Способ создания фейерверка в плотных слоях атмосферы для зрительного наблюдения его с земной поверхности (варианты) и пиротехнический заряд для осуществления способа

Способ создания фейерверка в плотных слоях атмосферы для зрительного наблюдения его с земной поверхности (варианты) и пиротехнический заряд для осуществления способа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Данное изобретение относится к области прикладного применения космической техники для использования в эстетическо-художественных целях при создании зрелищных эффектов на основе пиротехнических средств.

Широко известны средства производства фейерверков с использованием зарядов-люсткугелей, начиненных наборами различных первичных пиротехнических элементов в виде таблеток, звездок или шариков, содержащих цветообразующие вещества, создающие при сгорании цветовые эффекты различного типа. Люсткугели забрасывают на расчетную высоту с помощью артиллерийских средств, пушек, мортир и т.п.

Развитие космической техники, совершенствование средств выведения, снижение стоимости запусков дает возможности создания масштабных высокоэффективных, с художественной точки зрения, оптических и звуковых эффектов. 7 ноября 1967 г. в СССР был создан зрелищный эффект в космическом пространстве. Специальные контейнеры, выведенные в космос ракетой-носителем, распылили на низких орбитах реагенты на основе натрия, лития и бария, породив светящиеся ионизированные облака, которые были видны около 20 минут и напоминали северное сияние в необычных широтах [1].

Известно устройство для инициирования, используемое в пиротехнике, в котором воспламенение основного заряда осуществляют за счет теплового воздействия через стенку корпуса без нарушения его герметичности (Патент РФ №2110038 F42В 3/10, Голубев В.А., Малышев Л.С., Лобанов В.Н., 27.04.98). В данном техническом решении применяют разогревающий пиротехнический состав на основе Ti и Ва с плотностью 2,2 г/см³ для воздействия через герметичную стенку на воспламенительный пиротехнический состав на основе Pb₃O₄ и Zr с плотностью 6,5 г/см³ [2].

Известны способы создания светящихся облаков электрически заряженных частиц в верхних слоях атмосферы, которые разработаны в США и СССР в 1980-х г. По проекту, разработанному в московском Исследовательском центре имени Келдыша, с самолета стартует метеоракета, которая, достигнув высоты 200 км, включает генератор плазмы. Генератор, разработанный в Исследовательском центре Келдыша, может создавать картины любых цветов и несложных конфигураций.

Известно «Устройство для фейерверка» по патенту РФ №2258197 16.11.2000 МПК 7 А42И 4/04, содержащее в качестве заменителя обычных пиротехнических звезд несколько создающих световой эффект устройств. Каждое создающее световой эффект устройство содержит электрические или электронные источники света, предпочтительно мощные светоизлучающие диоды, аккумулирующее энергию устройство и управляющее устройство. Эти устройства применены в фейерверке, фейерверочной ракете и в наземном фейерверке.

Известно устройство для интенсификации плазменного следа космического объекта МПК 7 G01S 13/00, В64G 1/66 2002 г. (заявка №2002117884/02 (018876) от 04.07.2002), характеризующееся тем, что кромка днища космического объекта выполнена со скосом, в днище со стороны скоса выполнены конусообразные углубления, в каждом из которых закреплен конусообразный элемент с плазмообразующим составом.

В патентном документе США US-A-5917146 предложено устранение проблемы, связанной с образованием дыма, который затрудняет обозрение, ухудшая визуальный эффект фейерверка, посредством использования нового химического состава пиротехнических звезд с низким уровнем образования дыма.

Известно решение, изложенное в патенте США №59339741, в котором приведены примеры фейерверков с небольшим выбросом в окружающую среду загрязняющих веществ, в которых также обеспечены точно рассчитанное воспламенение и рассредоточение пиротехнических звезд. В этом случае подъемный заряд заменен пусковым устройством, действие которого основано на сжатом воздухе. Разрывной заряд снаряда воспламеняется вместо обычного фитиля электровоспламеняющим устройством, характеризующимся временем задержки, которое обеспечивается электроникой. За счет этого достигается снижение уровня шума и выбросов загрязняющих веществ во время запуска, которые воздействуют на окружающую среду, кроме того, обеспечивается точность в достижении рассчитанной для снаряда высоты, на которой происходит срабатывание разрывного заряда. Звезды (люсткугели), разбрасываемые из снаряда, относятся к обычному пиротехническому типу.

В качестве прототипа принимается изобретение по патенту №2293281, опубликованного 10.06.2005 (Бюл. №4 10.02.2007) «Снаряд для метания и способы его использования». Изобретение относится к боеприпасам, содержащим множество отстреливаемых по заданной схеме субснарядов и к способам стрельбы такими боеприпасами.

