СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

Финочио Д., мл. {Dan F. Finochio)

Порядок расположения материала в данной главе был выбран в предположении, что большинство читателей интересуют сле­дующие вопросы: что такое взрывающиеся проволочные мостики (ВПМ), каковы их преимущества по сравнению с обычными системами инициирования и как они применяются? Вопрос о том, какие явления происходят при взрыве проволочек, отступает на второй план. По этой причине раздел «Теория взрыва про­волочек» помещен в конце главы. Прежде чем читатель присту­пит к этому разделу, он сможет на основе практических сообра­жений установить целесообразность использования ВПМ для интересующей его системы. Затем у него, возможно, появится желание ознакомиться хотя бы с одной приемлемой теорией и выяснить, что же действительно происходит при взрыве про­волочек.

Явление взрыва проволочных мостиков известно давно. Оно исследовалось уже в 1774 г., когда Нэрн использовал взрывающиеся проволочки для доказательства одинакового значения силы тока во всех элементах последовательной цепи.

Явление взрыва тонких проволочек под действием электри­ческого тока стало представлять практический интерес начиная с 1920 г. когда Андерсон [1] показал, что температуры, возни­кающие в данном процессе, приближаются к температурам Солнца.

Приблизительно с 1945 г. исследование явления взрыва про­волочек приобрело значительный размах благодаря установлен­ным преимуществам высокой скорости развития процесса взрыва и расширению области применения взрывающихся проволочек: в генераторах ударных волн, источниках света и инициаторах для зарядов ВВ. В последнем случае энергия, высвобождающаяся при взрыве мостика, непосредственно вызывает детонацию мало­чувствительного основного заряда ВВ без использования иници­ирующих ВВ, обладающих высокой чувствительностью. К настоя­щему времени опубликован ряд отчетов по исследованию взры­вающихся проволочек [2].

ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМСЯ ПРОВОЛОЧНЫМ МОСТИКОМ

Эта система содержит взрывающийся элемент, который ини­циируется мощным электрическим импульсом (напряжением до 2500 в) с заданной амплитудой и временем нарастания. При взрыве прополочного мостика происходит детонация заряда ВВ. Система с ВПМ в целом предстапляет собой комплекс электрон­ных и взрывных элементов и состоит из трех отдельных, но взаимо­связанных компонентов: электровзрывного устройства, электро­кабеля и блока питания (фиг. 7.1). Электровзрывное устройство’

СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

3

Ф и г. 7.1. Схема устройства с взрывающимся проволочным мостиком. 1 — электровзрывное устройство; 2 — электрокабель; з — блок питания.

Является концевым элементом системы с ВПМ и может применять­ся в воспламенителях, детонаторах, газогенераторах, пиропатро­нах, пировыключателях, пироклапанах, пирорезаках, пиро­толкателях, поршневых приводах и др. Блок питания является входным элементом системы с ВПМ и обеспечивает подачу кратко­временного импульса энергии (1,69 дж) высокого напряжения, требуемой для надежного срабатывания электровзрывного устрой­ства. Электрокабель связывает оба элемента в единую систему и служит для передачи электрической энергии от блока питания к взрывающемуся проволочному мостику. Ниже будет рассмотрен в отдельности каждый из трех элементов системы ВПМ.

ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЕ УСТРОЙСТВО

Электровзрывное устройство обеспечивает быстрое выделение мощного импульса энергии (в виде тепла, фронта пламени, дав­ления или ударной волны), который нельзя получить с помощью эквивалентных по размерам механических или электрических систем. Электровзрывные устройства применяются на ракетах или космических аппаратах для выполнения по команде опреде­ленных химических и механических функций как в земных, так и космических условиях. В качестве примеров могут служить

Системы зажигания ракетных двигателей, газогенераторы, систе­мы разделения ступеней ракет, отсечки тяги, регулирования подачи топлива в двигатель, удаления обтекателей, раскрытия панелей солнечных батарей и т. д.

Основные преимущества ВПМ.

1. Максимальная плотность энергии (наибольшее выделение энергии в единице объема) по сравнению с другими (неядерными) источниками.

2. Практически мгновенное выделение энергии.

3. Надежная воспроизводимость характеристик.

4. Разнообразие форм выделяемой энергии — тепло, давле­ние, пламя и свет.

При рациональном использовании взрывающихся проволоч­ных мостиков обеспечивается очень высокий коэффициент усиле­ния мощности (отношение выходной мощности к входной). Кроме того, при хранении в течение многих лет они сохраняют постоян­ную готовность к действию.

Электровзрывное устройство с замкнутой цепью содержит следующие элементы:

1. Проволочный мостик низкого сопротивления (менее 1 ом), приваренный или припаянный к концевым электродам, которые изолированы друг от друга и от корпуса с помощью керамиче­ских или других диэлектрических материалов.

2. Малочувствительный к внешним воздействиям заряд ВВ или пиротехнический состав, запрессованный около проволочного мостика (давление прессования составляет несколько сот атмосфер).

В последнее время проводились работы по созданию систем с ВПМ, электровзрывные устройства которых имеют разомкнутую цепь. В связи с отсутствием достаточного количества данных по характеристикам конструкций этого типа и их надежности здесь будут приведены только две характерные схемы с разомк­нутой цепью (фиг. 7.2—7.4).

ЭЛЕКТРОКАБЕЛЬ

Назначение электрокабеля — передача энергии высоковольт­ного разряда конденсатора от блока питания к взрывающемуся проволочному мостику (в электровзрывном устройстве) за доли микросекунды. Начальная сила тока I, проходящего по электро­кабелю, ограничена величиной, приблизительно равной входному напряжению Е, деленному на характеристический импеданс Я0(/ = Е! Ъ^). Начиная от этого уровня, сила тока приближается к значению, вычисляемому по закону Ома для постоянно­го тока, возрастая по ступенчатой зависимости с интервалом между ступенями, равным удвоенному времени передачи импуль-

СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

Фиг. 7.2. Детонатор коаксиального типа с ВПМ.

3 СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ— керамическая облицовка; 2 — электрод; з — керамический стер­жень; 4 —искровой промежуток; 5 — проволочный мостик; 6 — дето­нирующая смесь; 7 — электрод; 5 — металлическое покрытие.

СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

Ф и г. 7.3. Детонатор с двумя электродами и ВПМ.

1 — корпус; 2 — заряд тетранитрата пентаэритрита; 3 — гильза;

4 — уплотнение.

А

подпись: а

Керамическая втулка

подпись: керамическая втулка СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

О

подпись: о3

Ф и г. 7.4.

А м электрод; б — схема узла с искровым про­межутком.

