DE60208689T2

DE60208689T2 - Pyrotechnischer aktuator mit gezogenem lauf

Info

Publication number: DE60208689T2
Application number: DE60208689T
Authority: DE
Inventors: Sami Bedford DAOUD
Original assignee: Textron Systems Corp
Current assignee: Textron Systems Corp
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2022-07-13
Also published as: DE60208689D1; ATE315732T1; WO2003008815A8; EP1407150B1; US6672194B2; EP1407150A1; WO2003008815A1; JP3980555B2; US20030029307A1; JP2004536261A; AU2002355081A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen auf energetischen Stoffen beruhenden Kolbenaktuator gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein solcher Aktuator ist aus der DE 19961019 bekannt.
Kolbenaktuatoren werden verwendet, um mechanische Aufgaben mit genauer Zeitsteuerung und hoher Zuverlässigkeit auszuführen. Ein linearer Kolben ist verschiebbar in einem Zylinderlauf montiert. Eine energetische pyrotechnische Ladung oder Treibmittel wird in einer abgedichteten Kammer gezündet, um eine Druckwelle zu liefern, die wiederum ihre Kraft auf den Kolben ausübt. Der Kolben wird durch den Lauf vorwärtsgetrieben, und die kinetische Energie des Kolbens wird durch das System verwendet, um mechanische Arbeit auszuführen.
In modernen Konstruktionen ist der Kolben so konfiguriert, dass er sich in einer linearen Bewegung durch den Zylinderlauf bewegt. Der Lauf weist eine glatte Innenwand von einem Durchmesser auf, der geringfügig größer als der Durchmesser des Kolbenkörpers ist. Ein solches Spiel zwischen dem Kolben und Lauf ist notwendig, um eine widerstandslose lineare Bewegung des Kolbens zu ermöglichen. Eine Folge des Spiels wird im Stand der Technik als Gas "durchblasen" bezeichnet, wodurch ein Teil des Gases von zur Detonation gebrachter Ladung durch den Spielbereich vorbei am Kolben entkommt. Folglich wird der Wirkungsgrad des Systems gefährdet. Die durchblasenden Gase neigen dazu, von der inneren vorderen Wand des Laufs zu reflektieren und sich in die vordere Fläche des vorrückenden Kolbens zurückzuziehen, was als "Kolbenretraktion" bezeichnet wird. Dies kann den Wirkungsgrad des Systems weiter gefährden.
Um die Wirkungen der "Durchblas"-Erscheinung abzuschwächen, sind O-Ringe eingeführt worden, um die Dichtung auf dem Kolben zu verbessern, während noch ermöglicht wird, dass sich der Kolben bewegt. Jedoch neigen O-Ringe dazu, infolge von Wärme und Druck zu erodieren, und neigen unter dem hohen Druck der Explosivstoffladung im Anschluss an eine Detonation dazu, sich aufzulösen. Teile des O-Rings können deshalb in den Pfad des Kolbens freigesetzt werden, wobei möglicherweise eine Bewegung des Kolbens behindert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf ein auf energetischen Stoffen beruhendes Kolbenaktuatorsystem gerichtet, das die Beschränkungen der modernen Ausführungsformen überwindet. Insbesondere teilt die vorliegende Erfindung eine Drehbewegung im Kolben auf eine Weise mit, die einen Systemwirkungsgrad und -zuverlässigkeit erhöht.
Der Kolben umfasst vorzugsweise einen Körper und einen Hals, wobei der Kolbenkörper einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner als der Innendurchmesser der inneren Oberfläche des Laufs ist, und wobei der Ring um den Kolbenhals montiert ist.
Die Züge umfassen vorzugsweise Nuten und vorstehende Teile, die auf der inneren Oberfläche des Laufs gebildet sind. Die Züge können in der Form von gleichförmigen Torsionszügen oder Progressivzügen vorliegen.
Der Kolben kann einen vorderen und hinteren Kolbenkopf von einem Außendurchmesser umfassen, der kleiner als der Innendurchmesser der inneren Laufzylinderoberfläche ist. In diesem Fall ist der Ring in einer Nut zwischen dem vorderen und hinteren Kolbenkopf positioniert.
Ein energetischer Stoff z.B. in der Form eines Treibmittels oder pyrotechnischen Stoffs treibt, wenn er zur Detonation gebracht ist, den Kolben und Ring in einer Längsrichtung den Lauf entlang. Der energetische Stoff umfasst vorzugsweise Bis(nitro)cobalt(III)-perchlorat.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen der Kolben und Lauf eine Gleitsitzbeziehung auf.
