RU2099571C1

RU2099571C1 - Device for induction starting of solid-propellant rocket engine

Info

Publication number: RU2099571C1
Authority: RU
Inventors: А.А. Тарасов; Н.Ф. Самойлов
Original assignee: Акционерное общество Институт прикладной физики
Priority date: 1992-07-23
Filing date: 1992-07-23
Publication date: 1997-12-20

Abstract

FIELD: rocket engineering. SUBSTANCE: device has housing, field producing coil, and field sensible coil, which is connected to the electric ignitor. The field sensible coil is made up as rectangular one or multiple turns winding made up as a ring. EFFECT: enhanced reliability. 6 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике создания устройств передачи команд для пуска и зажигания твердотопливных ракетных двигателей и может быть использовано в системах индукционного запуска. The invention relates to techniques for creating command transmission devices for starting and igniting solid rocket engines and can be used in induction start systems.

Основные требования, предъявляемые к устройствам индукционного запуска твердотопливных двигателей (УИЗДТ), являющимися наиболее перспективными для современных систем запуска, следующие:
1. Высокая надежность срабатывания средств инициирования - электровоспламенителей (ЭВ) УИЗДТ, которая может быть достигнута за счет гарантированного приема необходимой энергии воспламенения от поля управляющего сигнала пускового устройства.The main requirements for induction starting devices of solid fuel engines (UIZDT), which are the most promising for modern starting systems, are as follows:
1. High reliability of triggering means of initiation - electric igniters (EV) UIZDT, which can be achieved by guaranteed reception of the necessary ignition energy from the field of the control signal of the starting device.

2. Повышенная безопасность при служебном обращении с устройствами, содержащими УИЗДТ, которая может быть достигнута за счет обеспечиваемого конструктивно помехозащищенности от воздействия внешних паразитных электромагнитных полей (ЭМП). 2. Increased safety during official handling of devices containing UIZDT, which can be achieved due to the structural noise immunity provided by external parasitic electromagnetic fields (EMF).

Известна система с устройством индукционного запуска [1] содержащая полесоздающую катушку, расположенную на пусковом устройстве, выполненном из стали аустенитного класса и поле воспринимающую катушку, расположенную на корпусе твердотопливного двигателя. Известное устройство обеспечивает высокую надежность срабатывания, малые энергозатраты за счет малых потерь в корпусе из стали аустенитного класса, компактно и просто по конструктивному исполнению. A known system with an induction start device [1] comprising a wood-creating coil located on a starting device made of austenitic steel and a field receiving coil located on the solid-fuel engine housing. The known device provides high reliability, low energy consumption due to small losses in the housing made of steel of austenitic class, compact and simple in design.

Основным недостатком известного устройства является отсутствие защиты от помех мощных низкочастотных электромагнитных полей, в частности возникающих в линиях электропередачи в аварийных режимах, особенно при коротком замыкании фазы на землю с характеристиками внешних воздействий:
напряженность магнитного поля до 3 кА/м;
скорость изменения напряженности магнитного поля до 600 кА/м•с.The main disadvantage of the known device is the lack of protection against interference of powerful low-frequency electromagnetic fields, in particular arising in power lines in emergency conditions, especially when the phase is shorted to ground with the characteristics of external influences:
magnetic field strength up to 3 kA / m;
rate of change of magnetic field strength up to 600 kA / m • s.

Помеха может привести к несанкционированному срабатыванию ЭВ. Для обеспечения гарантированного несрабатывания известного устройства индукционного запуска при служебном обращении необходимо обеспечить порог срабатывания от магнитного поля управляющего сигнала напряженностью порядка 300 кА/м, что увеличивает энергопотребление, и увеличивает габаритные размеры полесоздающей катушки (ПК). Указанный порог связан с необходимостью обеспечения безопасных токов наводки на поле воспринимающей катушке (ВК) не более одной сотой от тока гарантированного срабатывания ЭВ. Interference can lead to unauthorized operation of EV. To ensure guaranteed failure of the known induction start device during official handling, it is necessary to provide a response threshold from the magnetic field of the control signal with a strength of the order of 300 kA / m, which increases energy consumption and increases the overall dimensions of the wood-creating coil (PC). The specified threshold is associated with the need to ensure safe pick-up currents in the field of the receiving coil (VC) no more than one hundredth of the current guaranteed operation of the EV.