Са по кабелю. Если нагрузка имеет фиксированное сопротивление, равное по величине характеристическому импедансу кабеля т то сразу же по достижении фронтом импульса нагрузки устанав­ливаются условия постоянного тока. В этом случае осуществляет­ся наиболее эффективная передача энергии от источника к на­грузке. Импеданс типичных стандартных коаксиальных кабелей, 50 ом, слишком велик для оптимальной передачи энергии в уст­ройствах с взрывающимися проволочными мостиками существую­щих типов. Однако кабели с этим импедансом могут применяться в коротких электрических линиях (приблизительно 1,2 и*), обычно используемых в сочетании с блоками питания, имеющими один выход. Для более длинных линий или для обеспечения оптималь­ных условий передачи энергии в настоящее время применяются плоские кабели или другие коаксиальные кабели с малым импе­дансом (23,3 ом/м). В связи с этим проблема передачи энергии сводится к отысканию наилучшего компромиссного решения при выборе кабеля, который должен соответствовать характеристикам блока питания и переменному сопротивлению проволочного мостика. Хотя невозможно непосредственно применить обычные принципы выбора импеданса, передача энергии будет наиболее эффективной, если поддерживать сопротивления элементов блока питания и кабельной системы достаточно низкими по сравнению с нагрузкой и свести к минимуму паразитную индуктивность, которая ограничивает скорость нарастания импульса тока.

ПУСКОВОЙ БЛОК ПИТАНИЯ

Типичный блок питания передает энергию 1,69 дж к нагрузоч­ному сопротивлению менее 1 ом за время менее 1 мкеек. Это устрой­ство запускает конденсаторную зарядно-разрядную цепь. На фиг. 7.5 и 7.6 приведены схемы типичных блоков питания с одним и несколькими выходами соответственно. Типичный блок питания системы с ВПМ выполняет следующие операции:

1. Входной пусковой постоянный ток от бортового источника энергии ракеты или космического аппарата преобразуется в пере­менный ток. 2. Напряжение переменного тока увеличивается до 2600 в с помощью цепи повышающего трансформатора. 3. Пере­менный ток преобразуется в постоянный напряжением 2600 в для зарядки конденсатора. 4. Заряд конденсатора разряжается через искровой разрядник с помощью независимой запускающей схемы, которая обеспечивает быстрое повышение напряжения до уровня, превышающего напряжение запирания искрового разрядника.

Конечно, блок питания должен быть спроектирован таким образом, чтобы к нему можно было подвести постоянный или

СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

TOC o "1-5" h z I I

I I

I__________ 1

Ф и г. 7.5. Схема блока питания с одним выходом.

Примечание. Вспомогательное нагрузочное сопротивление для снятия заряда (при выключении) и для контроля

Устройства. ч

переменный ток почти от любого источника, с тем чтобы обеспе­чить накопление энергии и запуск разрядных цепей конденсатора. Это делает систему хорошо приспосабливаемой к различным назем­ным и летным условиям ее применения.

^рСг -^-С3

Лл/^.

—УЛ— _

К7<

£

Преобразователь входного постоянного тока низкого напряжения 6 постоянный шок высокого напряжения

Ш

—Г-НААЛг “Н-ЛЛА/ — ЦЛМг

Пусковой

Сигнал

Ш

Пусковой

Сигнал

Искровой входные
разрядник _ разгемы

Я’

Я2

МЙ:

 

Пусковой

Сигнал

 

Воспламенение в двигателе первой ступени

Газогенератор первой ступени

Отделение первой ступени

Воспламенение в двигателе второй ступени

Газогенератор второй ступени

Отделение второй ступени

Отсечка

Тяги

 

Блок триггера

 

Пусковой

Сигнал

 

Блок триггера

 

СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

Блок триггера

 

Блок тригеера

 

Пусковой

Сигнал

 

Блок триггера

 

Пусковой

Сигнал

 

Блок триггера

 

VI

 

Пусковой

Сигнал

 

Блок триггера

 

VII

 

СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ
СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

Питание

 

Контроль

Высокого

Напряжения

 

СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

Ф и г. 7.6. Схема блока питания с несколькими выходами.

Блок питания должен выполнять многие дополнительные функции. Например, цепи могут обеспечивать контроль заряд­ного тока, высоковольтного напряжения на клеммах конденсато­ров, пускового сигнала, отсутствия повреждений в цепи всей системы.

Для снятия заряда с конденсаторов при выключении вход­ного питания используются цепи вспомогательного нагрузочного сопротивления. В некоторых конструкциях блока питания пре­дусмотрен прием закодированного входного сигнала зарядки кон­денсаторов или запуска разрядной цепи конденсатора с заданной

Частотой, амплитудой и временем действия. Это предотвращает случайный запуск искровых разрядников от постороннего источ­ника энергии.

Важно отметить, что блок питания не является устройством одноразового действия. В отличие от обычных предохранитель­ных и пусковых систем он может приводиться в готовность и сра­батывать несколько сот раз без отказов, что делает его весьма полезным устройством на всех этапах разработки, хранения, контроля, испытания, транспортировки и практического исполь­зования в завершающей стадии.

ТИПЫ СИСТЕМ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

Существуют два основных типа систем с ВПМ. К первому типу относится блокированная система, в которой миниатюрный блок питания с одним выходом расположен рядом с электровзрывным устройством и связан с ним очень короткими кабелями. Эта систе­ма позволяет свести к минимуму потери энергии на передачу по кабелю. Кроме того, короткие кабели проще экранировать, чем длинные. Поэтому в системах с ВПМ, где требуется гибкость проектных параметров, а весовые соображения не являются определяющими, наиболее желательна блокированная система с ВПМ.

Ко второму типу относится центральная система с ВПМ. В системе этого типа один центральный блок питания связан линиями передачи с несколькими электровзрывными устрой­ствами, расположенными в определенных точках боевой ракеты или космического аппарата. Так, например, сигналы от одного центрального пускового устройства могут направляться к систе­мам воспламенения двигателя и газогенератора, системам разделе­ния ступеней, отсечки тяги и другим элементам, которые вклю­чаются в заданной последовательности. При использовании центральной системы труднее подобрать импеданс ее элементов, чем в случае блокированной системы. Одпако если определяющим фактором является вес, то один центральный блок питания может обеспечить функционирование большого количества ВПМ при меньшем весе и занимаемом объеме, чем несколько индивидуаль­ных блокированных систем.

Существует много различных комбинаций двух рассмотренных основных систем в зависимости от требований к системе в целом. Например, если требуется сочетание гибкости блокированной системы с обеспечением гарантированного запаса мощности, свойственным для центральной системы, то миниатюрные блоки питания с двойным выходом, расположенные в непосредственной близости к электровзрывным устройствам, с которыми они связа­ны кабелем, могут заменить блоки с одним выходом. Гарантиро­ванный запас мощности центральной системы обеспечивается путем: 1) увеличения размеров конденсатора и блокирования конденсаторов или 2) оптимизации параметров цепи конденсатора для обеспечения одновременного срабатывания двух и более электровзрывных устройств.

Разрядные цепи конденсаторов в блоках питания с несколь­кими выходами отделены и полностью изолированы друг от друга. Поэтому короткое замыкание или обрыв цепи одного выхода не оказывает влияние на работу других выходов. Ниже перечис­лены несколько существующих систем блоков питания, представ­ляющих некоторые вариации двух основных типов:

1. Независимый блок питания с одним выходом на каждый электровзрывной механизм.

| 2. Блоки питания с несколькими выходами соответственно количеству нагрузок.

3. Центральный блок с одним источником питания высокого напряжения и многими пусковыми выходами; возможны вариан­ты с одним или несколькими циклами разрядов конденсаторов.

