Результат интеллектуальной деятельности: ЗАРЯД СТАРОВЕРОВА - 5

Изобретение относится к гражданским и, особенно, к военным взрывным зарядам. Изобретение применимо во всех видах гражданских взрывных работ и во всех военных боеприпасах.

Известны боеприпасы объемного взрыва, см. интернет, Википедия. В них используется взрывообразная реакция горючего вещества, например окиси этилена, с кислородом воздуха, которое смешивается воздухом и поджигается взрывателем с задержкой времени. Однако существующие боеприпасы на химических реагентах недостаточно мощны, а нанобоеприпасы достаточно дороги. А наличие внутреннего разрывного заряда уменьшает массу полезного вещества. Задача изобретения - устранение этих недостатков и усиление поражающих факторов боевого заряда.

Очень хорошей взрываемостью обладает смесь водорода с воздухом, но хранить и доставлять к месту боевого применения водород проблематично. Однако можно использовать вещества, выделяющие водород при термическом разложении. На этом основана идея данного заряда.

Заряд, кроме отдельного взрывателя с задержкой, имеет оболочку, заполненную гидридом или смесью гидридов с положительной энтальпией образования, или смесью гидридов с положительной и с отрицательной энтальпией образования в таком соотношении, чтобы выделившееся в результате разложения гидридов тепло было достаточным для поддержания лавинообразной реакции разложения гидридов, но недостаточным для самовоспламенения водорода, а также заряд имеет в геометрическом центре оболочки запал или заряд взрывчатого вещества (далее ВВ).

Если гидриды находятся в газообразном или сверхкритическом фазовом состоянии, то желательно, чтобы их давление было в оболочке как можно больше. Во-первых, в оболочке будет больше реагентов, а во-вторых, потенциальная энергия сжатого газа в совокупности с теплом реакции разложения может дать собственный достаточно сильный взрыв. Например, если баллон с водородом в форме снаряда при комнатной температуре просто лопнет от внутреннего давления, то осколки и ударная волна будут иметь большую убойную силу, чем при взрыве снаряда с обычным ВВ. Назовем такой взрыв «холодным» взрывом.

Гидридами с положительной энтальпией образования могут быть силаны (моно-, ди-), бораны (ди-, тетра-), фосфины, гидрид германия. С отрицательной энтальпией образования - гидриды бериллия, лития, алюминия, кальция, магния. Возможно использование гидридов интерметаллических соединений (редкоземельных элементов, кальция, магния), а также боргидридов, например боргидрид бериллия или двойной боргидрид алюминия-лития.

При выборе гидридов желательно руководствовать наибольшим процентным содержанием водорода в нем.

Температуру продуктов реакции следует выбирать с учетом тепла, выделившегося при срабатывании заряда ВВ, если он есть (теплом запала можно пренебречь), так, чтобы температура получилась в интервале от температуры разложения самого термостойкого из смеси гидридов (обычно 106-250 градусов С) до температуры самовоспламенения водорода (700 градусов С).

ЗАПАСНОЙ ВАРИАНТ. Если скорость распространения фронта реакции в замкнутом пространстве в данной среде (по аналогии с ВВ назовем ее «скорость детонации») окажется ниже предела требований, предъявляемых к ВВ (достаточно условно этот нижний предел в данном случае можно обозначить как скорость звука в воздухе, то есть в среднем 350 м/сек), то возможны два запасных варианта. Первый - прочность оболочки выбирается из условия ее разрушения при внутреннем давлении, равном 80-95% от максимального давления при окончании реакции. И в этом случае оболочка через некоторое время (доли секунд или даже секунды) саморазрушается, разбрасывая осколки и вызывая ударную волну.

Второй - оболочка делается чуть прочнее (и тяжелее) и выдерживает максимальное давление продуктов реакции. То есть сама она не разрушится. Тогда она после окончания реакции разрезается перфорирующим линейным кумулятивным зарядом, расположенным снаружи или изнутри оболочки. Форма разреза может быть выбрана самая разнообразная: для фугасных зарядов в бомбообразной оболочке выгоден разрез поперек по горизонтальной плоскости, и в этом случае основная энергия ударной волны будет направлена в стороны. А осколочные боеприпасы выгодно резать на мелкие части.

Следует отметить один недостаток данного заряда - заряд с газообразным гидридом желательно (но не обязательно) хранить и применять при температуре, большей критической температуры входящих в него реагентов. Для диборана критическая температура равна 16,7 градуса С, а для моносилана - -3 градуса С. То есть хранить и применять заряд с дибораном нужно при комнатной температуре, для чего в зимнее время или при полете на самолете на большой высоте его может потребоваться аккуратно подогревать, иначе в оболочке может образоваться жидкая фаза реагента. Впрочем, это незначительно снизит мощность заряда, так как распыленный жидкий гидрид, во-первых, сразу испарится, а во-вторых, он ничуть не хуже взорвется и в аэрозольном состоянии.

На оболочке желательно предусмотреть наличие микронасечек или зонной закалки для равномерного дробления, и следовательно, для равномерного рассеивания водорода в атмосфере.