Известно устройство индукционного запуска твердотопливного двигателя, содержащее корпус, полесоздающую катушку, полевоспринимающую катушку, электрически связанную с электровоспламенителем и помещенную в сплошной ферромагнитный экран [2]
Данное устройство позволяет обеспечить высокую надежность срабатывания, компактно и просто по конструкции, частично защищено от мощных низкочастотных электромагнитных полей. Недостатком данного устройства является ограниченный диапазон напряженности ЭМП, при котором обеспечивается его помехозащита. Известно, что для ферромагнитного материала существует кривая намагничивания, показывающая, что при некоторой напряженности магнитного поля материал входит в насыщение, что резко снижает эффективность помехозащиты.A device is known for induction starting a solid-fuel engine, comprising a housing, a wood-creating coil, a field-sensing coil, electrically connected to an electric igniter and placed in a continuous ferromagnetic screen [2]
This device allows for high reliability of operation, compact and simple in design, partially protected from powerful low-frequency electromagnetic fields. The disadvantage of this device is the limited voltage range of the EMF, which provides its noise immunity. It is known that for a ferromagnetic material there is a magnetization curve showing that, at a certain magnetic field strength, the material enters saturation, which sharply reduces the efficiency of noise protection.

Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков. The aim of the invention is to eliminate the above disadvantages.

Указанная цель в УИЗТД, содержащем корпус, полесоздающую катушку, полевоспринимающую катушку, расположенную внутри корпуса твердотопливного двигателя, концы которой соединены с электровоспламенителем, достигается тем, что полевоспринимающая катушка выполнена в виде прямоугольной одно- или многовитковой обмотки, свернутой в кольцо. The specified purpose in the UTTD containing a housing, a wood-creating coil, a field-sensing coil located inside the solid-fuel engine housing, the ends of which are connected to an electric igniter, is achieved by the fact that the field-sensing coil is made in the form of a rectangular single or multi-turn winding, rolled into a ring.

Указанная конструкция полевоспринимающей катушки позволяет скомпенсировать наводки от ЭМП с любыми значениями напряженности магнитного поля и обеспечить безопасность от несанкционированного инициирования ЭВ при служебном обращении с двигателем за счет одинаковых и включенных по отношению друг к другу встречно электродвижущих сил (ЭДС), наводимых паразитными ЭМП на противоположных сторонах витков прямоугольной обмотки (ВК), свернутой в кольцо. The indicated design of the field-sensing coil allows you to compensate for pickups from EMF with any values of the magnetic field strength and to ensure safety from unauthorized initiation of EM during official handling of the engine due to the identical and included counter-electromotive forces (EMF) induced by spurious EMFs on opposite sides turns of a rectangular winding (VK), rolled into a ring.

В режиме санкционированного инициирования ЭВ создается локальное магнитное поле за счет внешнего замыкания магнитной цепи, образованной магнитопроводом полесоздающей катушки. In the mode of authorized initiation of EM, a local magnetic field is created due to the external closure of the magnetic circuit formed by the magnetic circuit of the wood-creating coil.

Магнитный поток, создаваемый током управляющего сигнала полесоздающей катушки, пересекает контур витков полевоспринимающей катушки в радиальном направлении и наводит на противоположных сторонах витков прямоугольной многовитковой обмотки свернутой в кольцо одинаковые ЭДС, но включенные синфазно по отношению друг к другу, при этом общая ЭДС суммируется. Это позволяет обеспечить безотказность срабатывания ЭВ. The magnetic flux generated by the current of the control signal of the wood-creating coil crosses the contour of the turns of the field-sensing coil in the radial direction and induces the same EMF on the opposite sides of the turns of the rectangular multi-turn winding but turned on in phase with respect to each other, while the total EMF is summed. This allows you to ensure the reliability of the EV.

Для уменьшения наводок за счет несимметрии и разброса размеров конструкции полевоспринимающей катушки поперечные стороны витков начала и конца обмотки катушки установлены не в стык, а в нахлест. To reduce interference due to asymmetry and the spread of the design of the field sensing coil, the transverse sides of the turns of the beginning and the end of the coil winding are installed not in the joint, but in the overlap.