4. Блоки питания с несколькими выходами, с источником пита­ния высокого напряжения и конденсаторами с несколькими цик­лами разрядов для последовательного подключения к нагрузкам.

5. Центральный низковольтный источник переменного тока, обеспечивающий подачу тока к блокам питания с одним выходом.

Для осуществления правильного выбора системы с ВПМ мини­мального веса с оптимальными характеристиками необходимо иметь полное представление о ее назначении, последовательности срабатывания во времени, длине кабелей и линий, размерах космического аппарата и т. д. На основе этих данных составляет­ся весовая сводка, с помощью которой осуществляется окончатель­ный выбор оптимальной системы.

СРАВНЕНИЕ ВПМ С НИЗКОВОЛЬТНЫМИ СИСТЕМАМИ

При использовании систем с ВПМ в ракетной технике вместо ■обычных низковольтных систем выявляются определенные пре­имущества. Наиболее характерными являются: 1) большая без­опасность; 2) повышенная скорость срабатывания и возможность одновременного выполнения ряда функций; 3) более высокая надежность.

СРАВНЕНИЕ ПО БЕЗОПАСНОСТИ

В обычных системах, которые считаются надежными, исполь­зуются чувствительные к нагреву инициирующие ВВ, такие,

Как свинцовая соль стифниновой кислоты, азид свинца, диазоди — нитрофенол и другие, контактирующие с проволочными мостиками высокого сопротивления. При подведении слаботочного импульса (малого напряжения) к такому проволочному мостику последний нагревается и инициирует чувствительный к нагреву заряд ВВ.

Прополочный мостик в такой системе может оказаться недо­статочно нагретым, чтобы произошло его разрушение, и часто остается невредимым, если только не разрушается иод действием последующей детонации заряда ВВ. Если низкоамплитудный импульс блуждающего тока способен инициировать заряд ВВ без разрушения мостика, то возможны катастрофические послед­ствия, так как при любой последующей проверке отсутствия обрыва в цепи замкнутый мостик будет давать показания об от­сутствии обрывов после включения системы, хотя в действитель­ности система уже сработала. Эта возможность становится угро­жающей, если учесть, что низковольтные системы всегда подвер­жены случайному инициированию блуждающими токами малой амплитуды, часто имеющими место в боевых ракетах и космиче­ских аппаратах. Во избежание случайного включения при воздей­ствии таких низкоамплитудных импульсов часто приходится применять дополнительные блокирующие устройства с разры­вом цепи, что увеличивает вес, стоимость и усложняет систему в целом. Кроме того, чувствительные к нагреву заряды инициирую­щего ВВ, используемые в низковольтных системах, чувствитель­ны также и к механическим воздействиям, которые могут вызвать их детонацию, вследствие чего обращение с ними в лаборатор­ных, полевых условиях и на стартовой позиций становится опас­ным.

В высоковольтной системе с ВПМ используется та же самая конструкция взрывного устройства, но с другими характеристи­ками проволочного мостика и типами взрывчатых веществ. В высоковольтной системе с ВПМ проволочный мостик имеет сравнительно низкое сопротивление (менее 1 ом). Вместо чув­ствительных к теплу и механическим нагрузкам зарядов иници­ирующего ВВ в данном случае применяются относительно нечув­ствительные бризантные ВВ типа тетранитрата пентаэритрига (тзн), циклотетраметилентетранитрамина (октоген), циклотриме — тилентринитрамина (гексоген) и некоторых нечувствительных пиротехнических воспламенительных смесей, которые находятся в непосредственном контакте с проволочным мостиком. Эти ВВ не могут быть случайно инициированы при воздействии механиче­ских нагрузок, блуждающих токов, низкоамплитудных импуль­сов. Обычно для взрыва проволочки требуется импульсная подача высоковольтной энергии (1,69 дж), соответствующая разряду 2600 в конденсатора емкостью 0,5 мкф (за время менее 1 мксек).

Совместное воздействие тепловой энергии, ударной волны и дав­ления газов, образующихся при взрыве проволочки, вызывает непосредственное инициирование находящегося в контакте с про­волочным мостиком ВВ, не чувствительного к обычным воздей­ствиям при сборке, транспортировке системы с ВПМ и т. д. и применяемого обычно в качестве основного заряда в боепри­пасах. Использование тока высокого напряжения для иницииро­вания повышает безопасность системы в обращении и исключает потребность в дополнительных блокирующих элементах с разры­вом цепи, а также в пусковых и предохранительных устройствах.

Не допускается случайное включение разработанных систем с ВПМ при воздействии: 1) переменного тока напряжением 250 в (частотой 60—400 гц) в течение одной минуты от источника с импедансом 0,5 ом; 2) постоянного тока напряжением 500 в от конденсатора емкостью 1 мкф; 3) тока напряжением 20 000 в от конденсатора емкостью 500 Пф.

После прохождения всех трех испытаний система должна нормально функционировать при подаче из блока питания сигна­ла напряжением 2600 в при емкости 0,5 мкф.

Чтобы оценить безопасность систем с ВПМ, можно рассмотреть соотношения для энергии.

Энергия, требуемая для срабатывания системы с ВПМ, равна

Где С—емкость, ф У—напряжение, в.

Принимая

С — 0,5-10“6 ф

И

V = 2600 в,

Получим

IV = (0’5-А0~62) (2600)2 -1,69 дж = 1,69 ■ 107 эрг.

Требуемый уровень энергии для срабатывания обычных систем равен

— РШ,

Где I — сила тока, а; Я — сопротивление, ом; Ь — время, сек. Если 1 — 1а, Л = 0,5 см, £ = 2-10~3 сек, то

И7 = (I)2 • 5 • 2 • 10-3 = 0,01 дж= 105эрг.

К взрывающемуся проволочному мостику энергия подводится в течение 10~6 сек, и поэтому подводимая мощность равна

1,69 * 106 дж/сек.

В описанных выше обычных системах подводимая мощность равна

РЯ — (I)2 ■ 5 — 5 вт — 5 дж1сек.

Отношение

СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

Потребная мощность для ВПМ

Потребная мощность для обычной системы

Таким образом, при использовании ВПМ в условиях, где возмо­жен случайный подвод электромагнитной энергии, коэффициент безопасности в 338 ООО раз выше, чем для обычной системы.

Система с ВПМ также безопасна при воздействии радиочас­тотных сигналов, хотя этот факт еще не стал общепризнанным, однако (это, в частности, известно проектировщикам электро­систем) следует учитывать возможность радиочастотных наводок под влиянием силовых линий передач. Во избежание случайных включений систем с ВПМ вследствие воздействия радиочастот­ных сигналов или подвода к устройству постоянного, а также низкочастотного переменного тока используются закодированные по частоте предохранительные устройства. В таких системах сигнал переменного тока заданного напряжения, частоты и про­должительности действия может быть наложен на пусковой сигнал постоянного тока в форме кодированного входного импуль­са. В этом случае в цепь блока питания включается дешифратор, и разряд конденсатора происходит только при получении соот­ветствующего кодированного сигнала в цепи триггер —искро­вой разрядник.