In einem anderen Aspekt ist ein Ring um den Kolben montiert und ist in Bezug zur Längsachse des Kolbens drehbar, so dass, wenn eine Druckbelastung auf dem Kolben hervorgerufen wird, der Kolben in einer axialen Richtung längs der Längsachse des Kolbens den Lauf entlang getrieben wird, wobei die axiale Richtung des Kolbens bewirkt, dass sich der Ring in den Zügen verformt, wobei bewirkt wird, dass der Ring mit den Zügen ineinandergreift und sich dreht, wenn sich der Kolben in der axialen Richtung bewegt.
Auf diese Weise dient der sich drehende Ring als eine Dichtung, um ein Gasdurchblasen zu verhindern, und der sich drehende Kolben ist während seiner ganzen Bewegung den Lauf entlang dynamisch stabiler, was zu einem verbesserten Systemwirkungsgrad und -genauigkeit führt.
KURZE BESCHREIBUNG DEER ZEICHNUNGEN
Das Vorhergehende und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der spezielleren Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich, wie in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht, in denen sich gleiche Bezugsziffern überall in den unterschiedlichen Ansichten auf dieselben Teile beziehen. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, eine Betonung wird stattdessen darauf gelegt, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen.
1 ist eine Seitenschnittansicht einer Kolbenaktuatorkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 2A und 2B sind Schnittdarstellungsseitenansichten des Kolbenaktuatorzylinders, wobei ein gleichförmiger Torsions- und ein Progressivdrallzug veranschaulicht sind, gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Schnittendansicht eines Kolbenaktuatorzylinders mit Zügen, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 4A–4C sind Seitenschnittansichten des Kolbenaktuators, wobei eine Ausbreitung des Kolbens den Zylinderkörper entlang veranschaulicht ist, gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Perspektivansicht des Kolbens und Bands, wobei eine durch Züge hervorgerufene Drehbewegung des Bands und eine sich ergebende Gegendrehung des Kolbens veranschaulicht ist, gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Darstellung der Amplitude als eine Funktion der Zeit für die Parameter von Längs- und Winkelbeschleunigung, Längs- und Winkelgeschwindigkeit und Banddruck für einen Kolbenaktuator gemäß der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf 1 ist eine Ausführungsform eines Kolbenaktuators 18, der gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist, veranschaulicht. Der Kolbenaktuator 18 umfasst einen Lauf 20 mit einer zylindrischen inneren Oberfläche 19 und einen Kolben 22, der angepasst ist, um in Bezug zur primären Achse des Laufs 20 in einer Längsrichtung zu gleiten. Der Kolben 22 umfasst einen hinteren Kolbenkopf 24a an einem proximalen Ende und einen vorderen Kolbenkopf 24b, der von dem hinteren Kolbenkopf 24a im Abstand so angeordnet ist, dass ein Kanal oder eine Nut 25 dazwischen gebildet wird. Ein distales Ende des Kolbens 22 umfasst eine Welle 38, die angepasst ist, um ein Gerät, das durch den Kolbenaktuator 18 zu betätigen ist, mechanisch in Eingriff zu nehmen.
Die Querschnittsaußenumfänge des vorderen und hinteren Kolbenkopfs 24b, 24a sind kreisförmig und von einem Außendurchmesser, der z.B. bei einer Gleitsitzbeziehung geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der inneren Oberfläche 19 des Laufs 20 ist. Auf diese Weise gleitet der Kolben 22 ohne wesentlichen Reibeingriff mit der inneren Oberfläche 19 des Laufs 20 ungehindert in einer Längsrichtung entlang den konzentrischen Längsachsen 21 des Laufs 20 und Kolbens 22. Ein Band 26 von hämmerbarem Material in der Form eines Rings ist zwischen dem vorderen und hinteren Kolbenkopf 24b, 24a im Kanal 25 um den Kolben 22 montiert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Band 26 kreisförmig und konzentrisch mit dem Kolben 22 und Lauf 20 um die Achse 21, und dreht sich frei im Kanal 25 um den Kolben 22. Das Band 26 dient einer Anzahl von Zwecken, die in Einzelheit unten erörtert werden.
