Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2015 » Октябрь » 6 » Проектирование конструкций ПАД и ТИГ.
19:28
Проектирование конструкций ПАД и ТИГ.

    Мы кратко разобрали особенности, области применения и составление рецептов смесей для пороховых аккумуляторов давления (ПАД) и простейших твердых источников газов. Сейчас рассмотрим основы проектирования конструкций ПАД.
    Основой конструкции любого ПАД или ТИГ является сборка из корпуса, шашки газогенерирующего состава, воспламенителя и пиропатрона. Пиропатрон это фактически электрозапал, включающий два провода со спиралью накаливания, корпус и каплю восприимчивого к нагреванию пиротехнического состава. Пиропатрон выполняет функцию капсюля, который дает луч пламени. Для усиления пламени и достижения оптимального давления в камере сгорания (где размещена шашка газогенерирующего состава), служит воспламенитель. Воспламенитель чаще всего представляет собой металлический корпус с отверстиями для пороховых газов или пакетик из алюминиевой фольги. Внутри размещен заряд крупного (иногда не графитованного) ружейного дымного пороха. Воспламенение заряда пороха приводит к разрыву мембраны из фольги, закрывающей отверстия в корпусе воспламенителя (или всего пакетика, если отдельного прочного корпуса воспламенитель не имеет). Это вызывает рост давления в камере сгорания и воспламенение шашки пиротехнического состава в поверхности.
    Иногда, если требуется поджечь шашку из медленно горящего состава, особенно при больших размерах шашки, небольшой заряд дымного пороха оказывается недостаточен для быстрого и надежного срабатывания ПАД. В таких случаях используют промежуточный воспламенитель в виде тонкой таблетки, тонкостенной трубки или небольшой цилиндрической шашки с несколькими каналами. Пороховые газы из воспламенителя проходят через канал шашки промежуточного воспламенителя, а затем, общими усилиями они воспламеняют рабочую шашку ПАД. Примером такой схемы может служить ПАД изображенный на рисунке.
 
    Цифрой 7 обозначена перфорированная трубка из пиротехнического состава, служащего промежуточным воспламенителем. Обычно используют тот же состав, что и в основной шашке, но, с добавлением компонентов, облегчающих воспламенение. Применение порошкового или гранулированного промежуточного воспламенителя почти никогда не встречается, так как, порошок сгорает неравномерно и забивает отверстия для истечения газов.
    После воспламенения основной шашки, начинает выделяться рабочий газ, в первые моменты времени он наиболее засорен твердыми продуктами горения смеси. Большая часть твердых примесей представлена оксидами металлов, реже, их тугоплавкими солями. Твердые продукты сгорания в ходе горения шашки спекаются в пористую массу. Рецептура шашки и условия ее сгорания (главным образом, давление и температура газообразных продуктов сгорания) должны быть подобраны таким образом, чтобы твердый остаток спекался в пористую массу, без плавления, перехода в парообразное состояние или образования монолитного слитка. Для отделения твердых продуктов сгорания всегда используется фильтрующая вставка, обычно это мелкая металлическая сетка, металлическая вата, тонкие металлические опилки, реже применяется стекловата, стеклоткань, керамические пористые вставки и пр. Фильтрующий элемент не только отделяет наиболее крупные частицы продуктов сгорания, но и сорбирует мелкую пыль в начале горения, когда сплошной пористой корочки из продуктов сгорания на поверхности шашки еще не образовалось.
    Очень важным моментом проектирования ПАД является охлаждение вырабатываемого газа. Охлаждение газа может происходить по нескольким механизмам: отдача тепла металлическим элементам конструкции, охлаждение газа при расширении, отдача тепла пористым фильтрующим вставкам (работает только в начале процесса горения, или для ПАД с временем работы до 1 сек), теплоотдача окружающей среде через металлический радиатор корпуса ПАД, затраты тепловой энергии на разложение твердых гранулированных веществ и пр. Среди более экзотических вариантов можно отметить систему охлаждения за счет теплопередачи через стенку радиатора при обтекании последнего набегающим потоком воздуха (например, при использовании ПАД на дозвуковых крылатых ракетах и БПЛА).
    Использование гранулированных химических охладителей встречается не часто, как в связи со значительной массой охладителя и его низкой химической стабильностью, так и из-за загрязнения вырабатываемого газа продуктами термического разложения охладителя. Например, при использовании в качестве охладителя карбамида, он выделяет в генерируемый газ аммиак, воду, водород, азот и пр. Разработаны ряд азосоединений, при разложении которых выделяется почти исключительно только азот, дополняющий вырабатываемый газ. Если к вырабатываемому газу предъявляются не слишком жесткие требования по чистоте, тогда использование твердого химического охладителя так же способствует и очистке газа от твердых примесей, которые оседают на поверхности гранул охладителя (особенно в начале работы ПАД, когда количество твердых примесей в газе максимально).
    Наиболее широкое применение находят охладители в виде мелкой металлической стружки или опилок. Принцип охлаждения аналогичен охлаждению пороховых газов в глушителях для стрелкового оружия.
    В различных областях находят применение ПАД вырабатывающие азот или более сложные смеси газов, предпочтение отдается азоту. Температура, в зависимости от области применения, должна находиться в пределах 30-720*С. Наибольшая температура допускается для ПАД, питающих турбину насосов или раскручивающие ТРД перед запуском. Средние температуры соответствуют ПАД для вытеснения жидкостей со средней химической устойчивостью (например, ракетное топливо или состав для автоматического тушения пожаров в моторно-трансмиссионном отделении бронетехники). Самые низкие температуры вырабатываемого газа требуется соблюдать при использовании ПАД для наддува спасательных жилетов, подушек безопасности автомобилей, спасательных трапов самолетов, поплавков аварийной посадки вертолетов на воду, спасательных плотов и пр. резинотканевых емкостей.
    Одним из методов снижения температуры вырабатываемого ПАД газа является смешение его с атмосферным воздухом. Данный метод применим лишь в случаях, когда есть возможность забора внешнего воздуха. Забор производится посредством инжекторного или иного соплового устройства. Вырабатываемый ПАД газ истекает с большой скоростью через центральное сопло, и создает разряжение в начальной части диффузора, разряжение засасывает в поток атмосферный воздух, который увлекается в надуваемую емкость. Температура смеси, подаваемой в емкость, зависит от начальной температуры газа, начальной температуры воздуха и их соотношения. Чем ниже требуется достичь давления в наполняемой емкости, тем больше можно увлечь в нее атмосферного воздуха и до более низкой температуры охладить вырабатываемый ПАД газ. Классическим примеров ПАД с инжекторным устройством забора внешнего воздуха, служит система наддува спасательных трапов самолетов и других крупных полимерных емкостей.
    Ниже представлены две схемы ПАД: для наддува топливных баков ракеты и аккумулятор давления системы привода газовых рулей.
    