Для уменьшения габаритных размеров ВК прямоугольная обмотка выполнена на гибкой печатной плате в виде одной или нескольких прямоугольных спиралей, соединенных последовательно. To reduce the overall dimensions of the VK, the rectangular winding is made on a flexible printed circuit board in the form of one or more rectangular spirals connected in series.

Для увеличения ЭДС, наводимой на прямоугольной многовитковой обмотке, выполненной на гибкой печатной плате, необходимой для надежного срабатывания ЭВ, ВК выполнена многооборотной, что эквивалентно увеличению числа ее витков, однако любое дополнительное количество оборотов катушки не приводит к увеличению величины наводок от паразитных ЭМП. To increase the EMF induced on a rectangular multi-turn winding, made on a flexible printed circuit board, necessary for reliable operation of the EM, the VC is multi-turn, which is equivalent to an increase in the number of turns, however, any additional number of revolutions of the coil does not increase the magnitude of the pickups from spurious EMFs.

Для увеличения коэффициента передачи полезного сигнала (уменьшения воздушных зазоров в замкнутой магнитной цепи) часть корпуса твердотопливного двигателя, охватывающего катушку, может выполняться из ферромагнитного материала, а во внутрь кольца катушки может быть установлена вставка из ферромагнитного материала. To increase the transmittance of the useful signal (to reduce air gaps in a closed magnetic circuit), a part of the solid-fuel engine housing covering the coil can be made of ferromagnetic material, and an insert of ferromagnetic material can be installed inside the coil ring.

На фиг. 1 изображен предлагаемый макет устройства индукционного запуска твердотопливного двигателя, состоящий из корпуса 1, полевоспринимающей катушки 2, каркаса катушки 3, электровоспламенителя 4. Каркас катушки устройства индукционного запуска ввинчен в корпус твердотопливного двигателя, выполненный из неферромагнитного материала. In FIG. 1 shows the proposed layout of the induction start device of a solid fuel engine, consisting of a housing 1, a field sensing coil 2, a coil frame 3, an electric igniter 4. The coil frame of the induction start device is screwed into a solid fuel engine housing made of non-ferromagnetic material.

На фиг. 2 изображена фотография макета приемного устройства индукционного запуска в натуральную величину. In FIG. 2 is a photograph of a life-size induction start-up receiver.

На фиг. 3 изображено заявляемое устройство индукционного запуска твердотопливного двигателя в составе твердотопливного двигателя с внешней полесоздающей катушкой, где: 5 полесоздающая катушка; 6 магнитопровод (ферромагнитный стакан и стержень). In FIG. 3 shows the inventive device for induction starting a solid-fuel engine as a part of a solid-fuel engine with an external mating coil, where: 5 mating coil; 6 magnetic circuit (ferromagnetic cup and rod).

Заявляемое устройство индукционного запуска твердотопливного двигателя в служебном обращении функционирует следующим образом (фиг. 1). The inventive device for the induction start of a solid fuel engine in official circulation operates as follows (Fig. 1).

Пространственно-однородное внешнее магнитное поле помехи можно представить в виде двух составляющих: магнитное поле, направленное вдоль оси твердотопливного двигателя; магнитное поле, направленное перпендикулярно оси твердотопливного двигателя. A spatially uniform external magnetic field of interference can be represented in the form of two components: a magnetic field directed along the axis of the solid fuel engine; magnetic field directed perpendicular to the axis of the solid fuel engine.

Внешнее поле, направленное вдоль оси, наводит на противоположных сторонах прямоугольной многовитковой обмотки 2 свернутой в кольцо, одинаковое напряжение, которые взаимно компенсируются. An external field directed along the axis induces on the opposite sides of a rectangular multi-turn winding 2 rolled into a ring, the same voltage, which are mutually compensated.