СРАВНЕНИЕ ПО СКОРОСТИ И ОДНОВРЕМЕННОСТИ

СРАБАТЫВАНИЯ

Для электрического инициирования детонации в типичной низковольтной системе прежде всего необходимо повысить тем­пературу мостика до уровня, достаточного для активации чув­ствительного к тепловому воздействию ВВ, находящегося в кон­такте с мостиком. В лучшем случае это занимает несколько сот микросекунд, а полное время срабатывания электровзрывного устройства обычно занимает несколько миллисекунд. При низких начальных температурах (например, —75° С) инициирование и полное срабатывание системы значительно замедляются вслед­ствие дополнительных затрат времени на прогревание мостика от отрицательной температуры до нормальной.

В устройствах с ВПМ температура мостика повышается до 5000° К и более за несколько наносекунд. Взрыв мостика проис­ходит менее чем за 1 мксек, а полное время срабатывания элек­тровзрывного устройства составляет несколько микросекунд с от­клонением по времени срабатывания (при одновременном подво­де мощности к нескольким нагрузкам) порядка сотых долей микросекунды.

СРАВНЕНИЕ ПО НАДЕЖНОСТИ

Польза цифровых данных по надежности элементов или систе­мы в целом определяется их достоверностью. Типичные требования к надежности могут составлять 0,9995 при доверительном уров­не 90%. Это означает, что при испытании 2300 изделий не должно быть ни одного отказа. При таком требовании к надежности проектирование элемента или системы должно выполняться самым тщательным образом. Как же определить, что элемент или система имеют в действительности надежность 0,9995 при 90%-ном доверительном уровне, а не 0,9 при том же доверитель­ном уровне или даже 0,75 при 70%-ном доверительном уровне? Для этого проводятся дорогостоящие испытания на надежность. Так, например, обычные низковольтные системы часто имеют надежность до 0,9995 при доверительном уровне 90% или выше. Однако для обеспечения такой надежности потребовалось нала­живание производства и испытание тысяч изделий в течение нескольких лет.

Аналогично данным для обычных низковольтных систем накоп­лено большое количество материалов по надежности систем с ВПМ. К сожалению, эти материалы не публикуются в открытой печати. Следует отметить, однако, что потенциально системы с ВПМ могут иметь более высокую надежность, чем низковольтные системы. Это подтверждается рассмотрением энергетических характеристик тока, поступающего в электровзрывное устройство. Для типичной низковольтной системы установлены следующие предельные характеристики по силе тока:

0,2 а—-отказ,

0,3 а — пороговое значение,

0,5 а—100%-ное срабатывание.

Пороговый уровень (т. е. минимальная сила тока, при которой устройство может сработать) составляет приблизительно 0,3 а. Следовательно, сила тока (0,5 а), гарантирующая срабатывание устройства, соответствует коэффициенту запаса мощности 66%, т. е. сила тока на 66% больше, чем необходимо для срабатывания системы.

Для типичной системы с ВПМ установлены следующие пре­дельные характеристики по напряжению тока:

500 в—отказ,

1300 в — пороговое значение,

2600 в—100%-ное срабатывание.

Пороговый уровень напряжения для данной системы с ВПМ составляет 1300 в. Таким образом, гарантированное напряжение срабатывания системы с ВПМ имеет 100%-ный коэффициент запаса мощности по отношению к пороговому уровню в отличие от 66%-ного запаса для типичных низковольтных систем, рас­смотренных выше.

При оценке надежности необходимо принимать во внимание как вероятность случайного срабатывания системы, так и вероят­ность отказа после получения команды на пуск. Рассмотрим безопасность указанных двух систем с точки зрения вероятности случайного срабатывания.

Для рассмотренной выше типичной низковольтной системы пороговая сила тока составляет 0,3 а, что соответствует лишь 50 %-ному коэффициенту безопасности между силой тока, соот­ветствующей 100%-ному отказу, и минимальной силой тока, при которой возможно срабатывание устройства.

Пороговый уровень 1300 в для системы с ВПМ обеспечивает 160%-ный коэффициент безопасности между напряжением 100%- ного отказа и минимальным напряжением, при котором возможно срабатывание устройства.

Рассмотренные выше значения коэффициентов запаса мощно­сти и безопасности свидетельствуют о существенно более высокой потенциальной надежности систем с ВПМ, поскольку более высокое значение коэффициентов в обоих случаях приводит: 1) к уменьшению возможности подачи в электровзрывное устрой­ство недопустимо низкого уровня энергии по команде на сраба­тывание; 2) к уменьшению возможности случайного включения системы при воздействии механических нагрузок или импульсов блуждающего тока низкой амплитуды.

ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМАМ С ВПМ (ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ) [3]

Для обеспечения взрыва проволочного мостика должны быть выполнены основные требования в отношении источника энергии, накопления, высвобождения и передачи энергии. В идеальном случае эти требования, по-видимому, легко выполнимы. Однако

Необходимость обеспечения очень большой силы тока от высоко­вольтного источника при скорости ее нарастания порядка 109 а! сек требует тщательного рассмотрения характеристик функ­ционирования каждого элемента.

В некоторых случаях можно объединить источник энергии и устройство для ее накопления подобно термоэлектрическим батареям. Будучи полезным для ряда конкретных применений, этот метод имеет недостатки (недостаточная проектная гибкость, одноразовость действия и большая величина отношения веса к вырабатываемой мощности), препятствующие широкому исполь­зованию подобных систем для питания многофункциональных устройств с ВПМ.

ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

С помощью обычных источников питания, предназначенных для других электротехнических или электронных устройств, не удается получить энергию высокого напряжения, удовлетво­ряющую заданным требованиям. В связи с этим в систему с ВПМ обычно вводится высоковольтный генератор с питанием от низко­вольтных источников постоянного или переменного тока.

НАКОПЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ

Самым практичным методом накопления энергии считается применение конденсаторной цепи. Этот метод имеет следующие преимущества: 1) использование источника с низким импедансом в соответствии с требованиями обеспечения взрыва проволочного мостика; 2) относительно длительное время пребывания в заря­женном состоянии в сочетании с требованием лишь очень малой силы тока для компенсации потерь; 3) возможность проведения повторных циклов при последовательном включении ряда нагру­зок и повторных испытаниях системы; 4) относительно малый вес и требуемый объем.

Были рассмотрены и другие методы накопления энергии. Для этого можно использовать индуктивную цепь. В этом случае накопленная энергия (1/3£//2) требует непрерывного восполнения подачей тока, сила которого в практических случаях должна достигать нескольких ампер. Для уменьшения потерь силы тока требуется резкое увеличение индуктивности, что может привести к увеличению веса и объема устройства. Можно также применять конденсаторы, которые заряжаются при параллельном включе­нии в цепи с низким напряжением и разряжаются при последо­вательном включении. Однако этот метод приводит к существен­ному усложнению системы.

ВЫСВОБОЖДЕНИЕ ЭНЕРГИИ

Разряд конденсатора на проволочный мостик (в некоторых случаях через соединительный кабель) является сложным про­цессом переключения, требующим 1) поддержания высокого напряжения; 2) отсутствия утечек (с точки зрения пробле­мы изоляции выходов мощности); 3) силы тока по крайней мере 2000 а; 4) осуществления процесса переключения за доли микросекунды; 5) малого разброса параметров при переклю­чении.

