OPERATIONAL EFFECTIVENESS OF PYROTECHNIC CARTRIDGES FOR AVIATION METHOD OF LANDING OF WOODS AND OTHER TYPES OF PLANT

Full Text

Экологические проблемы настоящего времени являются сферой пристального внимания с точки зрения разработки инновационных технологий с целью их решения. Ухудшение экологии Земли приводит к необратимым изменениям в жизни людей, появлению эпидемий, пандемий, снижению физиологических параметров человека и многому другому. Основным фактором, влияющим на экологическое качество жизни человека, является окружающая атмосфера, как воздушная, так и природно-растительная, формирующая экоклимат и поставляющая природно-качественные ингредиенты для жизнеобеспечения человека. Одной из актуальных проблем является восстановление растительного массива - лесов, кустарников, трав и других видов растений. Основанием для восстановления растительного массива являются как природные пожары, так и негативная техногенная деятельность человечества. Задачи, которые возникают при решении данной проблемы - это засев обширных территорий в наиболее короткое время с возможно минимальными затратами технических, материальных и человеческих ресурсов. Так же позитивным направлением является восстановление зелёных зон в местах брошенных пастбищ. Данные заброшенные территории появляются, например, во многих африканских землях вследствие борьбы с разведением коров для мясных продуктов. Актуальным направлением может быть восстановление растительности в областях, ранее бывших в технологических разработках по добыче ископаемых и других техногенных работах. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Областью исследования является эффективность разработки авиационного метода высадки лесов и других видов растений с применением пиротехнических кассет из экологического материала для сброса капсулированного семенного груза с целью его заглубления в грунте, что производится без привлечения наземных посевных транспортных машин и механизмов. Поставлены задачи по определению конструктивных параметров пиротехнических кассет, изготовленных из экологической смеси с использованием в качестве основы торфа. Необходимо провести анализ прочности экологического материала пиротехнической кассеты под давлением пороховых газов при срабатывании вышибного заряда. По результатам прочностных расчётов дать рекомендации под экспериментальные исследования конструктивных параметров (толщины стенки) пиротехнической кассеты, выполненной из экологического материала с использованием в качестве основы торфа. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ В настоящее время существуют некоторые эффективные технологии по засеву крупных территорий. Один из эффективных методов - авиационный метод высадки лесов и других видов растений [1]. Данный метод разработан для высадки лесов и других видов растений с борта авиационной техники как свободным механическим выбросом, а так же с применением пиротехнических кассет дистанционного срабатывания, что обеспечивает сброс с ускорением и зону рассеивания капсулированных семян с их заглублением в почве. Показана экономическая эффективность при использовании данного метода путём сравнения на затраты авиационного вылета, что значительно меньше временных параметров при посевных наземных работах. Показана эффективность при оценке стоимости выросших лесов или урожайности, улучшение и оздоровление окружающей атмосферы. Выявлена экономическая эффективность при отказе от дорогостоящего оборудования, задействования наземных транспортных и специальных посевных машин и механизмов. Для авиационного метода засев производится дистанционно без участия людей и технических средств на земной поверхности. Авиационный метод высадки лесов и других видов растений [1] включает капсулирование семенного материала. Предложены специальные конструкции капсул из природных материалов для семян растительности с целью их сброса и высадки с авиационного борта [2]. Разработаны аэродинамические формы капсул с ориентировкой по центру тяжести в виде конуса, шара, эллипсоида и др. Предложены расходные экологические материалы для капсул, где из наиболее доступных и опробованных в сельскохозяйственных посадочных мероприятиях выделен торф - легко доступный и самый дешёвый материал, массово распространённый на территории России. Торф так же является хорошей средой для проращивания семян растений. Разработана конструкция пиротехнической кассеты [3] одноразового действия, которая осуществляет сброс, рассеивание и заглубление капсул. Упрощённая схема пиротехнической кассеты показана на рис.1. Пиротехническая кассета так же конструктивно выполнена из экологического материала. Для изготовления пиротехнической кассеты и всех её составных частей предлагается использовать экологически чистые естественные природные материалы: не считая взрывчатых веществ, это торф, глины, клеящие связующие вещества. Возможно применение технического желатина - казеина, столярного