Недостатком прототипа-снаряда, в случае его использования для создания фейерверка, являются ограниченные возможности по высоте забрасывания с помощью артиллерийских средств и ограниченный зрелищный обзор для наблюдения, небольшое время горения фейерверка.

Для применения такого снаряда для постановки фейерверков при пуске его из космоса в патенте не предусмотрено его существенной конструктивной доработки для преодоления тепловой и аэродинамической напряженности, оснащения снаряда и субснарядов теплозащитным покрытием, выполнения их в форме, соответствующей условиям движения в плотных слоях атмосферы, а предлагаемая для цели создания фейерверка ствольная система выброса субснарядов, оснащенных поддонами и втулками, усложняет и удорожает его конструкцию.

Для устранения этих недостатков, а также для получения новых возможностей художественного исполнения фейерверка в плотных слоях атмосферы за счет скоростной и тепловой напряженности сгораемых элементов при входе в плотные слои атмосферы из космоса предлагается техническое решение - способ, при котором разрабатывают первичные элементы (в дальнейшем пиротехнические элементы), использующих пиротехнические, аэродинамические, оптические, акустические свойства для реализации эффекта фейерверка при скоростях спуска в атмосфере космического объекта. Из них выбирают, с использованием компьютерного моделирования сценария фейерверка, набор для комплектования пиротехнического заряда, состоящего в элементарном варианте из корпуса, оснащенного теплозащитным покрытием и содержащим вышибной заряд с воспламенительным составом. Комплект для фейерверка может содержать более одного пиротехнического заряда с возможностью их одновременного или последовательного сброса из космоса.

Новизна предлагаемого способа заключается в использования режима спуска с космической орбиты для создания зрелищных эффектов. Использование этого режима обеспечивает новые возможности для создания нового класса фейерверков, так как позволяет использовать новые пиротехнические материалы, композиции, различные наборы элементов в сочетании с использованием различных физических, аэродинамических и других эффектов. Положительной особенностью такого способа является также наблюдаемость фейерверка на большой территории земной поверхности.

Пиротехнические заряды в виде люсткугелей, состоящих из размещенных в корпусе с теплозащитным покрытием вышибного заряда с воспламенителем и пиротехнических элементов, после доставки космическим аппаратом на околоземную орбиту ориентируют в пространстве и сообщают тормозной импульс силы для прохождения траектории их полета в плотных слоях атмосферы в области зрительного наблюдения на заданном участке земной поверхности, воспламеняют вышибной заряд за счет аэродинамического нагрева для разбрасывания пиротехнических элементов, при этом время воспламенения воспламенителя вышибного заряда регулируют толщиной теплозащитного покрытия корпуса.

Доставка комплекта пиротехнических зарядов с орбиты может быть осуществлена с помощью управляемого развозного блока, после тормозного импульса силы, таким образом, чтобы после реализации сценария фейерверка над заданным участком земной поверхности обеспечить падение его несгоревших остатков в заданный безопасный район. Для расширения бокового маневра корпус управляемого развозного блока выполняют с необходимым аэродинамическим качеством, например снабжают крыльями.

Использование управляемого развозного блока удорожает стоимость фейрверверка, но позволяет получить дополнительные художественные возможности, которые заключаются в повышении точности доставки наборов пиротехнических элементов по времени и по месту, а также маневрирование ступени дает возможность расширения вариантов сценариев фейерверка.

Возможен ввод пиротехнических зарядов в плотные слои атмосферы в процессе суборбитального полета носителя с аналогичными описанными чертежами действиями способа и особенностями выполнения устройством. При таком способе упрощается процесс ориентации и сброса пиротехнических зарядов, так как не требуется сообщать им тормозной импульс силы при сбросе.

Устройство для реализации вариантов способа в виде пиротехнического заряда содержит пиротехнические элементы различного назначения: дымообразующие и плазмообразующие вещества для визуализации движения, вещества интенсивного образования для создания световых вспышек, пиротехнические элементы с аэродинамическим качеством и повышенной звукогенерацией, чем обеспечивается расширение художественных возможностей фейерверка.

В зависимости от сценария фейерверка в состав пиротехнического заряда включают следующие пиротехнические элементы.

Пиротехнические элементы для активной световой и цветовой отдачи содержат вещества интенсивного светообразования. Состав подбирается в зависимости от температуры горения на заданном участке траектории движения из космоса с наилучшей спектральной светоотдачей.

Пиротехнические элементы для движения по траекториям с боковым уводом содержат элементы, обеспечивающие возможность управления траекторией их движения за счет веществ, спрессованных в форме, обеспечивающей аэродинамическое качество, например крылышек.