Желательной характеристикой является способность к мно­гократному переключению в процессе испытания. На основе анализа и предшествующего опыта было установлено, что для выполнения данной функции лучше всего подходят управляемые искровые разрядники. Эти устройства удовлетворяют всем выше­указанным требованиям, имеют малые размеры и не подвержены влиянию сильных вибраций и ударных нагрузок. Для некоторых целей были успешно использованы высоковольтные электронные трубки с холодным катодом, рассчитанные на большую силу тока.

ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ

В системах с ВПМ энергия разряда конденсатора, как правило, не передается непосредственно к проволочному мостику, поэто­му необходимо использовать линию передачи.

Максимальная энергия, которую можно передать, и мощность, подводимая к проволочному мостику, зависят от параметров линии передачи. К этим параметрам относятся: 1) характеристи­ческий импеданс; 2) длина линии; 3) скорость распространения;

4) конечная нагрузка и разрывы цепи.

Характеристический импеданс любой используемой линии передачи определяется распределением электрических парамет­ров /?, />, С и С. Для повышения к. п. д. желательно, чтобы удовлетворялась теорема о максимальной передаваемой энергии с обеспечением согласования импедансов линии и конечной нагрузки. Однако импеданс источника приближенно определяет­ся генератором постоянного напряжения с очень низким внутрен­ним импедансом. Импеданс нагрузки меняется по величине и вна­чале соответствует низкому сопротивлению порядка миллиом, а затем к моменту взрыва проволочки возрастает до величины 10—15 ом. Следовательно, нельзя обеспечить согласование импе­дансов элементов системы и требуется компромиссное решение. С помощью теории линий передач, подтвержденной эксперимен­тальными данными, было установлено, что лучше всего осуществ­лять передачу энергии, обеспечив согласование импеданса линии

Передачи с импедансом проволочного мостика непосредственно перед моментом взрыва, т. е. использовать линию с сопротивле­нием 7—10 ом. (Интересно отметить следующее явление: на прак­тике наблюдается некоторое увеличение импедансов типичного искрового разрядника, использованного в качестве переключате­ля, и взрывающегося проволочного мостика, улучшающее согла­сование с высоким импедансом линии передач.)

В тех случаях, когда импедансы нагрузок не согласуются с импедансом линии, передача тока подчиняется хорошо извест­ным правилам и зависит от отражений сигнала у нагрузки. При наличии этих отражений сила тока в проволочном мостике возрастает по ступенчатой зависимости. На первой ступени сила тока в линии приблизительно равна входному напря­жению, деленному на характеристический импеданс линии. Продолжительность каждой ступени равна удвоенному времени передачи сигнала по кабелю, определяемому скоростью его рас­пространения.

Учитывая, что требуемая скорость нарастания силы тока в проволочном мостике имеет порядок 109 а! сек, можно показать, что 1) импеданс кабеля должен быть достаточно низким, чтобы обеспечить максимальное нарастание силы тока на каждой ступени, 2) время передачи сигнала по кабелю должно быть по возможности минимальным, чтобы обеспечить требуемую скорость возрастания силы тока в проволочном мостике.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

Системы с ВПМ могут применяться всюду, где используются обычные системы запуска, так как достаточно лишь заменить обычное пусковое и предохранительное устройство на систему с ВПМ. Обе системы могут работать, по существу, от одинаковых источников энергии, обычно источников постоянного тока напря­жением 28 <?, находящихся на борту ракеты или космического аппарата.

В связи с этим возникает вопрос, почему в некоторых случаях предпочтительней использовать системы с ВПМ? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть космический летательный аппарат с ‘учетом требований, предъявляемых к сложному много­позиционному одновременному или последовательному функцио­нированию систем. С помощью взрывающихся проволочек можно обеспечить скорость срабатывания и синхронность действия, необходимые для инициирования одновременно нескольких элек — тро взрывных устройств. Кроме того, системы с ВПМ, содержащие малочувствительные к внешним воздействиям ВВ, безопасны при случайном воздействии 1) высокоэнергетических радиочастотных полей, 2) низковольтных потенциалов, 3) механических на­грузок.

К дополнительным преимуществам систем с ВПМ относится простота и безопасность контроля на отсутствие обрывов цепи как в лабораторных условиях, так и на стартовой позиции.

Рассмотрим многоступенчатую ракету, схематически изобра­женную на фиг. 7.7.

В процессе предстартовой сборки и подготовки желательно провести проверку на отсутствие обрывов цепей для обеспечения целостности системы в различных ее фазах. Например, необхо­димо убедиться в отсутствии нарушений целостности всех цепей подсистемы запуска двигателя, начиная от бортового источ­ника питания и кончая электрозапалами системы воспламенения двигателя. Поскольку для накопления энергии в блоке питания и управления разрядкой конденсатора для инициирования вос­пламенителей обычно требуется постоянный ток напряжением 28 в или переменный ток напряжением 110 в, целесообразно исполь­зовать имеющиеся низковольтные источники энергии (на несколь­ко вольт) для проверки на отсутствие обрывов во всей подсисте­ме — по линии передачи и через цепь проволочного мостика в воспламенителе двигателя. Такую проверку можно выполнить на стартовой позиции после завершения сборки подсистемы, не опасаясь случайного воспламенения. Электросхема системы контроля цепи с ВПМ показана на фиг. 7.8.

Можно также проводить испытания цепи накопления энергии блока питания как отдельного функционирующего звена систем],1.

В противоположность этому при использовании обычной систе­мы воспламенения с мостиком накаливания, которая срабатывает от низковольтного источника питания, нельзя применять имеющие­ся низковольтные источники энергии для проверки на отсутствие обрывов цепи подсистемы. Поэтому для осуществления проверки той же самой подсистемы запуска двигателя необходимо удалить электрозапалы из воспламенителей двигателя и поставить вместо них макетные элементы — индикаторные выключатели или изме­рительные устройства (фиг. 7.9). Это усложняет процедуру провер­ки перед запуском, особенно в связи с тем, что в современных космических аппаратах электрозапалы не всегда расположены в легко доступных местах.

Вследствие чрезвычайно высокой скорости срабатывания (за время порядка микросекунды) системы запуска с ВПМ особенно эффективны на летательных аппаратах, где необходимо одновре­менное включение нескольких устройств. Например: 1) при одно­временном зажигании в нескольких ракетных двигателях, 2) при

СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

подпись:

ИсТ=т1′? в^тг

СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

47 40

Г—I Отсеки с телеметрическим *— оборудованием

Отсеки

Одновременном инициировании нескольких пироболтов или шнуровых зарядов ВВ для разделения ступеней или само­ликвидации, 3) при одновременном открытии нескольких сопел противотяги для отсечки тяги, «обнуления» тяги или реверса тяги. Кроме того, системы запуска с ВПМ более эффективны, чем низко­вольтные системы, на летательных аппаратах, где интервал времени между последовательными срабатываниями отдельных систем должен составлять от нескольких микросекунд до не­скольких миллисекунд, как, например, при отделении первой ступени, включении двигателя второй ступени и выполнении последовательности операций включения системы управления вектором тяги второй ступени.

