Использование изобретения "Детонационный двигатель" в военном деле
В настоящее время в двигателях любых типов твердотопливных ракет используются химические реакции горения (дефлаграции), где скорость распространения реакции меньше скорости звука в данной среде и не превосходит 400 м/с. В предлагаемом проекте в двигателях ракет используются химические реакции детонации твердого ВВ со сверхзвуковой скоростью распространения реакции в несколько тысяч метров в секунду. Проекты ракет с детонационными двигателями на твердом детонирующем ВВ в качестве топлива известны с 1952 года по патенту SE137341A, НКИ 463,3, а также – в развитие этой идеи – по ряду российских патентов: RU 2200243, RU 2245499, RU 2491440. Но принципиальные недостатки технических решений перечисленных патентов, указанные в материалах моего патента, не позволяют создать по этим патентам действующее устройство, в отличие от предлагаемого проекта, по которому автором изготовлены и испытаны изделия, с получением весомых результатов.
В проекте дается математическое и экспериментальное обоснование создания принципиально нового вида ракетного двигателя и схемы ракеты на основе такого двигателя – многоступенчатые твердотопливные ракеты с детонационными двигателями на твердом детонирующем ВВ в качестве топлива. Внедрение предлагаемого изобретения позволит получать гиперзвуковые скорости полезным грузом ракеты в 2 км/с и выше (то есть более 5 Махов) с ускорением груза в пределах длины направляющей (ствола) метательной установки. Проведенные автором эксперименты с изготовленными им ракетами полностью подтвердили возможность создания нового класса ракет и нового способа метания тел с недостижимыми до сих пор скоростями.
Цель достигается конструированием инновационных типов ракет по многоступенчатой схеме в десятки и сотни ступеней с применением детонационных двигателей (они же ступени) с детонирующими ВВ в качестве топлива. Это позволяет использовать воздействие ударных волн детонации ВВ в разделяемых ступенях ракеты для повышения мощности и КПД ракеты, так как детонационный процесс на много порядков скоротечней, чем горение, и потому мощность детонационного двигателя настолько же выше и, следовательно, расход топлива настолько же меньше, для достижения равнозначного эффекта по сравнению с традиционными ракетами. Использование эффекта многократного отражения детонационных волн при разделении ступеней приводит к повышению КПД преобразования химической энергии топлива в механический импульс полезного груза.
Схематичное изображение вертикального разреза детонационного двигателя в направляющей (пусковой установке).
Как известно, КПД традиционных ракет находится в пределах 3–7%, энергия дорогостоящего топлива уходит на нагрев столба воздуха высотой в десятки километров, в то время как автор в своих экспериментах достиг значения КПД более 70%, ибо конструкция детонационных двигателей и схема ракеты позволяют основную часть химической энергии топлива превращать в механический импульс полезного груза. Использование подхода по созданию принципиально иных двигателей для ракет, основанное на детонации ВВ в детонационных ракетных двигателях, и схем сборки ракет на таких двигателях позволит создать:
– новые средства высокоскоростного метания тел без воздействия отдачи на пусковую установку;
– кинетическое оружие, где кинетическая энергия метаемого тела превосходит химическую энергию ВВ такой же массы;
– новый класс малогабаритных ракет малой и средней дальности;
– малотоннажные ракеты для вывода легких спутников на орбиту.
Малокалиберные ракеты с миделевым сечением в несколько квадратных сантиметров с детонационными двигателями позволят создать установки с не существующими на сегодняшний день темпами стрельбы в сотни тысяч выстрелов в минуту и со скоростями поражающих элементов более 2 км/с. Такие установки способны не только уничтожить малоразмерные БПЛА, но и остановить более серьезную бронированную технику противника, сдувая с ее поверхности приборы ориентации, наблюдения, подсветки, оптические приборы, контейнеры с ракетами и т.д. Кроме того, они могут поражать на больших площадях живую силу и технику противника, не опасаясь ответного удара из-за дальности стрельбы и мобильности как следствия малого веса пусковых устройств. Реактивный принцип метания не ограничивает верхний предел скоростей, как в системах, использующих давление пороховых газов для метания, и потому независимо от калибра скорость метания может достигать гиперзвуковых значений в десятки Махов, что позволит вооружить и рядового бойца, и любое транспортное средство исключительно дальнобойным оружием.