Внешнее поле, направленное перпендикулярно оси, наводит на диаметрально противоположных сторонах прямоугольной многовитковой обмотки 2, свернутой в кольцо, одинаковые напряжения, которые тоже взаимно компенсируются. Поэтому наводки от внешнего пространственно однородного низкочастотного магнитного поля любой величины и направления, взаимно компенсируясь, на противоположных сторонах прямоугольной многовитковой обмотки 2, дают на выводах электровоспламенителя 4 напряжение, равное нулю. Таким образом, предлагаемое устройство индукционного запуска обеспечивает безопасность в условиях воздействия внешнего пространственно-однородного низкочастотного магнитного поля любого направления. An external field directed perpendicular to the axis induces on the diametrically opposite sides of a rectangular multi-turn winding 2, rolled into a ring, the same voltage, which is also mutually compensated. Therefore, pickups from an external spatially uniform low-frequency magnetic field of any size and direction, mutually compensating, on opposite sides of a rectangular multi-turn winding 2, give a voltage equal to zero at the terminals of the electric igniter 4. Thus, the proposed induction start device ensures safety under the influence of an external spatially uniform low-frequency magnetic field of any direction.

Максимальное значение величины наводки от поля помехи определяется только погрешностью изготовления полевоспринимающей катушки (непрямоугольностью катушки, погрешностью взаимного расположения витков и т.д.). The maximum value of the pickup from the interference field is determined only by the manufacturing error of the field sensing coil (non-rectangularity of the coil, the error in the relative position of the turns, etc.).

В режиме санкционированного инициирования ЭВ твердотопливного двигателя заявляемое устройство индукционного запуска функционирует следующим образом. In the mode of authorized initiation of EM solid propellant engine of the inventive device induction start operates as follows.

Магнитное поле (фиг. 3), создаваемое полесоздающей катушкой 5, замыкается через магнитопровод полесоздающей катушки 6 и полностью пересекает контур полевоспринимающей катушки 2, выполненной в виде прямоугольной многовитковой обмотки, свернутой в кольцо и помещенной в воздушный зазор между ферромагнитным стаканом и стержнем магнитопровода полесоздающей катушки 6. The magnetic field (Fig. 3) created by the wood-creating coil 5 is closed through the magnetic circuit of the wood-forming coil 6 and completely intersects the contour of the field-sensing coil 2, made in the form of a rectangular multi-turn winding, rolled into a ring and placed in the air gap between the ferromagnetic cup and the core of the magnetic circuit of the wood-creating coil 6.

Поскольку магнитный поток, создаваемый полесоздающей катушкой 5, полностью пересекает контур полевоспринимающей катушки 2, то на последней наводится максимальное напряжение, обеспечивающее необходимую энергию воспламенения для безотказного срабатывания электровоспламенителя 4. Since the magnetic flux generated by the pole-forming coil 5 completely crosses the contour of the field-sensing coil 2, the maximum voltage is induced on the latter, providing the necessary ignition energy for the faultless operation of the electric igniter 4.

Таким образом, заявляемое устройство индукционного запуска позволяет увеличить энергию воспламенения, наводимую в воспринимающей катушке, от поля управляющего сигнала и взаимно компенсировать эту энергию от поля помехи. Thus, the claimed device induction start allows you to increase the ignition energy induced in the receiving coil from the field of the control signal and mutually compensate for this energy from the interference field.

Был изготовлен и испытан макет заявляемого устройства индукционного запуска (фиг. 3). Was made and tested the layout of the inventive device induction start (Fig. 3).

Макет устройства имел следующие параметры:
Полесоздающая катушка (ПК):
число витков обмотки ПК 294;
провод ПЭТВ-2 диаметром 0,95 мм;
число витков в слое 21;
число слоев в обмотке катушки 14;
сопротивление провода обмотки катушки постоянному току 1,15 Ом;
индуктивность катушки на частоте 1000 Гц 3,8 мГн.The device layout had the following parameters:
Creeping Coil (PC):
the number of turns of the PC winding 294;
PETV-2 wire with a diameter of 0.95 mm;
the number of turns in the layer 21;
the number of layers in the coil winding 14;
resistance of the coil winding wire to direct current 1.15 Ohm;
coil inductance at a frequency of 1000 Hz 3.8 mH.