Пиротехнические элементы неустойчивой траектории движения пиротехнического элемента при его горении. Это достигают за счет включения в состав пиротехнического элемента двух или более веществ, имеющих различные термодинамические характеристики, например соли металлов и энергоконцентрированное вещество (черный порох). Различные характеристики горения этих веществ обеспечивают создание реактивной силы, изменяющий вектор движения пиротехнического элемента по случайному закону.

Параметры движения пиротехнического элемента задают величиной эксцентриситета между координатами центра давления от сгораемых веществ и центра масс пиротехнического элемента.

Некоторые элементы для увеличения времени зажигания после разбрасывания вышибным зарядом покрывают теплоизолирующим слоем, а для создания эффекта периодического вспыхивания, мерцания пиротехнические элементы покрывают послойно теплоизолирующими и пиротехническими составами.

Конкретный набор составных первичных элементов определяют из условий реализации художественного замысла программы фейерверка, в результате компьютерного моделирования эффектов и оценки суммарной картины фейерверка специалистами.

Устройства выброса пиротехнических зарядов из космического аппарата основаны на известных технических решениях.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами:

Фиг.1 - Траектория полета пиротехнического заряда;

Фиг.2 - Вариант реализации сценария фейерверка;

Фиг.3 - Использование управляемого развозного блока для доставки пиротехнических зарядов;

Фиг.4 - Устройство пиротехнического заряда (вариант);

Фиг.5 - Пиротехнический элемент с управлением движения (вариант);

Фиг.6 - Пиротехнический элемент с дополнительным реактивным движением (вариант);

Фиг.7 - Пиротехнический элемент импульсного горения, мерцания (вариант);

Фиг.8 - Пиротехнический элемент с генерацией звуковых волн при движении.

На приведенных графических материалах:

На фиг.1 представлена траектория движения пиротехнического заряда от момента сброса с орбиты до полного выполнения сценария фейерверка.

На траектория движения пиротехнического заряда выделены следующие участки 1-9:

1 - движение по орбите носителя пиротехнического заряда;

2 - ориентация пиротехнического заряда в пространстве;

3 - сообщение пиротехническому заряду тормозного импульса силы;

4 - вхождение пиротехнического заряда в плотные слои атмосферы;

5 - участок аэродинамического нагрева пиротехнического заряда;

6 - начало наблюдения с заданного участка земной поверхности;

7 - начало выполнения пиротехническим зарядом сценария фейерверка;

8 - этапы выполнения сценария фейерверка;

9 - расчетное сгорание всех элементов пиротехнического заряда;

На земной поверхности выделяют заданный участок оптимального наблюдения за фейерверком 10 и участок для безопасного падения несгоревших частей пиротехнического заряда 11.

Район наблюдения фейерверка 10 определяют по заданию заказчика с использованием геоинформационных программ, учитывая высоту местности, условия обзора траектории в местных координатах и параметры движения космического аппарата.

Зону безопасности 11 определяют из условий вероятности падения несгоревших элементов пиротехнического заряда на земную поверхность, подбирая размер зоны и ее координаты таким образом чтобы эта зона находилась в ненаселенном месте, например водная, пустынная или горная поверхности.

На фиг.2 показан вариант реализации сценария фейерверка по составным этапам.

На начальном этапе входа в плотные слои атмосферы для повышения заметности корпус пиротехнического заряд снабжают покрытием для создания шлейфа из плазмообразующих 12 и дымообразующих 13 веществ.

Пиротехнический заряд может объединять несколько корпусов 14, снабженных пиротехническим элементами 15 и 16 с различными свойствами и вышибным зарядом. Корпуса снабжают теплозащитным покрытием и скрепляют в соответствии со сценарием последовательного или одновременного их расхождения в программе фейерверка. На фиг.2 показан вариант их последовательного расхождения в плотных слоях атмосферы

На расчетных высотах осуществляют взрывы вышибного заряда, разбрасывающего пиротехнические элементы

Полное сгорание всех пиротехнических элементов обеспечивают на минимальной высоте 17.

На фиг.3 показан вариант последовательного сброса пиротехнических зарядов 14 в плотных слоях атмосферы с помощью развозной ступени 18.

На фиг.4 приведен вариант устройства пиротехнического заряда, состоящего из корпуса 19 с лобовым экраном 20 и теплозащитным покрытием 21 с наплавлением плазмообразующих 22 и дымообразующих веществ 23. В корпусе пиротехнического заряда размещены отсеки с пиротехническими элементами различных видов 24, 25, 26 вышибными зарядами 27, 28 с каналами их воспламенения 29, 30.