Проведенный патентный поиск при составлении заявки на изобретение и отсутствие сведений о применении подобного устройства в региональных конфликтах (именно там можно было бы наиболее действенно использовать такие устройства) позволяют надеяться на создание эффективных средств поражения на основе предлагаемого проекта до появления какого-либо аналога у вероятного противника. Малогабаритные, компактные и дешевые ракеты с детонационными двигателями, обладающие скоростью полезного груза в десятки Махов, способны заменить огромные и энергоемкие газодинамические пушки при научных исследованиях по определению влияния пылевидных и микрочастиц на космические аппараты; для создания больших кратковременных давлений при разработке новых материалов, в том числе и при получении алмазоподобных структур. Мощный механический импульс, создаваемый ракетами, можно использовать в труднодоступных местах, например для анкеровки опасных осыпающихся горных склонов; для быстрого устройства якорей расчалок мачт ЛЭП; очагов заземления в любом грунте при развертывании мобильных частей РЛС и МБР; устанавливать подводными роботами в корпусах затонувших судов анкеры с тросами для их подъема практически с любой глубины.
Сущность и содержание предлагаемого изобретения основываются на известных данных экспериментов и выводах, сделанных при их анализе и интерпретации.
Известно, что давление Р детонационной волны на твердую поверхность определяется соотношением: P = ρDU, где:
ρ – плотность ВВ;
D – скорость детонационной волны;
U – скорость разлета продуктов реакции.
Выражая силу F через давление P, имеем: F = PS где S – площадь действия силы.
В то же время, зная, что изменение импульса Ρ системы равно интегралу от силы по времени, имеем:
Р = ∫Fdt = ∫PSdt = ∫dt; так как ρ, D, U и S не зависят от времени, то импульс Р = ρDUS ∫dt = ρDUS ∆t (1),
где ∆t – время действия детонационной волны.
Формула (1) дает возможность определить конечную скорость полезного груза, зная характеристики ВВ, и с учетом многократных отражений детонационных волн от отработавших ступеней является аналогом формулы К.Э. Циолковского для ракеты с детонационными двигателями. Из формулы (1) видно, что для увеличения передаваемого полезному грузу импульса от определенного количества ВВ, кроме наличия максимальных значений плотности, скорости детонации и скорости разлета продуктов реакции, желательно распределить это ВВ по возможно большей площади, не переходя за критические параметры детонации по толщине укладки, а увеличение времени, в течение которого срабатывается ВВ в ступени, необходимо для того, чтобы материал ступени мог бы успеть, исходя из прочностных характеристик материала, без потерь передать в полной мере импульс следующей ступени и в конечном счете – полезному грузу. Эти выводы, вытекающие из (1), и определяют геометрические параметры детонационного двигателя (ступени) ракеты и схему ее конструкции. Ступень должна быть тонкой, плоской, а ВВ нужно уложить в возможно длинную канавку для данной площади ступени, соблюдая условие неразрушимости ребер жесткости и днища ступени при применении конкретного вида ВВ. Ступени укладываются друг на друга так, чтоб поверхность с канавками была направлена в противоположную сторону полета ракеты, притом стенки канавок играют роль ребер жесткости для восприятия ускоряющих нагрузок без воздействия на ВВ следующей ступени. Инициация ВВ в ступенях осуществляется через запальные отверстия, выполненные в начале или конце канавки с чередованием, причем в объеме этих отверстий может находится ВВ с другой скоростью реакции для регулировки времени срабатывания всей ракеты внутри направляющей. При срабатывании детонирующего ВВ происходит многократное отражение детонационной волны как от поверхности отбрасываемой ступени, так и от следующей ступени ракеты, что приводит к взаимному ускорению отбрасываемой ступени и самой ракеты, а срабатывание всех ступеней из-за быстротечности детонационных процессов происходит на определенном участке внутри направляющей, а не в свободном полете. Часть направляющей, где двигатели уже выработали топливо и отброшены, служит для точного направления полезного груза по нужной траектории.