Die innere Oberfläche 19 des Laufs 20 ist gezogen, z.B. mit Zugnuten 36. Ein energetischer Stoff in der Foren einer pyrotechnischen Ladung oder Treibmittels 28 (zwecks Erörterung ist die hierin beschriebene energetische Form ein Treibmittel) ist benachbart zur Außenfläche des hinteren Kolbenkopfs 24a angeordnet. Ein Brückendraht 32 ist in Verbindung mit dem Treibmittel 28 platziert und wird durch einen elektrischen Impuls durch Leitungsdrähte 30 aktiviert, um das Treibmittel 28 mit Energie zu beaufschlagen. Eine Glas-Metall-Dichtung 34 dient dazu, das Treibmittel 28 im Lauf 20 abzudichten. Auf dem entgegengesetzten distalen Ende des Laufs 20 dichtet eine Feuchtigkeitsbarriere 40 das entgegengesetzte Ende des Kolbenaktuators, während er sich in einem Ruhezustand befindet, wodurch eine mögliche Wechselwirkung von Feuchtigkeit mit dem pyrotechnischen Stoff während einer Temperaturvariation oder feuchten Atmosphäre beseitigt wird. Eine bevorzugte Feuchtigkeitsbarriere ist Parylene; andere Feuchtigkeitsbarrierematerialien, wie z.B. Polyethylen oder Polyamid, sind genauso anwendbar.
Wenn das Treibmittel 28 durch eine elektrische Ladung durch den Brückendraht 32 mit Energie beaufschlagt wird, übt die resultierende Druckwelle eine Druckkraft auf die Außenfläche des hinteren Kolbenkopfs 24a aus, die den Kolben 22 in einer kombinierten Auswärts-Linear- und Winkelrichtung treibt, wie durch Pfeile 48a und 48b angezeigt. Diese Anfangskraft übt einen sehr großen Druck auf das hämmerbare Material des Bands 26 aus, wobei bewirkt wird, dass sich das Band verformt, um den Außenumfang des Bands mit den Zügen 36, die auf der inneren Oberfläche 19 des Laufs 20 gebildet sind, ineinandergeifen zu lassen. Dies bewirkt wiederum, dass sich das Band dreht, wenn das Band 26 der linearen Vorwärtsbewegung 48a des Kolbens 22 Widerstand entgegensetzt. Das sich drehende Band 26 dichtet den früheren Spalt oder Spiel zwischen dem Außenumfang des Rings 26 und der gezogenen inneren Oberfläche des Laufs 20, wodurch es für den Kolben während einer Kolbenbewegung als eine dynamische Gasdichtung dient, wobei die Gasdurchblasbedingung abgeschwächt und/oder beseitigt wird. Das sich drehende Band 26 ruft weiter eine Gegendrehung im Kolben 22 in einer Richtung oder Drehung, die zu derjenigen der Drehung des Bands 26 entgegengesetzt ist, hervor. Eine solche Gegendrehung tritt auf, weil der durch die freigesetzte Gasenergie erzeugte Druck einem wirbelartigen Muster folgt, wobei bewirkt wird, dass der Kolben 22, der sich drehen kann, seine Drehbewegung beginnt. Ein dynamisches Gleichgewicht muss im System aufrechterhalten werden; deshalb dreht sich der Kolben 22 in der zu derjenigen des Bands 26 entgegengesetzten Richtung.
Ein im Kolben 22 hervorgerufener Drall stabilisiert die Bewegung des Kolbens und schwächt die Wirkungen eines Gasdurchblasens weiter ab. Aufgrund der freien Drehung des Kolbens führen Gase ihre Energie dadurch ab, indem der Kolben 22 gezwungen wird, sich in einer sowohl axialen als auch Drehrichtung zu bewegen. Eine Drehung des Kolbens verhindert einen Überdruck in der Kammer, der sonst zu Durchblasen und Gehäusebruch führen könnte. Deshalb wird die durch die Gase erzeugte Kraft in eine kinetische Energie abgeleitet oder umgewandelt, die durch die Kolbendrehung übertragen wird.
Auf diese Weise liefert die vorliegende Erfindung einen Kolbenaktuator mit gesteigerter Leistungsfähigkeitsbeständigkeit und verringerter Standardabweichung. Die Wirkungen eines Gasdurchblasens ebenso wie auch Systemfehler, die von einer O-Ringerosion herrühren, werden abgeschwächt und/oder beseitigt. Leistungsfähigkeitskriterien werden durch eine Winkelgeschwindigkeit bestimmt, die durch die Steigung der Züge gesteuert wird, im Gegensatz zu linearen Aktuatoren, die auf Kraft- und Verlagerungsparameter angewiesen sind. Zusätzlich sind Züge eine ausgereifte Technologie, die wohldefiniert ist und voraussagbare und zuverlässige Ergebnisse liefert.
