Результат интеллектуальной деятельности: ЗАРЯД СТАРОВЕРОВА - 9 (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к военным взрывным зарядам. Изобретение применимо во всех видах военных боеприпасов, кроме стационарных мин.

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/сек. 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/сек. 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 градусов С (это ниже температуры его воспламенения) будет иметь скорость звука 2360 м/сек и сможет разогнать осколки до скорости 2120 м/сек. 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.

Известно, что многие металлы и неметаллы (например, черный фосфор) реагируют с водой с выделением водорода. Эту реакцию можно использовать для накопления и саморазогрева водорода в какой-то оболочке с последующим ее разрывом и образованием сильной ударной волны и высокоскоростных осколков. Среди обширного выбора металлов следует отдать предпочтение или металлам, реагирующим с водой с большой скоростью, или металлам, имеющим минимальную (то есть большое отрицательное число) удельную (то есть на 1 г) энтальпию образования, то есть сильный экзотермический эффект реакции окисления. Это обеспечит получение нагретого до больших температур водорода и, следовательно, большую скорость звука в нем.

Хорошей скоростью реакции обладают натрий и калий, но их удельные энтальпии очень низкие (у калия - самая низкая из практически применимых металлов).

Хорошей скоростью реакции и сравнительно хорошей удельной энтальпией обладают: литий - 19,93, алюминий - 16,43, кремний - 15,06, магний - 14,94, кальций - 11,32 кДж/г. Но наивысшая она у бериллия - 23,92 кДж/г.

Играют также роль валентность и удельный вес металла, например, чтобы связать один атом кислорода необходимо (в атомных единицах): алюминия - 18, калия - 78,2, кальция - 40,1, кремния - 14,0, лития - 13,9, магния - 24,3, натрия - 46, бериллия - 9,0 (наименьшее значение).

В результате вычисления удельного экзотермического эффекта реакции металла с водой получились следующие значения (в кДж/г): натрий - 2,03, кремний - 5,20, кальций - 6,01, магний - 7,47, алюминий - 7,57, литий - 9,72, бериллий - 11,56 (наибольшее энерговыделение).

Удельное (в % на 1 г исходной смеси) выделение водорода таково: натрий - 3,33, кальций - 3,44, магний - 4,73, алюминий - 5,90, кремний - 6,24, литий - 6,27, бериллий - 8% относительно исходной массы (наибольшее значение).

Введем условный эквивалентный показатель боевой ценности реакций, равный произведению удельного экзотермического эффекта на долю водорода. Из наиболее применимых металлов он равен: натрий - 0,07, кальций - 0,21, кремний - 0,32, алюминий - 0,45, литий - 0,61, бериллий - 0,92 (наивысшее значение). То есть для боевого применения можно выделить бериллий, литий и, как наиболее дешевый, алюминий. Что интересно, литий может реагировать также с жидким аммиаком.

Однако, если реакция с водой у лития идет достаточно интенсивно, то у алюминия -очень медленно, а с бериллием практически не идет, так как алюминий и бериллий покрываются оксидной пленкой. Поэтому никакой практически применимой, а тем более - взрывной реакции с этими веществами быть не может. Но есть несколько способов повысить скорость реакции:

1. большая поверхность реакции, то есть измельчение металла до чрезвычайно мелкодисперсного состояния. Желательно - до наноразмеров.

2. большое давление в области реакции.

3. повышенная температура в области реакции.

4. перепад температур в процессе реакции. При этом за счет различных коэффициентов термического расширения в пленке окислов появляются трещины.

5. наличие катализаторов, в частности, приведение воды в состояние электролита наличием кислот или щелочей.

6. наличие в алюминии или бериллии или на их поверхности ртути, которая не дает образоваться целостной оксидной пленке.

7. наличие в металле растворенного водорода или другого хорошо растворимого в данном металле газа. При образовании оксидной пленки газ будет высвобождаться и нарушать целостность пленки. Известно, что очень хорошо в металлах растворяется водород.

8. образование на молекулярном уровне гальванических пар, то есть использование не чистых металлов, а их сплавов, например, 90% бериллия и 10% лития. Не лишним будет и образование макрогальванических пар, то есть наличие в оболочке тщательно перемешанных порошков двух металлов или двух сплавов.

9. использование твердого катализатора, например, углерода.

ВАРИАНТ 1. С учетом вышесказанного данный заряд содержит оболочку, в которой находится мелкодисперсный металл(металлы) или сплав(сплавы) и сосуд с водой или антифризом на основе воды, в котором находится небольшой взрывной и/или термитный и/или пиротехнический (типа фальшфейера или бенгальских огнгей) заряд.

Металл в сосуде должен быть без признаков оксидной пленки, то есть изготовляться и/или измельчаться металл должен в вакууме или в инертной атмосфере, а еще лучше - в водороде (сразу будет происходить растворение водорода в металле).

Для повышения скорости реакции в оболочке изначально создается давление - в нее закачивается под достаточно большим давлением газ. Например, водород. Желательно (но не обязательно), чтобы давление в оболочке превышало 22,12 МПа, тогда вода при нагревании будет переходить сразу в сверхкритическое состояние и будет быстрее и равномернее распределяться по объему оболочки. Через некоторое время после накачки водорода в оболочку давление в ней несколько снизится вследствие растворения части водорода в металле реагента и в металле оболочки. Последнее может вызвать охрупчивание оболочки.