Полевоспринимающая катушка:
количество витков в спирали 8;
количество спиралей 32;
сопротивление проводящего рисунка постоянному току 6,0 Ом;
индуктивность проводящего рисунка на частоте 1000 Гц 22 мкГн.Field pickup coil:
the number of turns in a spiral 8;
the number of spirals 32;
resistance of the conductive pattern to direct current 6.0 Ohm;
the inductance of the conductive pattern at a frequency of 1000 Hz 22 μH.

При подаче на ПК одной полуволны напряжения 220В ±10% частотой 50 Гц на эквиваленте нагрузки ЭВ R=12 Ом выделялась энергия W=1,2 мДж. При этом наводимый сигнал на ВК имел параметры:
напряжение импульса u=2,6 B;
длительность импульса t=5,0 мс.When a half-wave voltage of 220V ± 10% was applied to a PC at a frequency of 50 Hz, an energy of W = 1.2 mJ was released at the equivalent load of the electric field R = 12 Ohm. In this case, the induced signal on the VC had the following parameters:
pulse voltage u = 2.6 V;
pulse duration t = 5.0 ms.

Полученной энергии достаточно для срабатывания ЭВ типа МБ-4-1 с вероятностью 0,9999 при доверительной вероятности 0,9. The energy received is enough to trigger an MB-4-1 type EV with a probability of 0.9999 with a confidence level of 0.9.

Таким образом, испытаниями подтверждена работоспособность ЭВ с заданной вероятностью. Thus, the tests confirmed the efficiency of the EV with a given probability.

Помехозащищенность проверялась измерением наводимого напряжения на ВК при размещении ее в магнитном поле соленоида с числом витков 378 при среднем диаметре витка 140 мм и длине соленоида 70 мм. The noise immunity was checked by measuring the induced voltage at the VC when placing it in a magnetic field of a solenoid with a number of turns of 378 with an average diameter of a turn of 140 mm and a length of a solenoid of 70 mm.

Соленоид запитывался одной полуволной напряжения 220В частоты 50 Гц, напряженность магнитного поля в центре соленоида составляла 124 кА/м. Сопротивление провода обмотки соленоида постоянному току 4,6 Ом, индуктивность соленоида на частоте 1000 Гц 3,36 мГн. The solenoid was powered by one half-wave voltage of 220V, frequency 50 Hz, the magnetic field strength in the center of the solenoid was 124 kA / m. The resistance of the wire of the solenoid winding to direct current is 4.6 Ohms, the inductance of the solenoid at a frequency of 1000 Hz is 3.36 mH.

Размещение катушки в центре соленоида (симметрично относительно оси и краев) не позволило зафиксировать наводки на катушке даже с учетом погрешности ее конструктивного выполнения на гибкой печатной плате. The placement of the coil in the center of the solenoid (symmetrically about the axis and the edges) did not allow fixing the pickup on the coil, even taking into account the error of its structural design on a flexible printed circuit board.

Таким образом, устройство индукционного запуска обладает высокой надежностью срабатывания ЭВ за счет гарантированного приема необходимой энергии воспламенения от полеуправляющего сигнала и в то же время имеет по сравнением с прототипом повышенную безопасность в служебном обращении и в режиме эксплуатации за счет гарантированной помехозащиты от воздействия внешних паразитных ЭМП. Thus, the induction start device has high reliability of EM operation due to the guaranteed reception of the necessary ignition energy from the field control signal and, at the same time, has increased safety in official circulation and in operation due to the guaranteed noise protection from external parasitic EMF compared to the prototype.

Claims

1. A device for induction starting a solid-fuel engine, comprising a housing, a wood-creating coil, a field-sensing coil, electrically connected to an electric igniter, characterized in that the field-sensing coil is made in the form of a rectangular single or multi-turn winding, rolled into a ring.

2. The device according to claim 1, characterized in that in it the winding is made on a flexible printed circuit board.

3. The device according to claims 1 and 2, characterized in that in it the coil is made in the form of a spiral.

4. The device according to PP.1 to 3, characterized in that in it the transverse sides of the turns of the rectangular winding are overlapped.

5. The device according to claims 1 to 4, characterized in that in it a part of the housing of the solid fuel engine covering the coil is made of ferromagnetic material.

6. The device according to paragraphs. 1 to 4, characterized in that in it inside the coil there is an insert made of ferromagnetic material.