Die 2A und 2B sind Schnittdarstellungsseitenansichten des Kolbenlaufs 20, wobei gleichförmige Torsionszüge 36a bzw. Progressivdrallzüge 36b veranschaulicht sind. Bei den gleichförmigen Torsionszügen 36a, wie in 2A dargestellt, ist während der ganzen Kolbenbewegung die Winkelbeschleunigung des Kolbens proportional zu seiner Linearbeschleunigung; deshalb tritt der Spitzenwert der Winkelbeschleunigung zum Zeitpunkt eines Spitzendrucks auf. Ähnlich ist die Zentrifugalbeschleunigung aufgrund eines Kolbendralls bei einem Maximum, wenn die Kolbengeschwindigkeit bei einem Maximum ist. Progressivdrallzüge, wie in 2B dargestellt, sind für diejenigen Anwendungen nützlich, die statt einer konstanten kinetischen Energie eine variierende kinetische Energie im Kolben während der Kolbenbewegung erfordern. Die Progressivdrallzüge 36b ermöglichen eine Steuerung über die Winkelbeschleunigung des Kolbens 22 während seiner ganzen Bewegung durch den Lauf 20.
3 ist eine Schnittendansicht eines Kolbenaktuatorlaufs einschließlich der Züge 36. Die Züge 36 sind mit Nuten 44 und vorstehenden Teilen 42 von unterschiedlichen konzentrischen Durchmessern gebildet. Die Einstellung der Breite und Tiefe der Züge erzeugt voraussagbare Wirkungen für verschiedene Bandmaterialien.
Wenn das sich drehende Band unter Presseingriffsspannungen platziert wird, d.h. Banddruck, der mit Bezug auf 6 bei dem Anfangsdruck auftritt, wird die Oberfläche des Bands geringfügig abgetragen. Als Folge führt dies zu einer Verringerung beim Presseingriff oder Banddruck. Aufgrund innerer Züge des Kolbenlaufs erzeugt das sich drehende Band eine Gleitreibung während seines Übergangs durch den Lauf. Je höher der Banddruck, desto größer der Reibungskoeffizient; Kunststoffmaterialien erzeugen eine verhältnismäßig geringere Reibung als Metallmaterialien. Kunststoffmaterialien erzeugen auch einen niedrigeren Banddruck als metallische Materialien, was auf ihre verhältnismäßig leichte Verformung unter Druck zurückzuführen ist. Eine Zunahme von Progressivität oder Torsion bei den Zügen fördert einen niedrigeren Banddruck, d.h. eine geringere Gleitreibung, wohingegen eine gleichförmige Torsion einen höheren Banddruck, folglich eine höhere Gleitreibung, fördert.
Für einen gezogenen Kolbenaktuatorlauf sind andere Kräfte, die mit dem drallbeaufschlagten Kolben verbunden sind, anwesend. Das sich drehende Band, d.h. dichtende Band, folgt den Torsionsnuten im gezogenen Gehäuse, wobei dem Kolben ein Drall erteilt wird. Die Winkelbeschleunigung des Kolbens ist proportional zur Linearbeschleunigung, wobei ein gleichförmiger Torsionszug angenommen wird, so dass der Spitzenwert dieser Größe, sowie der Spitzenwert einer Gleitreibung bei einem Spitzendruck auftritt. Die Zentrifugalbeschleunigung, d.h. Dreh- oder Winkelbeschleunigung, aufgrund eines Kolbendralls befindet sich bei einem Maximum, wenn sich die Kolbengeschwindigkeit bei einem Maximum befindet, d.h., wenn der Kolben am "Schussende" anhält (unten beschrieben).
Das sich drehende Band kann z.B. ein Material auf Basis eines thermoplastischen Elastomers umfassen, wie z.B. Kunststoff, Teflon oder Polyamid, oder kann ein Metallmaterial umfassen, wie z.B. Stahl, Messing oder Aluminium. In jedem Fall sollte das Band einen gewissen Grad von Hämmerbarkeit zeigen.
Die 4A–4C sind Seitenschnittansichten des Betriebs des Kolbenaktuators, wobei eine Längsausbreitung des Kolbens 22 und Bands 26 durch den Lauf 20-Körper veranschaulicht ist. In 4A wird das Treibmittel 28 gezündet, das eine Ladungskraft 46 auf die Außenfläche 25 des nach hinten gelegenen Kolbenkopfs 24a ausübt. Dieser Zeitpunkt, bei dem die Ladung damit beginnt, einen Druck auf den Kolben 22 ausüben, wobei bewirkt wird, dass sich der Kolben in einer Vorwärtsrichtung zu bewegen beginnt, wird hierin als die "Schussstart"-S_START-Zeit bezeichnet, während der Zeitpunkt, bei dem der Kolben seine Bewegung beendet hat, als die "Schussende"-S_ENDE-Zeit bezeichnet wird.