По результатам работ многих исследовательских групп установлено, что при реакции детонации (скорость химической реакции детонации составляет несколько километров в секунду) передача импульса механической системе на 15–20% больше, чем при горении пороховых шашек в твердотопливных двигателях (скорость реакции – десятки метров в секунду) или при взрывном горении (скорость реакции – сотни метров в секунду). Вся история техники свидетельствует, что в итоге наибольшее распространение и применение получает именно то техническое решение, КПД которого выше остальных, тем более что в предлагаемом изделии отсутствуют подвижные детали и узлы, работающие при высоких давлениях и требующие точного изготовления, прецизионной подгонки, дорогостоящих сталей и цветных металлов, как это необходимо во всех других системах.
Вид сверху на диск с запальным отверстием во внешней канавке.
Предлагаемые конструкции реактивных детонационных двигателей и многоступенчатые ракеты на их основе будут очень эффективны для метания макротел. Известно, что в ствольном оружии скорость метания ограничена и лучшие образцы достигают лишь скорости в 1750–1800 м/с, а при реактивном принципе метания скорость может достигать гораздо больших значений – десятки километров в секунду. При применении традиционных ракет для достижения таких скоростей требуется длительное время работы двигателей в свободном пространстве, а в случае ракет с детонационными двигателями это не так, поскольку из-за высокой скорости детонационных процессов передача импульса полезному грузу происходит за очень короткое время в пределах длины направляющей метательной установки, что и демонстрируют проведенные испытания.
Вот ТТХ испытанной модели:
– общий вес ракеты – 54 г, полезный груз – шарик подшипниковый диаметром 15,1 мм и весом 14 г, диаметр ракеты – 16 мм, длина без шарика – 82 мм, масса топлива, фульмината ртути – 5,17 г, количество ступеней – 18, масса одной ступени (детонационного двигателя) без топлива – 2,22 г, масса топлива в ступени – 0,28 г, соотношение между массой топлива и общей массой ракеты – Мт/Мо – 0,095, или 9,5% (в традиционных ракетах большая часть веса приходится на топливо – до 90%), соотношение между массой топлива и массой полезного груза – Мт/Мпг – 0,37, материал корпуса двигателя – алюминий.
Скорость шарика определена методом баллистического маятника по высоте подъема маятника весом 4720 г на подвесе длиной 1780 мм. Скорость шарика равнялась 1305 м/с, что значительно выше скорости любой стрелковой системы. Ракета запускалась в горизонтальном направлении через стальную открытую с обоих концов трубу с внутренним диаметром 17 мм и длиной 450 мм. Другие аналогичные опыты дали такие результаты: стальной шарик пробил насквозь 640 листов стопки книг и застрял в штукатурке кирпичной стены на глубине 25 мм, а в другом опыте шарик углубился в торец сухого соснового бруса сечением 150Х150 мм на глубину 140 мм (фото этого эксперимента указано в материалах патента). Из этих отношений видно, что по основным характеристикам ракеты по предлагаемому изобретению во много раз превосходят показатели традиционных ракет, и это возможно только в случае использования ранее никогда не применявших видов топлива – детонирующих ВВ и технического решения по их применению по патенту № 2645099 RU. Так, в традиционных ракетах масса топлива составляет 90% и более от массы всей ракеты, а в данном случае – 9,5%, КПД традиционных ракет составляет 3–7% ("Союз" 2,1в – 3,5%), а у ракет с детонационными двигателями – более 70% и т.д.
Законы движения всех современных ракет основаны на гипотезе Циолковского о том, что функции, определяющие изменение массы ракеты (истечение газовых струй), должны быть монотонными, гладкими и неразрывными, то есть истечение газовых струй равномерно в течение длительного времени. Без учета факторов внешнего влияния, – сопротивления воздуха, атмосферного давление, силы тяжести и т.д. закон движения ракеты описывается формулой Циолковского, где масса тела самой ракеты играет значительную роль в определении траектории движения полезного груза. Например, в РСЗО большая поверхность и масса корпуса ракеты после выработки топлива оказывает заметное влияние на дальность и точность доставки БЧ из-за сопротивления воздуха и бокового смещения от порывов ветра.
Вид I изделия (исполнен не в масштабе).