Вернемся еще раз к типичной схеме многоступенчатой ракеты, изображенной на фиг. 7.7, и покажем, почему использование систем с ВПМ при обычной последовательности операций запуска не только практически выгодно, но и крайне желательно. Прежде всего необходимо обеспечить включение воспламенителей двигателя первой ступени. Если требуется одновременное воспламенение, то система с ВПМ, осуществляющая передачу энергии от блока питания к взрывающемуся мостику за время менее 1 мксек, обеспе­чит большую одновременность инициирования воспламенительных устройств двигателя, чем медленнее срабатывающая низковольт­ная система воспламенения, у которой разброс по времени сраба-

Ф и г. 7.7. Схема многоступенчатой ракеты.

1 — акселерометр угловых ускорений системы нанедения и управления; 2 — теле­метрическое оборудование; 3 — юбка (отсек 49); 4 — переходник «вафельной» кон­струкции (отсек 39) для ьариантов ракеты, запускаемых по программе научных иссле­дований или учебно-боевой подготовки: 5 — обтекатель кабеля, используемый в бое­вом варианте ракеты; в — обтекатель кабеля, используемый в исследовательском варианте ранеты; 7 — ось тангажа (управление по тангажу осуществляется с помо­щью сопел 2 и 4) 8 — сечения разделения ступеней; 9 — спускаемый аппарат (от­сек 41); ю — система управления и наведения (отсек 42); 11 — двигатель 3-й ступени (отсек 44); 12 — промежуточный отсек между 2-й и 3-й ступенями (отсек 45; із — двигатель 2-й ступени (отсек 46); 14 — промежуточный отсек между 1-й и 2-й сту­пенями (отсек 47); 15 — двигатель 1-й ступени (отсек 48); 16 — корпус; 17 — лайнер; 18 — топливо; 19 — ось рыскания (управление по рысканию осуществляется с по­мощью сопел 1 и з); 20 — блок кодово-импульсной и амплитудно-импульсной моду­ляции; 21 — блок управления соплами; 22 — воспламенитель; 23 предохрани­тельное и пусковое устройство системы воспламенения; 24 — дефлектор, предохра­няющий донную часть от нагрева; 2-ї — электробатарея: 26 — предохранитель преж­девременного разделения; 27 — самоликвидатор (шнуровой заряд); 28 — воспламе­нитель; 29 — предохранительное и пусковое устройство системы воспламенения; 30 — предохранительное и пусковое устройство самоликвидатора: 31 —блок управ­ления соплами и электробатарея блока управления соплами; 32—плектроба’тарея; 33 —предохранитель преждевременного разделения; 34 — вытяжной шнур; 35 — дефлектор, предохраняющий донную часть от нагрева; 36 — воспламенитель; 37 — пусковое и предохранительное устройство; 38 — кумулятивный заряд самолнквида — тора; 39 — предохранительное и пусковое устройство самоликвидатора; 40 —дефлек­тор, предохраняющий донную часть от нагрева; 41 — блок управления соплами и электробатарея блока управления соплами; 42 — предохранительное и пусковое устройство самоликвидатора; 43 — самоликвидатор (шнуровой заряд ВВ с линейной кумулятивной выемкой); 44 — командный блок самоликвидатора; 45 — блок-система с частотной модуляцией поднесущих и несущей; 46 — блок азимута (на территории

США); 4 7 — блок электробатарей.

Тывания достигает нескольких миллисекунд. Затем осуществляет­ся операция включения газогенераторов для управления вектором тяги. Для выполнения этой функции пригодна как обычная низко­вольтная система, так и система с ВПМ, хотя на практике обычно

Блок питания системы с ВПМ

подпись: блок питания системы с впм

На

подпись: на

Подача энергии в накопительное устройство (подготовка к луску)

Сигнал

Пуск

Контроль

Электровзрывное ^устройство

Ф и г. 7.8. Олсктросхема системы контроля цепи с ВПМ.

Нецелесообразно вводить разнородные системы в один летательный аппарат, если только нет абсолютной необходимости в этом. Сле­дующие операции — отсечка тяги двигателя первой ступени,

Переключатель для перевода ППУ в пусковое положение

подпись: переключатель для перевода ппу в пусковое положение

Переключатель для подачи пускового сигнала

подпись: переключатель для подачи пускового сигнала СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИМакетный

Элемент

Ф и г. 7.9. Электросхсма системы контроля ннякоиольтной цепи

Воспламенения.

Отделение первой ступени и включение двигателя второй ступе­ни—могут быть выполнены последовательно с интервалами времени порядка нескольких микросекунд с помощью одного блока питания системы с ВПМ, имеющего несколько выходов, который находится на второй ступени космической ракеты. Этот же блок применяется для включения двигателей первой ступени и генераторов системы
управления вектором тяги. При использовании обычной равноцен­ной низковольтной системы требуется по крайней мере от трех до пяти предохранительных и пусковых устройств для выполне­ния тех же самых функций и значительно большее время между последовательно выполняемыми операциями. Системы с ВПМ обеспечивают высокую скорость выполнения последовательных операций, а также одновременность функционирования, которые не доступны для низковольтных систем. Описанные выше типич­ные функции могут, конечно, выполняться на различных ступенях ракеты в зависимости от летных требований. Самоликвидация обычно обеспечивается независимыми системами. Можно пере­числить и такие функции, как одновременное открытие смотровых люков для систем навигации или выдвижение приборных датчи­ков; отделение пилотируемой или приборной возвращаемой на Землю капсулы; коррекция траектории и управление по крену, тангажу и рысканию с помощью запуска вспомогательных двига­телей; включение резервных источников энергии для двигатель­ных установок и (или) целей связи.

ТЕОРИЯ ВЗРЫВА ПРОВОЛОЧЕК [3|

Механизм взрыва проволочек пока не изучен до такой степени, чтобы можно было говорить об общей теории. Считается, что это явление включает ряд физических процессов, часть которых до

К Э

СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

Сих пор не исследована, а для объяснения других имеется по нескольку теорий. Ниже рассмотрен подход, использованный Чейсом [41, который, систематизировав работы многих исследова­телей, представил убедительное объяснение явления взрыва про­волочных мостиков.

Основная электросхема системы с ВПМ представлена на фиг. 7.10.

Конденсатор С заряжается от источника энергии Е при про­хождении тока через зарядное сопротивление Я. В некоторый момент времени переключатель £ замыкает цепь, и разряд кон­денсатора С проходит через проволочный мостик, вызывая его взрыв. Сам проволочный мостик имеет очень низкое сопротивление

СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

Фиг. 7.11. Типичная кривая изменения силы тока, проходяще­го через ВПМ, в функции времени.

И индуктивность, а другие элементы цепи выбираются таким обра­зом, чтобы они имели минимальное сопротивление, распределен­ную емкость и индуктивность.

Идеализированная кривая изменения силы тока, проходящего через ВПМ при разряде конденсатора, представлена на фиг. 7.11.