мздового клея, клейстерных составов и др. Используются только водорастворимые естественные органические вещества с минимальной себестоимостью, избегая применения любых полуискусственных, синтетических, полимерных, металлических материалов и по возможности даже бумажных. Естественные органические и водорастворимые вещества специально выбраны, чтобы после срабатывания элементы конструкции кассеты после падения на почву не наносили вред природе. Исследованы совокупные данные по плотности и прочности компонентов экологического материала. Предлагается использовать торф как основной компонент смесевого экологического материала для изготовления кассет. Торф является легко доступным сырьём полезным ископаемым массового залегания [4]. Комплексно используется в мировой промышленности. Плотность природного торфа зависит от глубины залегания и степени перегнивания. Верховые породы имеют плотность порядка 1 г/см3. Плотность низинного аллювиально-болотного торфа достигает 1.2 г/см3. В строительстве при возведении дорожного полотна применяют торф даже при плотности 0.1 г/см3 [4]. Прочность стаканов для высадки растений из торфа и древесной трухи при толщине всего 1-1,5 мм позволяет производить культивацию. Для прочности торфа есть ряд данных по прессованию и брикетированию торфа. Прессование ведётся с применением магнитного поля и прочность брикетов из торфа достигает значений 14.65 МПа [6]. Прочность брикетов из торфяных смесей с древесными добавками даже для бытовых нужд составляет 20 МПа. Плотность и прочность глины соответственно 1.6 - 2.9 г/см3 и 19 МПа и выше. Длительная прочность на сжатие технического казеина 5.5 МПа, клейстера до 6 МПа. Клеевые соединения на казеиновой основе не разрушаются даже, когда разрушается склеиваемый материал. Экологический материал должен обладать прочностью, обеспечивающей воздействие давления пороховых газов при срабатывании вышибного порохового заряда и выброса полезного груза. Инициирующий блок - 3 состоит из вытяжного шнура, заделанного в инициирующее вещество, чувствительного к трению, в результате срабатывания инициирующего блока приводит к срабатыванию вышибного порохового заряда - 4. Пороховой вышибной заряд подлежит отдельному расчёту для обеспечения энергии для сброса полезного семенного капсулированного груза. При расчёте необходим учёт высоты сброса груза для обеспечения ориентировки капсулы в воздухе в сторону земли и расчётного заглубления капсулированных семян, вид семенного груза, форму, массу и размерные параметры капсул и прочностные характеристики капсул. Верхний торец пиротехнической кассеты со стороны блока инициирования закрыт защитной крышкой. Рис. 1. Схема пиротехнической кассеты дистанционного срабатывания с капсулированными семенами: 1 - защитная крышка; 2 - корпус; 3 - отсек инициирования; 4 - вышибной заряд; 5 - пыж; 6 - полезный груз капсулированных семян; 7 - привинтное дно Вышибная часть - 4 состоит из пороховой шашки или порохового заряда в оболочке. Под пороховым зарядом устанавливается пыж. Пыж -5 выполняется так же из прессованной смеси экологических материалов. Нижняя торцевая часть представляет собой привинтное дно - 7. Дно наворачивается на наружную резьбу в нижней части цилиндрического корпуса. Привинтное дно выполнено штамповкой с насечками, обеспечивающими дробление дна при срабатывании вышибного заряда и выброса семенного груза. При необходимости, возможно, дополнительно зафиксировать соединение дна и крышки с корпусом клейкой разлагаемой лентой. Капсулированный семенной груз - 6 представляет собой заранее подготовленные семена, запрессованные в капсулы аэродинамической формы. При сбросе с помощью пиротехнической кассеты капсулы приобретают начальное ускорение, необходимое для заглубления капсул [1-2]. Рис. 2. Напряжения в цилиндрической части корпуса кассеты Прочность пиротехнической кассеты должна обеспечить конструктивную целостность и удержание при срабатывании порохового разрывного заряда и предельное давление выброса полезного груза с учётом инерционности его массы. Корпус пиротехнической кассеты можно аппроксимировать тонкостенным цилиндрическим телом [7]. После срабатывания порохового вышибного заряда давление пороховых газов действует на стенки корпуса кассеты. Давление воздействует на торцевые области, где уравновешиваются силами, возникающими в поперечном сечении корпуса. Так же воздействие идёт на цилиндрическую поверхность корпуса кассеты. В данной зоне возникают кольцевые или окружные напряжения (рис.2). Окружные напряжения в два раза больше продольных. Под действием разрушающего внутреннего давления в цилиндрической части корпуса кассеты от окружных напряжений могут возникнуть трещины, приводящие к нарушению целостности конструкции кассеты и сбою функции выброса груза. Расчёт окружных напряжений конструкции производится по формуле [7]: σ = Р (R / δ), здесь σ - окружные напряжения, возникающие в поперечном сечении цилиндрической части корпуса