости от зазоров, а окислитель расположен во второй области за топливом в радиальном направлении.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве окислителя использован жидкий окислитель, расположенный в первый и второй областях.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что твердое топливо в виде порошка размещено в первой области, причем сетка с размерами ячеек, меньшими размера зерна порошка, разделяет первую и вторую области.
7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что окислитель выполнен в виде твердого тела и размещена во второй области.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что твердое топливо в виде порошка размещено в первой области, окислитель размещен как в первой, так и во второй областях, причем сетка с размерами ячеек, меньшими размера зерна порошка, разделяет первую и вторую области.
9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что часть объема топлива выполнена с уменьшающимся поперечным сечением вдоль продолговатого элемента в направлении увеличения расстояния от выходного отверстия.
10. Устройство по любому из пп.1 - 9, отличающееся тем, что зазоры образованы стенками, выполненными с различными скоростями эрозии при приложении разрядов, причем степень эрозии стенок по направлению к выходному отверстию возрастает, при этом стенки являются частью колец, коаксиальных с осью продолговатого разрядного элемента, причем диаметры колец, расположенных ближе к выходному отверстию, меньше диаметров колец, более удаленных от него, при этом сетка содержит цилиндрическую стенку постоянного диаметра, соосную с кольцами.
11. Устройство по любому из пп.6 - 10, отличающееся тем, что продолговатый разрядный элемент, сетка, топливо и окислитель расположены в патроне, внутренняя полость которого выполнена в виде конуса, соосного с кольцами с вершиной по направлению к снаряду для образования структуры, подобной соплу, при использовании жидких топлива и окислителя.
12. Устройство по одному из пп.4 - 11, отличающееся тем, что часть объема топлива и окислителя расположена в корпусе с внутренними стенками с конфигурацией, подобной соплу, для направления топлива и окислителя в жидком виде к выходному отверстию.
13. Устройство по одному из пп.1 - 12, отличающееся тем, что зазоры образованы стенками, которые эродируют с различными скоростями при приложении разрядов, причем скорость эрозии стенок по направлению к выходному отверстию возрастает.
14. Устройство по одному из пп.1 - 13, отличающееся тем, что стенки зазоров содержат твердый материал, который испаряется в результате разряда и вступает в экзотермическую химическую реакцию с окислителем для образования части газового импульса высокого давления, который прикладывается к выходному отверстию.
15. Устройство по одному из пп.1 - 14, отличающееся тем, что стенки зазоров, более близких к выходному отверстию, выполнены меньшим радиусом, чем стенки зазоров, более удаленных от выходного отверстия.
16. Устройство по одному из пп.1 - 15, отличающееся тем, что стенки зазоров, более близких к выходному отверстию, расположены по оси продолговатого разрядного элемента ближе друг к другу, чем стенки зазоров, более удаленных от выходного отверстия.
17. Устройство по любому из пп.1 - 16, отличающееся тем, что стенки образованы несколькими элементами с внешними частями, расположенными вдоль продолговатого разрядного элемента, причем внешними частями являются крышки, изготовленные из материала, который эродирует под воздействием плазмы со значительной меньшей скоростью, чем скорость эрозии стенок.
18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что каждая крышка выполнена из электроизоляционного материала.
19. Устройство по п. 17 или 18, отличающееся тем, что часть элемента, который включает в себя стенку, изготовлена из углерода.
20. Устройство по п.10, отличающееся тем, что кольца выполнены из металла и расположены на продолговатом разрядном элементе с возможностью возникновения между стенками, являющимися частью колец, электрических разрядов.
21. Устройство по любому из пп.2 - 20, отличающееся тем, что устройство для создания газового импульса высокого давления вдоль продольной оси к выходному отверстию и снаряд установлены в патроне для заряжания в ствол пушки.
22. Способ создания газового импульса высокого давления, направленного к выходному отверстию, включающий принудительное испарение вещества, отличающийся тем, что в качестве вещества использованы твердое топливо и окислитель, не вступающие в химическую реакцию в условиях окружающей среды, причем сначала инициируют испарение окислителя и твердого топлива в непосредственной близости от выходного отверстия с последующим постепенным испарением окислителя и твердого топлива на большем расстоянии от него для осуществления химической реакции топлива с окислителем, находящихся одновременно в парообразном состоянии, с выделением газа, причем при осуществлении химической реакции между топливом и окислителем первоначально к выходному отверстию подводят газовые реагенты окислителя и топлива под высоким давлением, образующиеся около выходного отверстия, а с течением времени к выходному отверстию подводят газовые реагенты окислителя и топлива под высоким давлением, образующиеся на удалении от выходного отверстия.
23. Способ по п.22, отличающийся тем, что топливо испаряют за счет приложения плазмы к топливу, возникающей под действием электрических разрядов.
24. Способ по п.23 или 24, отличающийся тем, что прикладывают электрический разряд большей мощности в плазме ближе к выходному отверстию, чем в плазме на удалении от выходного отверстия.
25. Способ по любому из пп.22 - 24, отличающийся тем, что топливо выбирают из группы, которая включает в себя главным образом полиэтилен, углерод, нитрат триэтаноламмония (TEAN), бутират ацетат целлюлозы (CAB) и гидрозин боран, а окислитель выбирают из группы, которая включает в себя главным образом твердый нитрат аммония (НА), KClO4, NaClO4, водный раствор НА, жидкий гидроксил нитрата аммония (ГНА), а также раствор, содержащий H2O2.
26. Способ по любому из пп.22 - 24, отличающийся тем, что в качестве топлива и окислителя соответственно используют полиэтилен и нитрат аммония, которые испаряют для вступления их в химическую реакцию для создания газового импульса высокого давления в соответствии с реакцией
CH2 + 3NH4NO3 --> CO2 + 7H2O + 3N2 + тепло.
27. Способ по любому из пп.22 - 24, отличающийся тем, что в топливе используют углерод, который испаряют для вступления в химическую реакцию с нитратом аммония в соответствии с реакцией
C + 2NH4NO3 --> CO2 + 2N2 + 4H2O + тепло.