В предлагаемом проекте функции, описывающие изменение массы тела, имеют разрывной характер, являются дельта-функциями и масса ракеты изменяется пропорционально изменению массы топлива и количеству отбрасываемых ступеней. Вследствие скоротечности детонационных процессов полезный груз получает необходимый импульс внутри направляющей пусковой установки, и в отличие от современных ракет окружающая среда влияет только на малоразмерный полезный груз, что увеличивает точность поражения цели. Ракеты с детонационными двигателями не создают при пуске открытого пламени и не обладают дымным шлейфом, что способствует скрытности применения. Определить закон движения полезного груза по предлагаемому проекту можно на основе теории центрального лобового упругого столкновения тел, и решение задачи по установлению закона движения тела при таком способе ускорения полезного груза представляет большой научный интерес, ибо такой способ метания тел может составить конкуренцию рельсотрону, который требует громадных затрат на обеспечение электрической энергией и эксплуатацию дорогостоящей метательной установки, где через несколько выстрелов надо менять посеребренные рельсы, способные выдержать силу тока в мегаамперах.
На практике по предлагаемому проекту можно создавать изделия с очень маленьким калибром для метания готовых поражающих элементов (ГПЭ) размером от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров со скоростями выше 2 км/с, что невозможно осуществить ствольными системами, а также легкие носимые и станковые установки для метания БПОС (бронебойный подкалиберный оперенный снаряд) с интегрированными в поддон БПОС детонационными двигателями без использования гильзового боеприпаса. Такие установки не обладают отдачей, не имеют в своей конструкции подвижных и высокопрочных запорных устройств, как обычные ствольные системы, и могут находиться на вооружении у рядового бойца или устанавливаться на платформе робота, не говоря уже о более тяжелой технике. Многоствольные малокалиберные установки (например сантиметровые стволы, смонтированные по 100 штук в ряд и в 100 строк), работающие в автономном режиме без постоянного обслуживания человеком, можно использовать для охраны стационарных объектов, участков границ и т.д. с удаленным управлением, с возможностью поражения как наземных, так и воздушных целей, с боевым темпом стрельбы в десятки тысяч выстрелов в секунду. Ракеты по проекту могут служить полезным грузом для обычных ракет в целях ускорения БЧ или готовых поражающих элементов до гиперзвуковых скоростей.
Разрез А-А диска из рисунка № 1 (исполнен не в масштабе).
В народном хозяйстве по проекту можно создавать сверхвысокие давления встречным ускорением пуансона и матрицы для синтеза новых материалов, для внедрения в грунт, скальные породы и металлические обшивки судов анкерных устройств в целях устранения обвалов, монтажа расчалок или подъема судов. В науке проект может быть использован для получения скоростей в десятки километров в секунду пробными телами различной массы от долей грамма и выше вместо газодинамических пушек на легких газах объемом с хороший спортивный зал и громоздких взрывных устройств.
Новизна проекта заключается не только в том, что на техническое решение о применении детонационных, протекающих со сверхзвуковой скоростью химических реакций в ракетных двигателях получен патент Роспатента, подтверждающий мировую новизну изобретения, но и в том, что в материалах патента сформулирован логический вывод в виде математической формулы о конструктивных и технологических особенностях детонационных ракетных двигателей. На основе этих выводов заявителем были изготовлены и испытаны ракеты на детонационных двигателях, подтвердившие безусловную работоспособность и перспективность предлагаемого проекта. Дешевизна применяемых материалов, простота и технологичность изготовления детонационных двигателей, а также простая схема конструкции самой ракеты – все это позволило заявителю в "гаражных" условиях изготовить и испытать несколько таких ракет. Пока еще в свободном доступе нет информации, что кто-либо изготовил и испытал подобное устройство, и потому предлагаемый проект является не только новым, но и пионерским, что позволит РФ быть лидером и первопроходцем в разработке и изготовлении твердотопливных ракет с детонационными двигателями с применением детонирующих ВВ в качестве топлива, и для оценки возможностей предлагаемого изделия нужно сравнить ТТХ существующих изделий.
Наиболее близкими изделиями по схожести выполняемых функций могут быть ствольные стрелковые системы – автоматы и пулеметы, а в качестве сравнительной характеристики можно взять КПД преобразования химической энергии заряда в кинетическую (дульную) энергию метаемого тела и его скорость.
При испытании в предлагаемом проекте КПД ракеты с детонационными двигателями превышал 70%. Если определить КПД станковых, ручных пулеметов, а также АКМ как отношение энергии горения пороха в патронах указанных изделий к их дульной энергии, то можно прийти к результату, что КПД у них находится в пределах 42–45%.