Следует отметить неочевидное, но очень полезное качество данного заряда - очень сильное осколочное действие. В рассмотренном ниже примере температура продуктов реакции составит 420 градусов С, а удельное энерговыделение всего 1,27 кДж/г. Казалось бы, такие параметры не способны придать осколкам убойную силу и создать сильную ударную волну. Но дело в том, что в момент разрыва оболочки в ней будут только твердые мелкодисперсные продукты реакции и чистый водород при давлении около 500 атм (а можно и больше). А скорость звука в водороде при такой температуре составляет 2050 м/сек, что может придать осколкам начальную скорость 1900 м/сек. Разумеется, закон сохранения энергии никто не отменял - кинетическая энергия осколков и ударной волны не может быть больше (да еще с учетом к.п.д.) энергии сжатого газа и энергии разложения гидридов.

То есть такой заряд, как и обычный заряд объемного взрыва, взрывается дважды. Но, если в обычном или в нанозаряде первый взрыв практически безопасен, то в данном заряде сначала образуется поле осколков со скоростью 1900 м/сек, затем сильная ударная волна, создаваемая расширяющимся водородом, и затем второй взрыв - объемный. Причем даже не ясно, какой взрыв окажется сильнее по давлению на фронте ударной волны - первый или второй. То есть такой заряд обладает тройной поражающей способностью: первый «холодный» взрыви его ударная волна, высокоэнергетичные осколки и объемный взрыв.

При этом есть некоторые требования к материалу оболочки: разумеется, он должен иметь высокую прочность на разрыв и отсутствие дефектов, но, кроме этого, он не должен обладать слишком большой пластичностью. Иначе часть энергии первого взрыва бесполезно потратится на его пластическую деформацию.

Можно полезно использовать двойной характер взрыва. Допустим, надо произвести наибольшие разрушения каких-то строений (в боевых или в гражданских целях) - домов, мостов, перекрытий дотов. Зная характер сооружений, можно рассчитать (и проверить вибратором практически) резонансную частоту стен или перекрытий этих зданий, или моста и настроить разницу во времени между первым взрывом и вторым так, чтобы она была кратна периоду собственных колебаний конструкции. Тогда первый взрыв качнет конструкцию, затем она прогнется в обратную сторону, и затем, во время прогиба конструкции в первоначальную сторону, придет вторая ударная волна, которая и разрушит конструкцию.

Такой заряд с качестве противопехотного средства, например ручной гранаты, будет обладать еще одной полезной особенностью. Допустим, первый взрыв гранаты произошел на поверхности земли, и живая сила противника, укрывшись в складках местности или в окопах, не понесла потерь. Но после «холодного» взрыва облако водородо-воздушной смеси, если оно не было подожжено случайным источником огня, взлетит на некоторую высоту (допустим 3-5 метров), и ударная волна от второго взрыва будет направлена под каким-то углом сверху-вниз и может поразить противника в окопах.

Для использования такой тройной поражающей способности данного заряда взрыватель с задержкой должен быть перенастраиваемым с достаточной точностью.

Пример: рассмотрим смесь из двух компонентов - диборана М=27,67, энт=+38,5, процентное содержание водорода 21,9%, удельное тепловыделение +1,39 кДж/г, и моносилана М=32,12, энт=+34,7, процентное содержание водорода 12,5%, удельное тепловыделение +1,08 кДж/г.

Примем начальную температуру заряда 20 градусов С, а желаемую температуру продуктов реакции 420 градусов С. Удельные теплоемкости продуктов обеих реакций при постоянном давлении в данном интервале температур примерно соответственно для диборана 3,94 дж/г и для моносилана 2,43 дж/г. Определим соотношение реагентов, для чего примем количество диборана за «х» и составим энергетический баланс реакции:

то есть заряд должен содержать 36,7% диборана и, естественно, 63,3% моносилана.

Следует отметить, что реакция разложения диборана при постоянном давлении дала бы температуру 350 градусов С, а реакция разложения моносилана - 445 градусов С, а при потоянном объеме для диборана 440 градусов С, а для моносилана 550 градусов С, что также гораздо ниже температуры воспламенения водорода. Это значит, что можно было бы сделать заряд из чистого диборана или моносилана.

Однако не следует завышать эту температуру, так как к.п.д. взрыва, как разновидности теплового двигателя, падает с повышением начальной температуры горючей смеси. А горючей смесью в данном примере является, разумеется, образовавшийся водород, а также выделившиеся бор и кремний, которые при взрыве также могут участвовать в реакции с кислородом воздуха.

Если заряд содержит только запал и не содержит внутреннего заряда ВВ, то не следует выбирать прочность оболочки слишком большой, так как повышение давления в ней вследствие реакции будет не очень большим - в рассмотренном примере примерно в 5 раз. То есть, если первоначальное давление в оболочке было 100 атм, то разрушаться она должна, например, при 400 атм.

Работает заряд так: водород, бор и кремний рассеиваются в воздухе с сильным «холодным» взрывом и образуют осколки со скоростью 1900 м/сек, а затем взрыватель с задержкой подрывает водородовоздушную смесь и она детонирует.