ПОРОХ СТАРОВЕРОВА - 2

Изобретение относится к артиллерии - к легкогазовым орудиям с большой начальной скоростью, и к огнестрельному оружию - к снайперским винтовкам.

Известны орудия, в которых пороховой заряд сжимает легкий газ (водород), который затем и разгоняет снаряд. Так как скорость звука в легком газе больше, чем в пороховых газах, достигается большая начальная скорость снаряда, см. интернет, Википедия.

Недостатком такого орудия является конструктивная сложность, большой вес, большая стоимость выстрела, очень малая скорострельность.

Между тем можно было бы стрелять из обычных или почти обычных орудий снарядами с начальной скоростью около 3000 м/сек, если бы порох в результате реакции выделял бы пусть меньшее количество тепла, зато выделял бы только водород и твердые вещества. Даже при обычной температуре скорость звука в водороде составляет 1330 м/сек, а при небольшом нагреве она соответственно увеличивается.

Кроме основной задачи изобретения - получения большой начальной скорости снаряда или пули, изобретение имеет второй, не менее важный технический результат - отсутствие демаскирующего инфракрасного излучения при выстреле. После адиабатического расширения водорода в стволе его температура на дульном срезе может быть равна температуре окружающей среды, а может быть даже и меньше (зависит от степени адиабатического расширения, то есть, от относительной длины ствола в калибрах).

Таким порохом может быть гидрид или смесь нескольких гидридов с общей положительной энтальпией образования. То есть с экзотермической реакцией термического разложения.

Такими гидридами могут быть бораны, силаны, фосфины. То есть в результате лавинообразной взрывной реакции получится водород и твердый ингредиент (кроме фосфина). Так как скорость звука в нагретом водороде будет намного выше скорости звука в пороховых газах, то скорость снаряда будет больше.

Кроме этих гидридов положительной энтальпией обладает германий, однако процентное содержание водорода в нем невелико, а стоимость германия высока, поэтому он представляет лишь теоретический интерес.

Положительные энтальпии указанных веществ таковы: диборан - 1,39 кдж/г, моносилан - 1,08 кдж/г, монофосфин - 0,16 кдж/г, гидрид германия -1,185 кдж/г.

Процентное содержание водорода в указанных веществах: диборан - 21,86%, моносилан - 12,55%, монофосфин - 8,88%, гидрид германия - 5,26%.

Из этих данных ясно, что из доступных веществ практический интерес представляют диборан, имеющий все наивысшие показатели, и моносилан, который значительно «слабее», но, возможно, будет в массовом производстве дешевле диборана. А кроме того, как будет показано ниже, у силанового заряда более высокая температура реакции.

Разумеется, вещество в газообразном состоянии должно находиться в зарядной каморе под максимально возможным давлением. Это понятно - ведь потенциальная энергия сжатого газа прибавляется к энергии выстрела.

Если гидриды газообразные, то следует учесть критическую температуру вещества, иначе в полости зарядной каморы образуется жидкая фаза, в которой реакция может пойти медленнее (для конкретного вещества требуется экспериментальная проверка этой скорости). Критические температуры указанных веществ таковы (в градусах C): диборан - +16,7, моносилан - -3, монофосфин - +51,3. Это значит, что диборановые пороховые заряды желательно перед применением хранить при комнатной температуре, а силановые - при положительной (можно в подземном хранилище, температура в которых никогда не опускается ниже +4 градуса C).

Для регулирования скорости реакции и температуры выходящих из ствола газов целесообразно применение смеси гидридов.

Если зарядная камора заполнена смесью гидридов, то возможна вторичная реакция образовавшихся в результате их разложения веществ (кроме водорода). Например, образовавшиеся бор и кремний, или бор и фосфор, или фосфор и кремний и т.п. И если эта реакция будет экзотермической, то энергия пороха увеличится. Но важно, чтобы образовавшиеся соединения при данной температуре не были газообразными, иначе из-за их присутствия скорость звука в образовавшейся смеси газов может резко уменьшиться. Впрочем, для достижения умеренных скоростей порядка 800 м/сек это допустимо.

Если температура реакции превысит 1100 градусов C), то можно добавить в заряд метан. Экзотермически термически разлагаясь на водород и углерод (эффект реакции 4,68 кдж/г) он выделит две молекулы водорода. При этом возможно протекание реакции образования карбидов. Мольные энтальпии образования карбидов в большинстве своем отрицательные, то есть реакция их образования будет экзотермическая. Количество добавляемого метана подбирается опытным путем в пределах 0,001-99%.

Если в качестве гидридов применены газообразные гидриды, то зарядная камора орудия потребует полной герметичности, для чего, в частности, на снаряде может иметься манжетное уплотнение, а на его ведущем пояске - срезаемая реборда (это отдельное мое изобретение). Или потребуется герметичная лопающаяся гильза. Гильза может лопаться самостоятельно от внутреннего давления газа в результате реакции, или может иметь спереди небольшой взрывной или кумулятивный заряд, который вскрывает гильзу (например, крестообразно) и одновременно поджигает порох. Такой заряд может быть расположен снаружи или изнутри гильзы.

Примеры: Определим практическую температуру в результате применения двух наиболее перспективных указанных пороховых зарядов: диборанного и моносиланового. Важно, чтобы она оказалась выше температуры разложения гидрида, иначе реакция не будет лавинообразная. Предполагается, в исходном виде заряды находятся в герметичной гильзе при нормальной температуре. Начальное давление в гильзе может быть разным, но принципиального значения для реакции «горения» порохового заряда это не имеет.

ДИБОРАНОВЫЙ. Мольная энтальпия - 38,5 кдж/моль, мольная теплоемкость - 56,9 дж/моль, то есть выделившееся тепло способно нагреть вещество на 677 градусов, что гораздо выше температуры разложения, даже если считать от абсолютного нуля. Но, кстати, ниже температуры воспламенения водорода - 700 градусов С.

МОНОСИЛАНОВЫЙ. Мольная энтальпия - 34,7 кдж/моль, мольная теплоемкость - 42,89 дж/моль. То есть выделившееся тепло способно нагреть вещество на 809 градусов, что также значительно выше температуры разложения.

А вот МОНОФОСФИНОВЫЙ заряд нагреется всего на 145 градусов, и холодный заряд может не выстрелить. То есть, такой заряд перед применением должен иметь определенную температуру, или же монофосфин должен применяться в СМЕСИ с дибораном или моносиланом.

СМЕСЕВЫЙ заряд из диборана и монофосфина (процентное соотношение может быть разным). При реакции разложения будет иметь место и реакции образования фосфида бора, имеющего большую отрицательную энтальпию образования - 396,7 кдж/моль. Температура реакции в таком заряде может быть выше, чем в заряде с монофосфином, и даже выше, чем в заряде с дибораном.

Работают заряды так: после инициации капсулем или открывающим кумулятивным зарядом гидрид лавинообразно саморазлагается, и хотя температура реакции при этом будет небольшая, но за счет того, что в водороде скорость звука очень высока, возможно получение скорости звука 2450 м/сек, и разгон снарядов до скорости 2300 м/сек.

При использовании заполнения зарядной каморы газообразным или жидким зарядом без применения герметичных гильз рекомендуется перед первым выстрелом в серии выстрелов произвести маломощный холостой выстрел для того, чтобы в зарядной каморе не было кислорода. Или же принудительно подать в камору инертный газ, азот, CO₂.