В то же время у изделия, изготовленного автором с применением простейших станков, где самым сложным был токарный станок, и запушенного через кусок трубы длиной в полметра (при этом надо заметить, что пусковое устройство не обладает отдачей), кинетическая энергия не уступает дульной энергии самых лучших в мире образцов станковых пулеметов со сходными калибрами, но с большим весом пороха в патроне, и в разы превосходит знаменитые РПК и АКМ. В нашем случае кинетическая энергия, приобретенная полезным грузом – стальным шариком массой 14 г и диаметром 15,1 мм, – при запуске указанной ракеты с массой топлива в 5,17 г и скорости шарика в 1305 м/с составила 11921,1дж, или ≈ 12 кДж.
Например, дульная энергия ДШК, калибр 14,5 мм – 19 кДж, Корд, калибр 12,7 мм – 17,3 кДж, РПК, калибр 7,62 мм – 2,2 кДж, АКМ, калибр7,62 мм – 2,01 кДж. Скоростью метания в 1305 м/с не обладает ни одна стрелковая система, даже у лучших снайперских винтовок скорость пули находится в пределах 1000 м/с.
В настоящее время ствольные системы, работающие на давлении пороховых газов, достигли предела своих возможностей и их совершенствование осуществляется за счет использования легких сплавов и пластмасс без принципиального изменения физического процесса метания тел. Вследствие этого в конфликтах противные стороны применяют системы вооружений со сходными ТТХ, а в большинстве случаев в локальных вооруженных конфликтах противные стороны применяют одни и те же системы вооружений, но вся история военного противостояния сторон гласит, что при прочих равных условиях сторона, которая имеет преимущество в скорострельности и дальности стрельбы, получит преимущество.
Вид сверху одной пары детонационных двигателей в сборе. Чертежи выполнены автором
Альтернативными способами метания тел с более высокими скоростями, чем ствольные системы, являются устройства, где используются электромагнитные эффекты – рельсотроны с использованием силы Лоренца и так называемое ружье Гаусса с использованием силы взаимодействия инертного ферромагнитного тела и магнитного поля соленоида (линейный ускоритель). Использование электромагнитных эффектов для ускорения тела имеют свои преимущества: это незначительна отдача пусковой установки, связанная с трением метаемого тела, бесшумность, отсутствие опасных в обращении и в боевой обстановке ВВ, большая, чем в ствольных системах, скорость метаемого тела. Но необходимость иметь мощные источники электрической энергии, громоздкие конденсаторные батареи для мгновенного преобразования электрической энергии в механический импульс метаемого тела, низкий КПД преобразования одного вида энергии в другой (для рельсотрона этот показатель не превышает 7%) не позволяют использование электромагнитных эффектов для метания тел, тем более в ручных или станковых малогабаритных устройствах для создания новых классов оружия. Так, для установки одного лишь опытного экземпляра рельсотрона в США построили целый эсминец Zumwalt.
Существующие ручные и станковые ствольные системы оружия имеют приемлемые массогабаритные размеры, но не обладают скоростью метания выше 2 км/с, так как законы термодинамики не позволяют пороховым газам в стволе расширяться выше определенной скорости, а системы, использующие электромагнитные эффекты, хоть и достигают скорости метания свыше 2 км/с и обладают громадной мощностью, но имеют чрезмерно большие массогабаритные характеристики, что делает их неприменимыми на поле боя. Предлагаемый проект позволяет создавать системы вооружения с такими же массогабаритными характеристиками и даже меньшими, как ствольное оружие, но с мощностями, сравнимыми с электромагнитным оружием. Так, мощность традиционных ракет при полете определяется кинетической энергией вытекающих газовых струй и пропорциональна квадрату скорости газовой струи. В предлагаемом проекте мощность детонационного двигателя можно определить таким образом.
Из основ физики известно, что мощность N = Fυ,
где F – сила приложенная к телу;
υ – скорость тела.
Подставив в эту формулу значение силы, входящее в формулу (1), для определения давления детонационной волны получим, что мощность
N = ρDUSυ, где ρ – плотность ВВ;
D – скорость детонации;
U – скорость продуктов детонации;
S – площадь действия детонации;
υ – скорость ступени после разделения.