Mit Bezug auf 6, die eine Darstellung der Amplituden von verschiedenen Parametern als Funktionen der Zeit ist, ist bei der Schussstartzeit S_START der Banddruck bei einem relativen Maximum, während sich die Längs- und Winkelbeschleunigung des Kolbens und Bands bei relativen Minima befinden. Bei der Schussstartzeit S_START beginnt das Dichtungsband 26 damit, sich zu drehen und wird unter Presseingriffsspannungen platziert. Es wird angenommen, dass solche Spannungen im Allgemeinen etwa halb so groß wie der Spitzenkammerdruck sind, wenn ein Kunststoffband verwendet wird, und größenmäßig viel höher sind, wenn Metallbänder verwendet werden.
Es wird nun zu 4B zurückgekehrt. Wenn sich der Kolben in Längsrichtung den Lauf entlang mit steigender Geschwindigkeit bewegt, wird der äußere Teil des sich drehenden Bands 26 geringfügig abgetragen, wenn es damit beginnt, mit den Zügen 36 ineinanderzugreifen, wodurch das Kompressionsverhältnis verringert und folglich der Banddruck geringfügig vermindert wird (siehe 6). Gleichzeitig mit dem Abtrag des Bands 26 erfolgt die Gleitreibung zwischen dem Band 26 und der inneren gezogenen Oberfläche des Laufs 20, was vom Banddruck, dem geeigneten Gleitreibungskoeffizienten und dem Bandmaterial abhängt. Für ein gutgewähltes Bandmaterial ist diese Reibung verglichen mit den anderen Kräften klein und wird im Allgemeinen zur Strukturmodellbildung vernachlässigt. Dies führt zu einer geringfügig höheren Beschleunigung des Kolbens 22. Das sich drehende Band 26 folgt den Torsionsnuten im gezogenen Lauf, wodurch dem Kolben 22 in einer entgegengesetzten Winkelrichtung ein Drall erteilt wird. Wie oben erklärt, ist die Drehbewegung des Kolbens entgegengesetzt zu derjenigen des Bands, um ein dynamisches Systemgleichgewicht aufrechtzuerhalten. Mit Bezug auf 4C sind die Kolbengeschwindigkeit und -beschleunigung am größten, wenn sich der Kolben zur Zeit S_ENDE dem Ende seiner Bewegung nähert.
Wirbelströme bilden sich während einer Translation von Körpern, wo sich ein Fluid mit einer gegebenen Geschwindigkeit hinter solchen Körpern bewegt. Wirbelströme sind im Effekt ein Ergebnis einer hydrodynamischen Erscheinung. Eine Wirbelstrombildung ist abhängig von der Form von Oberflächen und kann durch Beseitigen von scharfen Ecken verringert werden. In vielen Fällen können scharfe Ecken und Biegungen nicht vollständig beseitigt werden, und die Notwendigkeit, Körper mit einer freien Bewegung, genauer gesagt Winkeldrehung, zu konstruieren, schwächt eine Wirbelstrombildung ab oder beseitigt sie. Unter der Annahme, dass sich der Kolben zu Beginn nur in einer axialen Richtung bewegt, fördert eine Hochgeschwindigkeitsfluidbewegung, d.h. Gas unter hohem Druck, die Bildung von Wirbelströmen. Diese Wirbelstrombildung wird bei der Anwesenheit von scharfen Biegungen augenscheinlicher. Indem man eine Kolbendrehung zulässt, wird die Energie des sich bewegenden Fluids schnell abgeführt, insofern als es damit beginnt, den Kolben um seine Achse zu drehen. Je schneller sich der Kolben dreht, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit einer Wirbelstrombildung, und eine desto geringere Wahrscheinlichkeit gibt es dafür, dass sich ein Staudruck entwickelt und ein Durchblasszenario entwickelt.
5 ist eine Perspektivansicht des Kolbens 22 und Bands 26, die unter der mitgeteilten Ladungskraft 46 in Betrieb sind und sich in einer Vorwärtswinkelrichtung durch den Lauf bewegen, wie durch Pfeile 48a, 48b angezeigt. Das Band 26 dreht sich in einem ersten Gegenuhrzeigersinn 50, was wiederum eine Gegendrehung des Kolbens 22 in einem Uhrzeigersinn bewirkt, angezeigt durch Pfeile 52.
Die Winkelbeschleunigung des Kolbens ist proportional zur Linearbeschleunigung, wenn der Lauf von einem gleichförmigen Torsionszug ist, und kann mit Bezug auf die Linearbeschleunigung variieren, wenn der Lauf von einem Progressivdrallzug ist, wie oben beschrieben. Die Zentrifugalbeschleunigung aufgrund eines Kolbendralls ist bei einem Maximum, wenn die Kolbengeschwindigkeit bei einem Maximum ist, z.B. bei der Zeit von Schussende S_ENDE, wenn der Kolben damit aufhört, sich zu bewegen (siehe 6).