Варианты пиротехнических элементов приведены на фиг.5-8. На фиг.5 показан пиротехнический элемент, содержащий вещества, обеспечивающие возможность управления траекторией движения пиротехнического элемента за счет выполнения их в форме, имеющей аэродинамическое качество 31, например в виде профилированных крыльев типа бумеранга (сечение А-А на фиг.5).

На фиг.6 изображен пиротехнический элемент с эффектом движения по неустойчивой траектории, спрессованный из веществ, имеющих различные термодинамические характеристики, например соли металлов 32 и энергоконцентрированное вещество 33 (черный порох).

На фиг.7 изображен пиротехнический элемент с генерацией звука при движении, спрессованный из пиротехнического состава с элементами, создающими генерацию набегающего воздушного потока, например отверстие 34, углубление 35, канавка 36.

На фиг.8 показан пиротехнический элемент с эффектом импульсного горения, периодического вспыхивания, мерцания, для чего он покрыт послойно теплоизолирующими 37 и пиротехническими 38 веществами.

Применение предлагаемого способа создания фейерверка в плотных слоях атмосферы для зрительного наблюдения его с земной поверхности и пиротехнический заряд для осуществления способа обеспечат получение положительного эффекта, заключающего в расширении художественных возможностей фейерверка за счет применения новых материалов и применяемых эффектов в условиях аэродинамических и тепловых нагрузок при входе в плотные слои атмосферы из космоса, а также увеличения числа наблюдателей за счет расширения зоны наблюдения фейерверка.

Литература

1. Александр Грек. Фабрика звезд. Популярная механика, №5(19) Май 2004 г.

1. Способ создания фейерверка в плотных слоях атмосферы для зрительного наблюдения его с земной поверхности, включающий доставку пиротехнических зарядов космическим аппаратом на околоземную орбиту, отличающийся тем, что используют пиротехнические заряды в виде люсткугелей, состоящих из размещенных в корпусе с теплозащитным покрытием вышибного заряда с воспламенителем и пиротехнических элементов, после доставки люсткугелей космическим аппаратом на околоземную орбиту их ориентируют в пространстве и сообщают тормозной импульс силы для прохождения траектории их полета в плотных слоях атмосферы в области зрительного наблюдения на заданном участке земной поверхности, воспламеняют вышибной заряд за счет аэродинамического нагрева для разбрасывания пиротехнических элементов, при этом время воспламенения воспламенителя вышибного заряда регулируют толщиной теплозащитного покрытия корпуса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что тормозной импульс сообщают с использованием управляемого развозного блока.

3. Способ создания фейерверка в плотных слоях атмосферы для зрительного наблюдения его с земной поверхности, включающий доставку пиротехнических зарядов космическим аппаратом в космическое пространство, отличающийся тем, что используют пиротехнические заряды в виде люсткугелей, состоящих из размещенных в корпусе с теплозащитным покрытием вышибного заряда с воспламенителем и пиротехнических элементов, люсткугели доставляют в космическое пространство космическим аппаратом при суборбитальном полете, ориентируют из расчета прохождения траектории их полета в области зрительного наблюдения на заданном участке земной поверхности и сбрасывают, воспламеняют вышибной заряд за счет аэродинамического нагрева для разбрасывания пиротехнических элементов, при этом время воспламенения воспламенителя вышибного заряда регулируют толщиной теплозащитного покрытия корпуса.

4. Пиротехнический заряд для создания фейерверка в плотных слоях атмосферы для зрительного наблюдения его с земной поверхности, отличающийся тем, что он выполнен в виде люсткугеля, состоящего из размещенных в корпусе вышибного заряда и пиротехнических элементов, включающих цветообразующие вещества, причем корпус снабжен теплозащитным покрытием толщиной, определенной по времени зажигания воспламенителя вышибного заряда.

5. Заряд по п.4, отличающийся тем, что пиротехнические элементы содержат вещества интенсивного светообразования.

6. Заряд по п.4, отличающийся тем, что пиротехнические элементы содержат вещества, обеспечивающие возможность управления траекторией движения.

7. Заряд по п.4, отличающийся тем, что пиротехнические элементы содержат элементы с различными термодинамическими характеристиками, сочетание которых при горении создает дополнительное реактивное движение.

8. Заряд по п.4, отличающийся тем, что пиротехнические элементы включают элементы с теплозащитным покрытием.

9. Заряд по п.4, отличающийся тем, что пиротехнические элементы покрыты послойно теплозащитными и пиротехническими веществами.

10. Заряд по п.4, отличающийся тем, что пиротехнические элементы содержат элементы, создающие звуковой эффект.

11. Заряд по п.4, отличающийся тем, что пиротехнические элементы содержат дымообразующие вещества.

12. Заряд по п.4, отличающийся тем, что пиротехнические элементы содержат плазмообразующие вещества.