кассеты, R - средний радиус цилиндрической части кассеты, Р - давление внутри цилиндрической части кассеты, δ - толщина стенки цилиндрической части корпуса кассеты. Таким образом, задача сводится к определению минимально возможной толщины корпуса кассеты δ при известном радиусе цилиндрической части корпуса пиротехнической кассеты R, величины давления пороховых газов Р и предельной прочности материала корпуса кассеты σ. Порох является источником силового энергетического сгустка для метания различных объектов, от зарядов, ракет и вышибного груза в вышибных снарядах. В качестве вышибного заряда для пиротехнической кассеты предлагается использовать бездымный пороховой заряд. Одной из основных энергетических характеристик пороха является сила пороха, которая представляет работу и производящая работу метания при сгорании пороха. Величина силы пороха для бездымного пироксилинового пороха находится в интервале 750 - 1000 Дж/кг и зависит от массы сгораемого пороха. Так, масса порохового заряда изменяется от грамм в патронах для огнестрельного оружия до килограмм в гильзах артиллерийских орудий [8]. Для метания ударника необходимо выявить зависимость массы порохового заряда и массы метаемого груза. Данная задача решается специальными расчётными средствами баллистики. Чем меньше масса метаемого ударника, тем меньше масса порохового заряда используется для метания. В ружейных патронах соотношение массы пороха и метаемой пули составляет около 1:18 - 1:15. Для снарядов среднего калибра данное соотношение 1: 3 - 1: 5. Для настоящих расчётов необходимо знать давление пороховых газов при срабатывании заряда. В ствольных системах давление может иметь значение 200 - 700 МПа, для ракетных двигателей и газогенераторных систем давление может составить 4-20 МПа [8-9]. Минимальное давление для порохов на основе перхлоратов составляет 1-3 МПа [8]. Для оценочных расчётов вышибных зарядов можно исследовать давление в интервале 1-4 МПа, учитывая, что сбрасывается груз с невысокой прочностью, незначительно превышающей по величине давление пороховых газов. Процесс воздействия пороховых газов на стенки корпуса пиротехнической кассеты является динамическим процессом нарастающего давления внутри замкнутой камеры до тех пор, пока полезный груз не вытолкнет за пределы кассеты, тем разомкнув объём камеры с резким сбросом давления. Имеем точку максимума предела давления, по нему нужен расчёт прочности кассеты на разрыв. Поэтому необходимо учитывать прочность материала кассеты, характерной при высокоскоростном разрушении материала. Окружные напряжения при срабатывании порохового заряда не должны превышать данной прочности. Данная прочность характерна для самопроизвольных процессов лавинообразного разрушения. Пределы прочности материалов зависят от вида нагружения. При воздействии пороховых газов материал кассеты работает на сжатие. Явление прочностной анизотропии указывает о том, что предел прочности при сжатии обычно в несколько раз больше, чем предел прочности при растяжении. Прията прочность материала корпуса кассеты для расчётов окружных напряжений равной 14.65 МПа, что характерно для прессованного материала из чистого, без добавок, торфа, как основы, и соответствует современным возможностям практически получаемой прочности брикетов из торфа [6]. В таблице показаны результаты расчета минимальной толщины стенки кассеты при давлении пороховых газов в интервале 1- 4 МПа кассет с равными размерами высоты и диаметра. Таким образом, результаты данной работы показывают, что разработанный метод сброса семенного груза авиационным способом с применением пиротехнических кассет, изготовленных из экологических материалов с использованием торфа, могут реализоваться как эффективное технико-технологическое изобретение, способствующее выполнению национальных проектов по экологии. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. Показана эффективность применения пиротехнических кассет из экологического материала для авиационного метода высадки лесов и других видов растений и сброса капсулированного семенного груза с целью его заглубления в грунте, что производится без привлечения наземных посевных транспортных машин и механизмов. 2. Исследованы конструктивные возможности применения пиротехнических кассет из экологического материала для сброса массы семенного материала при действии сил, работающих на разрыв материала пиротехнической кассеты под действием пороховых газов вышибного порохового заряда. 3. Даны расчётные параметры толщин пиротехнических кассет для сброса семенных грузов разных масс. 4. Определена возможность эффективного применения экологических материалов с использованием в качестве основы торфа для изготовления пиротехнической кассеты для сброса и рассеивания груза и её практического использования.

About the authors

S. E Aleksentseva

Samara State Technical University

Email: alekswave@yandex.ru
Samara, Russia

References

Supplementary files