Так как U = D/4, тогда:
N = ρD2Sυ/4 кгм2/с3. (2)
Таким образом, мощность детонационного двигателя в первом приближении пропорциональна квадрату скорости детонационной волны. Квадрат скорости истечения газовых струй и квадрат скорости детонационной волны разнятся между собой на многие порядки, что ясно показывает преимущество применения детонационных двигателей для метания тел. Этот вывод наглядно продемонстрировали проведенные автором эксперименты.
Пусковая установка для ракет по проекту представляет собой цилиндрический ствол, открытий с обоих концов, который может быть даже перфорированным для облегчения веса, и метаемое тело получает ускорение в пределах длины направляющей из-за быстротечности детонационных процессов в детонационных двигателях ракеты. Отсутствие высоких давлений и прецизионных запорных устройств, как в ствольных системах, минимальная отдача, связанная только с трением метаемого тела, дают возможность изготовления пусковой установки из легких сплавов, что резко снижает стоимость изделия, увеличивает мобильность и повышает надежность при эксплуатации.
Из открытых источников автору еще неизвестны какие-либо изготовленные устройства, работающие по предлагаемому в изобретении №2645099 RU техническому решению, что позволяет РФ получить преимущество в разработке новых классов вооружения, получить новые знания поведения детонационных процессов в щелевидном пространстве отбрасываемых ракетных ступеней, отработать технологии изготовления детонационных двигателей не только из высокопластичных легких сплавов, но и из ударопрочных видов пластмасс методом термопластичного литья. Такой способ изготовления ступеней ракет, особенно малого калибра, значительно удешевит стоимость изделия – боеприпаса в виде ракеты с детонационными двигателями и БЧ – из-за высокой производительности литьевых машин, замены цветных металлов на пластмассы, использования для выпуска продукции общедоступных промышленных машин и оборудования, а не специализированных станков.
Боевые роботы, оснащенные многоствольными складывающимися пусковыми установками для малокалиберных ракет с целью скрытного перемещения, способны будут поражать живую силу, легкобронированную технику, БПЛА и воздушные цели противника на дальнем расстоянии из-за высокой скорости БЧ ракеты. Если представить пусковую установку в виде плиты со смонтированными на ней направляющими стволами, с наружным диаметром в 10 мм, то на 1 кв. м можно смонтировать 10 тыс. стволов с малокалиберными ракетами и БЧ в виде пуль, шариков, дротиков, игл и т.д. Оператор может запустить за доли секунды ракеты хоть по одной, хоть все вместе или по любой другой программе, создавая стальную летящую тучу на пути любого противника. Такая установка на роботе с подобным темпом стрельбы, боезапасом и дальностью поражения, с возможностью мгновенной ориентации пусковой установки в трех ортогональных плоскостях и ведения стрельбы без отдачи, без опрокидывающего момента (в отличие от роботов с пулеметом), оснащенная разнообразными датчиками и искусственным интеллектом, будет господствовать на поле боя независимо от рельефа, времени года и суток, погодных условий и атмосферы. Проект дает возможность получения метаемым телом скорости более 2 км/с ракетами калибром в доли сантиметра и более. Это позволить создать ручное оружие для рядового бойца, станковое оружие с магазинным, ленточным или револьверным заряжением стволов по схеме Гатлинга, для установки на любом виде техники и на стационарных объектах, с гарантированным поражением целей в радиусе нескольких километров.
В других сферах по предлагаемому проекту можно создавать сверхвысокие давления за счет встречного движения пуансона и матрицы, с их ускорением в пределах нескольких метров для получения и синтеза новых материалов, разгона пылевидных и субмиллиметровых частиц в целях изучения воздействия микрочастиц на космические аппараты. Мощные импульсы, полученные с применением данного проекта, можно использовать для внедрения анкерных устройств в грунт, бетон и металл. Например, путем внедрения множества анкеров в металлический корпус затонувшего судна с укрепленными на них тросами для поплавков и понтонов можно поднять с любой глубины, доступной подводным роботам, подводные лодки без подвода под корпус тросов и подъемных лент, как это обычно делают. Данный проект позволил бы провести подобную операцию в сжатые сроки и с существующим оборудованием.
Шамиль Абдуллаев
Шамиль Бабугаджиевич Абдуллаев – инженер.