    В обоих случаях конструкция ПАД рассчитана на высокое давление вырабатываемого газа и имеет солидный запас прочности, в конструкции используются качественные легированные стали и точные резьбовые соединения деталей. В случае аккумуляторов давления присутствует небольшой буферный резервуар, служащий для накопления вырабатываемого газа в начальный период работы ПАД и периодического расхода этого газа по мере необходимости. Чаще всего емкость выполнена овальной формы снаружи камеры сгорания. Это позволяет сэкономить на массе конструкции за счет постепенного сброса давления при переходе от внутренней емкости к внешней, а так же, упрощает охлаждение рабочего газа за счет передачи тепла через стенку корпуса и к несущим элементам конструкции. В отличие от соплового блока ЖРД, выделение тепла при работе ПАД не достаточно для искривления и коробления несущих элементов конструкции ракеты (или иного носителя данного ПАД), поэтому отвод тепла от корпуса ПАД к элементам крепежа не имеет негативных последствий. Для увеличения теплоотдачи от корпуса ПАД в окружающей среде иногда на корпусе выполняют ребра наподобие радиатора охлаждения. Но, это решение используется только на ПАД с большой продолжительностью работы и почти никогда не встречается на ракетах (за исключением некоторых дозвуковых крылатых ракет).
    Размещение камеры сгорания внутри ПАД создает постепенный перепад давления от камеры сгорания к внешней среде. Внешняя камера с охладителем и/или накопительная буферная емкость имеет более низкое давление, что позволяет частично компенсировать нагрузку на стенку камеры сгорания. Если перепад давления между камерой сгорания и внешней средой составит сразу атмосфер 80-120, тогда стенку придется делать значительно толще. Данный принцип иногда применяется на глубоководных аппаратах и в ряде других случаев, когда нужно при минимальной массе обеспечить прочность конструкции при большом перепаде давления с внешней средой.
    Часто необходимо обеспечить быстрое выделение большого количества газа за минимальное время. Наиболее простой и часто встречающийся метод – увеличение поверхности горения заряда за счет использования заряда из нескольких дисков (или иных элементов с развитой поверхностью), или применение таблетированного заряда. На рисунке представлен вариант ПАД с таблетированным пиротехническим составом.
    
    Российской промышленностью отработаны модели ПАД с диаметром шашек 20-260 мм, способные обеспечить выработку азота в количестве от нескольких грамм в секунду до двух килограмм в секунду. При этом время работы может составлять 0,02 – 45,00 секунд. Среди самых мощных и, в то же время, быстродействующих генераторов азота можно назвать системы запуска баллистических ракет с подводных лодок из подводного положения.
    В зависимости от давления вырабатываемого газа и продолжительности работы, корпус ПАД может быть выполнен как или сравнительно тонкой жести, так и из штампосварных или точеных массивных деталей. Обычно используются низколегированные конструкционные или специальные стойкие к коррозии легированные стали. Из специальной термической обработки элементов корпус иногда применяется нормализационный отжиг для снятия напряжения после сварки или штамповки.
     Для предотвращения разрыва корпуса ПАД при неисправности, некоторые ПАД, работающие длительное время при высоком давлении, оснащаются аварийным клапаном сброса давления из камеры сгорания.

Категория: Энергонасыщенные соединения | Просмотров: 911 | Добавил: Chemadm | Теги: ПАД, ТИГ, твердые источники газов, пороховые аккумуляторы давления | Рейтинг: 5.0/4
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]