Andere Lasten können transversal oder unsymmetrisch in der Kammer auftreten. Wenn das dichtende Band 26 hinter dem Schwerpunkt des Kolbens liegt, erzeugt eine geringfügige transversale Verlagerung dieses Schwerpunkt weg von der Mittenachse des Laufs ein Moment, das dazu neigt, die Verlagerung zu erhöhen, wodurch bewirkt wird, dass die Konfiguration dynamisch instabil wird. Diese Last wird minimiert, indem der Schwerpunkt des Kolbens 22 in der Nähe des sich drehenden Bands 26 angeordnet wird.
Der Kolben 22 ist vorzugsweise aus einem Stahlmaterial, z.B. Typ 17-4 PH, oder Legierungsstahl Typ 303 gebildet. Der Ring 26 ist vorzugsweise aus einem hämmerbaren Material, das dazu neigt, unter dem hohen Druck, der durch die Explosivladung ausgeübt wird, und der augenblicklichen Beschleunigung des Kolbens zu dichten, z.B. Kunststoff oder Kupfer, gebildet.
Die pyrotechnische Ladung 28 umfasst vorzugsweise Bis(nitro)cobalt(III)-perchlorat, einen energiereichen pyrotechnischen Stoff, der imstande ist, einen Deflagrations-Detonations(DDT)-Übergang zu erfahren. Eine Approximation erster Ordnung des pyrotechnischen Ladungsgewichts, das erforderlich ist, kann durchgeführt werden, indem man einen 90%igen Wirkungsgrad annimmt; d.h. die realisierte mechanische Ausgangsleistung ist 90% der pyrotechnischen Energie oder mehr. Em = 0,90 Fuß-Pound (1)wobei E_m mechanische Energie, Fuß-Pound; und E_p = pyrotechnische Energie, Fuß-Pound;
Der Energieinhalt des pyrotechnischen Stoffs ist gegeben durch: Ep = FC/(g – 1) Fuß-Pound (2)wobei

C: = Ladungsgewicht, Pound;
F: = pyrotechnischer Impuls, Fuß-Pound/Pound; und
g: = Verhältnis von spezifischen Wärmen

Gleichung (2) kann auch unter Verwendung der Zustandsgleichung für das pyrotechnische/Treibmittel-Gas hergeleitet werden, d.h. PV = 12 FTC/T0, PSI (3)wobei

P: = Gasdruck, Pound/Inch²
C: = Gastemperatur, °R
T₀: = Adiabatische isochore Flammentemperatur, °R
V: = Gasvolumen, Inch³

Unter der Annahme einer adiabatischen Expansion bis ins Unendliche und unter der Annahme, dass die Anfangsgastemperatur gleich der adiabatischen isochoren Flammentemperatur ist, dann
Unter der Annahme von typischen Werten für f(BNCP)(f: fein, im Gegensatz zu C: unverarbeitet, d.h. nicht mit Kugelmühle gemahlen und nicht gesiebt), den Impuls F = 1,42 × 10⁵ Fuß-Pound/Pound und für γ, das Verhältnis von spezifischer Wärme g = 1,2016. Substituieren dieser Werte in die Gleichungen (1) und (2) ergibt die Gleichung für das Ladungsgewicht: C = Em(g – 1)/0,9 F (5a) C = 1,58 × 10–6 Em, Pound (5b)
Deshalb ist das Ladungsgewicht für ein Treibmittel-betätigtes Gerät, das Ladungsgewicht beträgt: C = 6,46 × 10–3 × (250/2,2) × (0,270/12) = 4,03 mg (6)
Für Schubvorrichtungen, Kolbenaktuatoren und Geräte, wo Energie in erster Linie beim Überwinden einer Widerstandskraft aufgewendet wird, ist eine kinetische Energie, die der Last erteilt wird, im Vergleich unerheblich, deshalb wird Gleichung (6):
wobei

F_r: = Widerstandskraft, Pound, und
X: = Verlagerung, Fuß

C = 6,46 × 10–3 F,S Gramm (8)

F _r:: ittlere Widerstandskraft, Pounds
S:: Hub, Fuß

Eine Berechnung des pyrotechnischen Ladungsgewichts kann wie folgt bestimmt werden. Für einen Schub wird ein Ladungsgewicht unter Verwendung von Gleichung (8) oben approximiert. Unter der Annahme, dass die gewünschte Kraft F = 250 Pound f ist, und unter der Annahme eines Hubs S = 0,270 Inch: C = 6,46 × 10–3 × 250 × (0,270/12) = 0,0363 GrammDeshalb, C(BNCP) = 0,0363 Gramm oder 36,3 Milligramm.