Явление взрыва состоит из следующих стадий:

1. В момент времени 10 переключатель 5 замыкает цепь, к про­волочному мостику приложено напряжение и по нему течет ток. Сила этого тока, определяемая параметрами Я, Ь и С цепи, возра­стает, проволочный мостик нагревается до точки плавления метал­ла и выше. Эта стадия процесса протекает менее чем за 1 мксек и поэтому физическое состояние проволочки определяется действи­ем инерционных сил и магнитного давления. При дальнейшем нагревании расплавленной проволочки ее температура в конце концов достигает точки кипения. Однако кипение в этот момент не является равновесным вследствие того, что температура должна достигнуть уровня, при котором компенсируются не только затраты тепла на испарение, но и на преодоление фазового барье­ра. Следовательно, проволочка перегревается до момента, пока этот барьер не будет преодолен.

2. В интервале времени ^ — £2 температура проволочки стано­вится достаточно высокой, чтобы стал возможен фазовый переход, в процессе которого происходит испарение проволочки с интен­сивностью взрыва. При взрывоподобном испарении металл про­волоки переходит в коллоидное состояние и представляет собой непрерывную жидкометаллическую фазу с распределенными в ней включениями пара металла.

СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

Ф и г. 7.12. Типичная кривая изменения силы тока, проходящего через ВПМ, при отсутствии резервной энергии в блоке питания для вторичного пробоя.

3. В интервале времени £2 — Ь коллоидное состояние перехо­дит в аэрозоль, состоящий из непрерывной газовой фазы с распре­деленными в ней жидкими каплями. Это приводит к заметному изменению электрических характеристик системы, поскольку элемент цепи на этом участке представляет собой газовую среду с распределенными в ней металлическими частицами. В результате такого явления проводимость элемента падает.

4. Интервал времени £3 — £4 характеризуется низкой прово­димостью и называется периодом выдержки. Течение тока про­должается, но сила его постоянна и относительно мала, поскольку проводимость обеспечивается лишь ограниченным количеством ионов и электронов л элементе цели. Поскольку переход конденси­рованной (жидкой) фазы п газ происходит очень быстро, то мгно­венное значение плотности образовавшегося газа очень велико. При этой плотности носители электрического заряда, движущиеся в поле между концами прололочки, не получают достаточной энергии между соударениями для ударной ионизации. Это условие аналогично проводимости за счет термоионной или автоэлектрон — пой эмиссии.

5. Состояние, характеризуемое высокой плотностью газа, очень кратковременно и существует лишь благодаря тому, что расшире­ние газа задерживается силами инерции и давлением среды в окрестности проволочки. Через очень короткий период времени к моменту £4 давление газа падает и одновременно возрастает средняя длина свободного пробега молекул газа, что вызывает интенсивную ударную ионизацию вследствие соударения носите­лей заряда, принимающую лавинный характер. В результате сила тока повышается до уровня, определяемого точкой £5 на фиг. 7.11. Уровень силы тока ограничивается параметрами цепи Н, Ь и С.

СИСТЕМЫ С ВЗРЫВАЮЩИМИСЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ МОСТИКАМИ

Ф и г. 7.13. Типичные кривые изменения силы тока, про­ходящего через ВПМ, при наличии резервной энергии, кото­рая увеличивается при переходе от кривой А к кривой В.

Интервал времени £4 — соответствует стадии вторичного пробоя, пли вторичного зажигания, при явлении взрыва ВПМ.

Продолжительность периода выдержки между моментами £3 м £4 в значительной степени зависит от энергии разряда конденса­тора С. Если этой энергии достаточно лишь для обеспечения взрывоподобного испарения проволочки и не хватает для вторично­го пробоя, то кривая изменения силы тока имеет вид, показанный на фиг. 7.12. Если же эта энергия выше уровня, необходимого для взрывоподобного испарения, то кривая принимает различные формы, показанные на фиг. 7.13. Продолжительность периода выдержки возрастает по мере увеличения запаса энергии.

ВИДЫ ВЫДЕЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ [2]

При взрыве проволочного мостика происходит преобразование электрической энергии в тепловую и механическую. Эти формы энергии образуются вследствие быстрого увеличения силы тока в мостике в сочетании с влиянием магнитных полей и больших радиальных сил, связанных с процессом взрыва.

До сих пор не удается полностью разделить оба вида энергии вследствие их зависимости от параметров, оказывающих сов­местное влияние. Однако для упрощения каждый вид энергии будет рассмотрен в отдельности.

ТЕПЛОВАЯ

Типичное значение плотности рассеиваемой энергии в прово­лочном мостике имеет порядок 100 ООО кал! см3. Эта плотность энергии, сравнимая с плотностью энергии, выделяемой в период взрывоподобного испарения проволочного мостика, приблизи­тельно в 25 раз превышает плотность энергии при взрыве бризантных ВВ. Благодаря высокой плотности энергии темпера­тура проволочки повышается до очень высоких значений. Для серебряного проволочного мостика при отсутствии ионизации температура торможения достигает приблизительно 180 000° К.

В случае полной ионизации с разгоном частиц до удаления их в бесконечность средняя температура торможения падает прибли­зительно до 20 000° К, если принять, что ионы и электроны нахо­дятся в равновесии [5]. Фактическое значение температуры лежит между двумя указанными пределами. Повышение температуры проволочки обусловлено также влиянием высокого магнитного давления вследствие большой силы тока в проволочке. Температу­ра, при которой может происходить испарение, возрастает в направлении от поверхности проволочки к ее оси. Следовательно, испарение происходит, начиная с поверхности проволочки. Внача­ле наблюдается испарение внешней поверхности в окружающий воздух при атмосферном давлении. Этот процесс, однако, протека­ет настолько быстро, что внутренние слои проволочки начинают испаряться прежде, чем уже образовавшийся пар успевает уда­литься из прилегающего к ее поверхности слоя. Вследствие экра­нирующего действия образовавшегося пара развивается высокое давление, что приводит к повышению температуры испарения оставшейся части проволочки. Для рассматриваемых коротких интервалов времени (порядка 10“8 сек) энергия излучения от ВПМ на фазе взрывоподобного испарения пренебрежимо мала. Однако в течение длительного периода выдержки этот способ передачи энергии может стать существенным, если только поверхностный слой аэрозоля не слишком охладится. Типичная величина энер­гии излучения для столбика пара диаметром 0,5 мм и дли­ной 0,75 см составляет 0,8 дж за 30 мксек [6].

Энергия излучения в аэрозоле очень велика и приходится в основном на дальнюю ультрафиолетовую область в диапазоне

О

Длин волн от 100 до 2000 А. Максимальному пику яркости соот­ветствует световой поток ~108 лм 10]. Яркость меняется в зависи­мости от плотности тока в проволочке, а4 также от ее формы и материала. К одному из проявлений выделяемой тепловой энергии можно отнести образование облака плазмы вследствие совместного действия тепловых и электрических факторов в среде аэрозоля, образующегося при взрыве проволочного мостика. При протекании процессов в паровой фазе аэрозоль, как уже ука­зывалось, подвергается воздействию очень высоких давлений. Следующую фазу процесса составляет быстрое расширение аэро­золя, сопровождающееся увеличением средней длины свободного пробега молекул в смеси газа и жидкости. Если система еще распо­лагает достаточной электрической энергией, то развивается удар­ная ионизация носителей заряда с последующим образованием плотного облака плазмы. Концентрация ионов и электронов в плазме пропорциональна плотности энергии в проволочке и зависит от работы выхода материала проволочки.

