Результат интеллектуальной деятельности: ЗАРЯД СТАРОВЕРОВА - 10 (ВАРИАНТЫ)

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

Известны взрывные заряды, см. например «Оружие пехоты», Харвест, 1999, с.556. Изобретение направлено на усиление бризантного и осколочного действия взрывных боеприпасов.

Скорость разлета осколков и давление на фронте ударной волны зависят от скорости звука в сжатом газе, который образуется в объеме, занимаемом взрывчатым веществом (далее ВВ). В той смеси газов, которая образуется после взрыва большинства ВВ, и при той температуре и давлении скорость звука обычно не превышает 1100 м/с. И быстро падает по мере адиабатического расширения взрывных газов. Скорость осколков, естественно, еще меньше.

Между тем скорость звука в водороде даже при нормальных температуре и давлении 1330 м/с. То есть баллон с водородом под давлением 100 атм, даже просто лопнув, создаст намного более сильную ударную волну и придаст осколкам значительно большую начальную скорость, чем осколочно-фугасный заряд с обычным ВВ такого же веса. А если еще и немного повысить температуру водорода, то давление на фронте ударной волны и скорость осколков резко возрастут. Например, водород с температурой всего 650°С (это ниже температуры его воспламенения) будет иметь скорость звука 2360 м/с и сможет разогнать осколки до скорости 2120 м/с. То есть получится «холодный взрыв», в результате которого из-за адиабатического расширения газ после взрыва может иметь приблизительно температуру окружающей среды.

На этом и основана идея данного изобретения. Цель изобретения - повышение скорости разлета осколков, давления на фронте ударной волны и радиуса осколочного и фугасного действия заряда.

ВАРИАНТ 1. Данный взрывной заряд содержит оболочку (в случае военного заряда она может быть осколкообразующей), заполненную под давлением газовой смесью борана и фосфина, или раствором или эмульсией борана и фосфина.

Рассмотрим реакцию взрыва на примере диборана и фосфина (моно). При инициации реакции источником тепла внутри оболочки или взрывным или кумулятивным зарядом, расположенным снаружи оболочки, происходит сначала экзотермическое разложение диборана (до 300°С) с выделением тепла 38,5 кДж/моль, после чего выделившийся бор взаимодействует с двумя молекулами фосфина:

В2Н6+2РН3=2ВР+6Н2+842,5 кДж/моль

То есть удельное выделение тепла составляет 8,77 кДж/г, это примерно вдвое больше, чем у пороха. Доля водорода от массы реагирующих веществ 12,5%. Условный эквивалентный показатель «К», равный произведению энерговыделения на долю водорода, 1,10. Приблизительные расчеты показывают, что температура реакции будет при постоянном давлении - 2000°С, а при постоянном объеме - 2400°С. Так как выше 1200 градусов бор реагирует с фосфором, то вся реакция идет лавинообразно, то есть со взрывом.

Образование фосфида бора идет интенсивнее в присутствии восстановителя. Таковым может быть выделяющийся водород. Для увеличения скорости реакции желательно присутствие мелкодисперсного угля, сажи, графита или небольшого количества метана (0,0001-1% от массы реагирующих веществ), или их смеси. Метан при температуре выше 1100°С экзотермически разлагается с выделение двух молекул водорода и углерода в виде сажи, которая будет катализатором реакции образования фосфида бора.

Как видно из реакции, стехиометрическое соотношение диборана и фосфида должно быть 27,67:68,00 и при этом выделится 12,1 г/м водорода. В реальности из-за разности скоростей реакций возможны отклонения в ту или иную сторону до 10%. То есть стехиометрическое соотношение в процентах 28,92:71,08, и при этом выделится 12,5% водорода по отношению к исходной массе.

Если реагенты находятся в заряде в газообразном состоянии, следует следить за температурой заряда, так как при низкой температуре может образоваться жидкая фаза, что приведет к разделению компонентов заряда и возможно к уменьшению скорости реакции (требуется серия экспериментов). Для диборана критическая температура 16,7, а для фосфина (моно) 51,3°С.

Возможна другая реакция компонентов, например тетраборана с дифосфином:

В4Н10+2Р2Н4=4ВР+9Н2+1641,6 кДж.

То есть энерговыделение 8,86 кДж/г, водорода 9,79%, К=0,87. Как видим, водорода выделится меньше, но он будет иметь более высокую температуру. Жидкие компоненты должны находиться в растворенном виде или в виде эмульсии.

Инициируется заряд расположенным внутри оболочки источником тепла в виде электроспирали, искры или же взрывным или кумулятивным зарядом, расположенным снаружи и способным пробить оболочку.

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/с), 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.

ВАРИАНТ 2. Данный взрывной заряд содержит оболочку (в случае военного заряда она может быть осколкообразующей), в которую помещен заряд ВВ меньшего объема, а промежуток между ВВ и оболочкой заполнен смесью по варианту 1.

Все вышесказанное относится и к заряду по варианту 2. Однако реакция в данном заряде пойдет быстрее, так как в газообразном или сверхкритическом веществе от взрыва заряда ВВ произойдет адиабатическое сжатие (ударная волна) с повышением температуры. Бризантное действие такого заряда будет больше.

Давление указанной смеси подбирается исходя из прочности оболочки, а для боеприпасов - исходя из желаемой массы осколков (от нее зависит прочность оболочки).

Оптимальное соотношение объемов или масс смеси и ВВ подбирается для данного заряда опытным путем.

Для военных боеприпасов часто желательно, чтобы осколки разлетались преимущественно в определенном секторе. Для этого заряд ВВ может быть расположен в оболочке несимметрично, например вплотную к одной из стенок оболочки.

Для лучшего разделения газов ВВ и получившегося водорода заряд ВВ может быть помещен в мешок из прочной ткани или пленки (например, из углеродного волокна), объемом меньше объема оболочки

Работают заряды по вариантам 1 и 2 так: смесь воспламеняется одним из указанных способов, и далее в смеси начинается лавинообразная самоподдерживающаяся взрывная реакция. Так как в результате реакции образуется высокая температура и из газов образуется только водород (во втором варианте газы ВВ не успеют смешаться с водородом), то продукты взрыва распространяются со скоростью звука в водороде при данной температуре, которая составит около 3900 м/с. Осколки получат начальную скорость около 3800 м/с. А так как кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости, то пробивная сила осколков будет примерно в 15 раз выше. В качестве боеприпаса такой заряд будет обладать еще и сильным зажигательным действием - ведь разлетевшийся водород будет подожжен взрывными газами. Причем особенно это будет заметно при взрыве заряда в замкнутом помещении: в попадании гранаты в окно здания, при пробитии 30-мм снарядом брони БМП или обшивки самолета, при попадании снаряда внутрь корабля быстро, почти взрывообразно сгоревший водород вызовет термобарический эффект, поражая живую силу и разрушая конструкцию объекта.