Die Energiebilanz für das geschlossene Kolbenaktuatorsystem zur Zeit t kann unter Verwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik bestimmt werden: Anfangsenergie von Gasen = innere Energie von Gasen + Verluste (9)
Der Verlustterm umfasst Arbeit, die durch das System verrichtet wird, und Wärme, die von ihm übertragen wird. Hier wird es angenommen, dass Nebenprodukte einer gasförmigen Verbrennung keine weitere Reaktion erfahren, sobald sie erzeugt sind. Deshalb kann unter Verwendung von Mittelwerten für spezifische Wärmen über den Temperaturbereich einer BNCP-Reaktion Gleichung (9) als:
geschrieben werden. Auflösen von Gleichung (10) ergibt einen Wert für die mittlere Temperatur:
Man beachte, dass die Summationen über jede Oberfläche j von jedem Ladungselement i mit der Hinzufügung eines Brückendrahtelements s genommen werden, von dem angenommen wird, dass es zu t = 0 durchbrennt. γ ≡ Cp/Cv Cp – Cv = R Cv = F/(γ – 1)Tf (12) deshalb Cv = F/(γ – 1)Tf (13)
Substituieren in Gleichung (10):
Was im Limes wird:
und für differentielle Gewichte von verbrauchtem pyrotechnischem Stoff
Unter der Annahme einer Kovolumenkorrektur, die auf das ideale Gasgesetz angewandt wird, ist dann für Gase und Mischungen (unter der Annahme von Noble-Abel-Gasen und Mischungen) zur Zeit t: Pmittel[Vfrei – ΣΣ kmkηk – msηs] = [ΣΣ kmkRk – msRs]Tmittel (17)
Unter Verwendung von Gleichung 12:
mit anderen Worten
Der Druckgradient im Kolbenaktuatorsystem wird nun unter Verwendung einer Lagrange-Approximation berechnet. Hier wird es angenommen, dass die pyrotechnische Ladung ganz verbrannt wird, und deshalb wird sie als ein Gas mit einer gleichförmigen Verteilung entlang dem Kolbengehäuse (Kolbenrohr) behandelt. Die Herleitung bei einem auf Rohre beruhenden Bezug ist: zp ≡ xp + xr (20)wobei z_p einen Widerstandsdruck darstellt, x_p eine von der Anfangsposition gemessene Kolbenverlagerung darstellt, und x_r eine von einer Anfangsposition gemessene Kolbenlaufverlagerung darstellt. Deshalb, für eindimensionale nichtviskose Kontinuitäts- und Bewegungsgrößen-Gleichungen (in der z-Richtung für freie Bewegung): δρ/δt + δ(ρv)/δz = 0 (21)(0 ≤ z ≤ z_p) –1/ρ δP/δz = δv/δt + δv/δz (22)(0 ≤ z ≤ z_p)
unter der Annahme von Gleichförmigkeit, d.h. δρ/δz = 0, dann aus Gleichung 21: δv/δz = –1/ρ δρ/δt (23)und die Randbedingungen sind: v(0, t) = 0 v(zp, t) = vp ≡ zp (24)wobei z_p und v_p eine Position des Kolbenskopfs und der Kolbengeschwindigkeit bezeichnen.
Integrieren über z ergibt die Gasgeschwindigkeitsverteilung, d.h.
wobei ż_p bleitung von z_p bezüglich der Zeit ist.
Substituieren von Gleichung 25 in Gleichung 22 ergibt δP/δz = –ρ(z/zp)z ..p (26)wobei z .._p Ableitung von z_p bezüglich der Zeit ist.
Die Annahme, dass alles verbrannt ist, impliziert die räumlich gleichförmige Dichte:
Da aus Newtons zweitem Gesetz die Beschleunigung des Kolbens zu jeder Zeit t ausgedrückt wird als: Kolbenbeschleunigung = Nettokraft auf den Kolben/Kolbenmasse (28a)wobei die Propulsivkraft durch den Druck der pyrotechnischen/Treibmittel-Brenngase auf den Kolbenkopf bereitgestellt wird und die Bremskräfte durch den inneren Kolbenlaufwiderstand gegen den sich drehenden Band/Ring sowie einen Luftwiderstand gegen die Vorderseite des Kolbenkopfs geliefert werden, wenn die Luft während einer Kolbenvorwärtsbewegung das Kolbenrohr entlang zusammengedrückt wird. Folglich wird eine Kolbenbeschleunigung ausgedrückt als:
Deshalb, Substituieren von beiden Gleichungen (27) und (28b) in Gleichung (26):
so dass:
Die Bedingung P(0, t) = P_Kammer impliziert: Ψ(t) = PKammer (31)so dass das Erfordernis P(z_p, t) = P_Basis erzwingt:
und zwar zu der Definition:
Die Gleichungen (30) und (31) werden in (33) substituiert und integriert, was ergibt:
Substituieren des Werts P_Kammer aus Gleichung (32) in Gleichung (34) und umordnen ergibt:
Deshalb ist gemäß dem Lagrange-Modell eine Kenntnis des Treibmittel/Pyrotechnikladungzu-Kolbengewicht-Verhältnis, des mittleren Drucks und des Widerstandsdrucks ausreichend, um den ganzen Druckgradienten während einer Bewegung des Kolbens das Kolbenrohr entlang und insbesondere die gewünschten Basis- und Kammerdrucke zu berechnen, wo der Druckgradient als die Drucksteigung, d.h. die Rate eines Druckanstiegs, definiert ist.