Скрытая теплота отверждения жидких капель, а также скрытая теплота конденсации газа и последующего отверждения также относятся к располагаемым видам энергии после того, как мате­риал проволочного мостика превратится в аэрозоль. Величины этих теплот весьма велики вследствие очень высоких температур, развивающихся при взрыве проволочки.

МЕХАНИЧЕСКАЯ

Рассмотрим теперь механическую энергию, выделяемую при взрыве мостика. Механические силы проявляются во время быстро­го расширения поверхности проволочки при переходе процесса в фазу взрывоподобного испарения. Как указывалось ранее, это расширение вызывается внезапным образованием замкнутого объе­ма пара в момент завершения процесса испарения и перехода в аэрозольное состояние. Оно протекает как свободное расшире­ние в окружающую среду воздуха пониженного давления со ско­ростью, составляющей приблизительно 15 ООО м/сек при зна­чительной плотности энергии в проволочке. Этот эффект вызывает образование ударной волны, что характерно для взрыва про­волочного мостика. При расширении столба пара волна разреже­ния распространяется через паровую среду в обратном направле­нии, отражается в центре столба пара (или проходит через него) и в конце концов взаимодействует с фронтом волны давления, постепенно ее ослабляя. Вполне возможно, что процесс испарения управляется механизмом волн разрежения, хотя тип разрежения может не быть одним и тем же в различных случаях. Волна разре­жения перемещается с радиальной скоростью, которая равна сумме скорости звука в паре и радиальной скорости расширения пара.

Другим видом механической энергии является кинетическая энергия, выделяемая при столкновении жидких капель материала проволочки с окружающей средой или твердой фазой, находя­щейся в непосредственной близости к ВПМ. Предположим, что при подаче энергии 0,32 дж к платиновому мостику диаметром

0, 025 мм и длиной 4,75 мм в стадии расширения процесса паро­образования образуется аэрозоль, состоящий на 50 вес.% из капель вещества моста, распределенных в газовой фазе. Эти капли могут рассматриваться как коллоидные частицы и имеют диаметр ~10-6 см, объем (сферы) 0,52-Ю-18 см3 и вес 11-10_18г. В таком случае количество капель равно 5-1012. Кинетическая энергия, передаваемая каждой каплей (для рассматриваемого уровня подводимой энергии), движущейся со скоростью около 2000 м/сек к поглощающей поверхности, которая окружает ВПМ, составляет 22 -10_8 эрг. Для принятых идеальных условий при передаче энергии полный располагаемый запас кинетической энергии всех капель достигает 106 эрг. Это эквивалентно энер­гии 0,1 дж, или примерно 1/3 энергии, подводимой к прово­лочному мосту. При такой оценке не учитывается тепловая энер­гия капель в форме скрытой теплоты отверждения, когда жидкие капли переходят в твердое состояние на холодной поверхности окружающих элементов.

Сводка данных для оценки параметров системы с взрывающимся проволочным мостиком

Типичный проволочный МОСТИК

Материал Платина

Диаметр 0,050 мм

Длина 1,50 и 2,54 мм

Типичные выходные характеристики блока питания

Напряжение 2600 в при емкости 0,5 мкф Энергия 1,69 дж

Контроль во время комплек

Подача энергии в накопитель­ное устройство блока пита­ния

Разрядка накопительного уст­ройства блока питания

Системы с ВПМ

Сноіі проверки ракеты

Подключение батарей к блоку питания Минимально потребное время накопле­ния энергии до момента разрядки 2—10 сек X количество выходов Автоматическая при отключении источ­ника энергии Автоматическая при подаче пускового сигнала

Р

подпись: р

Подача пускового сигнала Батареи подключены к блоку питания

Время задержки между подачей пуско­вого сигнала па триггер и разрядкой конденсаторной цепи 0,003 сек Цепь триггера разомкнута после подачи сигнала на разрядку конденсаторной цепи

подпись: подача пускового сигнала батареи подключены к блоку питания
время задержки между подачей пускового сигнала па триггер и разрядкой конденсаторной цепи 0,003 сек цепь триггера разомкнута после подачи сигнала на разрядку конденсаторной цепи
Проверка на Подача высокого напряжения

Функционирование

Отсутствие обрыва в проволоч­ном мостике (контроль ом­метром)

Дублирование

Аботоспособность

Отрицательный потенциал постоянного тока 5 в при разомкнутой цепи и импе — дансном сопротивлении 30 ООО ом’, на­пряжение постоянного тока на кон­денсаторе 2600 в Отрицательный потенциал постоянного тока 15 в при разомкнутой цепииимпе — дансном сопротивлении 10 000 ом через 2,5 мсек после появления выходного сигнала. Выходной сигнал также ре­гистрируется при подаче питания, при­чем форма волны выходного сигнала обратна форме волны заряда в кон­денсаторе; изменение напряжения от 15 в до нуля 100 000 ом при разомкнутом мосте,

10 000 ом при замкнутом мосте (оце­ночно)

Дублирование проволочных мостов не практикуется; дублирование элементов электроники и других устройств воз­можно

Требования

подпись: требования

Технические

Выходные характеристики (при одном электровзрывном устройстве) Подача энергии на входе

Время зарядки конденсатора (накоп­ления энергии в блоке питания) Время разрядки конденсатора после отключения источника питания (при выключении устройства) Диссипация энергии в устройстве

Подача пускового сигнала триггеру

Уплотнение

Импеданс линии передачи Импульсная характеристика линии пород;»4 и

К блоку питания

0,5 мф при напряжении постоянного тока 2600 ±130 е Напряжение постоянного тока 28+2 в, ток па входе 500 ма, реактивный ток 500 ма

2—10 сек X количество выходов 10—40 сгк X количество выходов

От момента подачи питания до мо­мента подачи пускового сигнала 28 + 0,05 вт/сек X количество триг­геров

Напряжение постоянного тока 28+2 в Максимальный ток 100 ма Минимальное время 3 мсек Утечка не должна превышать 10-8 см3/сек 7—10 ом

Отрицательный потенциал 3000 в, ток 2500 а в течение 10 мксек

Весовые

подпись: весовые

И габаритные характеристики блока питания

подпись: и габаритные характеристики блока питанияЭлементы

Источник высокого напряжения *) Управляемый искровой разрядник1) Изоляция и узел сопротивлений Разрядный конденсатор (с «заземлением») Провода и соединения

Вес, кг объем, смз

TOC o "1-5" h z 0,135 98,4

0,135 98,4

0, 045 49,2

0, 090 49,2

— Дополнительно

16.4 см3 на каж­дое соединение п

16.4 см3 на каж­дый разрядный конденсатор

Комментирование на данный момент запрещено, но Вы можете оставить ссылку на Ваш сайт.

Комментарии закрыты.


gazogenerator.com