Während diese Erfindung speziell mit Bezügen auf bevorzugte Ausführungsformen derselben dargestellt und beschrieben worden ist, ist es für Fachleute ersichtlich, dass verschiedene Änderungen in der Form und Einzelheiten hierin vorgenommen werden können, ohne dass man vom Bereich der Erfindung, wie durch die angefügten Ansprüche definiert, abweicht.

Claims

Auf energetischen Stoffen beruhender Kolbenaktuator (18), umfassend: einen Lauf (20) mit einer zylindrischen inneren Oberfläche (19); einen Kolben (22) im Lauf, wobei der Kolben in dem Lauf verschiebbar ist, wobei der Kolben einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner als ein Innendurchmesser der inneren Oberfläche des Laufs ist; einen Ring (26) von hämmerbarem Material um den Kolben; und gekennzeichnet durch Züge (36) auf der inneren Oberfläche des Laufs; wodurch die Züge (36) mit dem Ring (26) in Eingriff treten, wenn der Kolben (22) in einer linearen Richtung den Lauf (20) entlang getrieben wird, wobei die Züge das hämmerbare Material des Rings verformen, um eine Drehbewegung im Ring und eine entsprechende Gegendrehung im Kolben hervorzurufen.
Aktuator nach Anspruch 1, bei dem der Kolben (22) und Lauf (20) eine Gleitsitzbeziehung aufweisen.
Aktuator nach Anspruch 1, bei dem der montierte Ring (26) um die Längsachse des Kolbens (22) drehbar ist.
Aktuator nach Anspruch 1, bei dem, wenn eine Druckbelastung auf dem Kolben (22) hervorgerufen wird, der Kolben in einer axialen Richtung längs der Längsachse des Kolbens den Lauf (20) entlang getrieben wird, wobei die axiale Richtung des Kolbens bewirkt, dass sich der Ring (26) in den Zügen verformt, wobei bewirkt wird, dass der Ring mit den Zügen ineinandergreift und sich dreht, wenn sich der Kolben in der axialen Richtung bewegt.
Aktuator nach Anspruch 1 oder 4, bei dem der Kolben (22) einen Körper und einen Hals umfasst und bei dem der Kolbenkörper einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner als der Innendurchmesser der inneren Oberfläche des Laufs ist, und bei dem der Ring um den Kolbenhals montiert ist.
Aktuator nach Anspruch 1 oder 4, bei dem die Züge (36) entweder Nuten und vorstehende Teile, die auf der inneren Oberfläche des Laufs gebildet sind, gleichförmige Torsionszüge oder Progressivzüge umfassen.
Aktuator nach Anspruch 1 oder 4, bei dem der Kolben einen vorderen und hinteren Kolbenkopf (24a, 24b) von einem Außendurchmesser umfasst, der kleiner als der Innendurchmesser der inneren Laufzylinderoberfläche ist, und fakultativ, wobei der Ring (26) in einer Nut (25) zwischen dem vorderen und hinteren Kolbenkopf positioniert ist.
Aktuator nach Anspruch 1 oder 4, weiter umfassend einen energetischen Stoff, der, wenn er zur Detonation gebracht ist, den Kolben (22) und Ring (26) in einer Längsrichtung den Lauf (20) entlang treibt, und fakultativ entweder wobei der energetische Stoff Bis(nitro)cobalt(III)-perchlorat umfasst oder wobei der energetische Stoff ein Treibmittel oder einen pyrotechnischen Stoff umfasst.
Aktuator nach Anspruch 1, bei dem der Kolben (22) zwischen einer Anfangsposition und einer Endposition in dem Lauf (20) verschiebbar ist und bei dem die Drehbewegung im Ring (26) in Bezug zum Kolben (22) während einer Bewegung des Kolbens zwischen der Anfangsposition und der Endposition hervorgerufen wird.