С этим можно бороться двумя путями: или заранее сделать оболочку из более пластичного материала, или плакировать оболочку изнутри малопроницаемым для водорода материалом, например легкоплавким стеклом или эмалью. Такое плакирование полезно еще и тем, что будет являться временной теплозащитой материала оболочки, ведь в процессе реакции температура значительно повысится, что может вызвать потерю прочности материала оболочки.

С охрупчиванием можно бороться и другим способом - накачать в оболочку не водород, а метан. При повышении температуры выше 1100 градусов С метан начнет разлагаться на водород и углерод, причем экзотермически (мольная энтальпия образования= -74,85 кДж, удельное тепловыделение +4,67 кДж/г), и с увеличением объема в 2 раза. Заодно выделится углерод в виде сажи и графита, который будет катализировать процесс реакции металла с водой.

Для ускорения реакции в воду может быть добавлена кислота, например соляная, или щелочь, например едкий натр, в концентрациях 0,0001-20%.

Заряды, содержащие чистую или с небольшим количеством примесей воду, надо хранить при плюсовой температуре (в подземных хранилищах). Если необходимо долгое хранение при отрицательной температуре, то вместо воды необходимо применять антифриз, например, смесь воды со спиртом, глицерином, этиленгликолем и т.п. Если в качестве металлов использованы алюминий или бериллий, то в состав металла следует добавить ртуть в количестве 0,0001-10% или выдержать мелкодисперсный металл в камере с насыщенными парами ртути (в этом случае произойдет поверхностное легирование металла ртутью). Последний способ особенно актуален для бериллия, который практически не растворяется в ртути, и его способность образовать с ней сплав очень ограничена.

Может оказаться, что, чтобы обеспечить максимально сильную ударную волну и максимальную скорость осколков, не следует заполнять оболочку металлом и водой (в сосуде) полностью. Это зависит от прочности оболочки. Может оказаться, что рациональнее оставить в ней побольше объема для накопления выделившегося водорода. Ведь чем больше водорода накопится в заряде, тем сильнее будет его фугасное и осколочное действие. А если свободного объема окажется недостаточно, то оболочка может разрушиться, когда реакция еще только началась и прореагировало всего несколько процентов реагентов.

Оболочка в осколочных боеприпасах будет являться одновременно и осколкообразующей, и поэтому она должна быть выполнена из металла, желательно - вольфрама. Причем для лучшего дробления на осколки оболочка может иметь оживальные микронасечки или зонную закалку. А для фугасного заряда рациональнее будет оболочка из высокопрочного композитного материала.

Работает заряд двумя способами:

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 разрушается взрывным зарядом или 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.

Пример 1. В оболочке находится мелкодисперсный литий, который занимает примерно половину ее объема. В оболочку накачан под давлением 100 атм (10 МПа) метан. В оболочке также находится баллон с водой или антифризом, содержащий небольшой взрывной и/или термитный заряд. Соотношение лития и воды 13,88:18,2, то есть 43,27% к 56,73%.

Взрывной заряд разрушает баллон с водой, а термитный заряд вызывает местное повышение температуры. Реакция лития с водой начинается и быстро ускоряется вследствие роста давления и температуры. Параллельно идет терморазложение метана. Через несколько секунд все или почти все реагенты прореагируют и оболочка саморазрушится или, если она более прочная, управляемо разрушится взрывным и кумулятивным зарядом ВВ.

Пример 2. То же самое, только оболочка заполнена бериллием без признаков оксидной пленки, выдержанным в камере с насыщенными парами ртути. Вместо метана оболочка накачана водородом (для разрушения оксидной пленки). А вода содержит 3% соляной кислоты. Параметры этой реакции самые эффективные из возможных для данного типа зарядов: мольное энерговыделение - 312 кДж/моль, удельное энерговыделение - 11,56 кДж/г, расчетная температура реакции при постоянном объеме с учетом плавления оксида бериллия - 4630 градусов С. Но так как оксид бериллия начнет испаряться (температура кипения 4120 градусов С при атмосферном давлении), то реальная температура может оказаться несколько ниже (данных о температуре кипения оксида бериллия при повышенном давлении нет). Когда давление достигнет, допустим, 500 атм (50 МПа), оболочка управляемо или саморазрушится. Скорость звука при этом достигнет 5440 м/сек. Скорость осколков может достичь 5200 м/сек (зависит от их суммарной и единичной массы). Это, правда, без учета изначально имевшегося в оболочке водорода.

Закон сохранения энергии, естественно, сохраняется.

Соотношение компонентов бериллий-вода-кислота таково: 9,01:18,02:0,54, то есть бериллия - 32,68%, воды - 65,36%, соляной кислоты - 1,96%.

ВАРИАНТ 2. Вместо воды можно взять кислоту или щелочь, и тогда скорость реакции значительно повысится. Однако у этого варианта есть три недостатка: меньшее удельное энерговыделение (3,14-7,29 кдж/г), меньшее процентное выделение водорода (1,7-2,4%) и загрязнение водорода парами солей, что снизит скорость звука в такой смеси. Эквивалентный показатель колеблется в пределах 0,07-0,168, и наивысший он у реакции лития с соляной кислотой: К=7,29 * 0,023=0,168.

Заряд конструктивно аналогичен варианту 1. Работает так же.

ВАРИАНТ 3. Как было сказано выше, литий реагирует с жидким аммиаком, а при высоких температуре и давлении - и с аммиаком, находящимся в сверхкритическом состоянии. Температура при этом получится небольшая - 1290 градусов С. Удельное энерговыделение - 4,03 кДж/г, выделение водорода - 7,98%, эквивалентный показатель - 0,32.

Стехеометрическое соотношение компонентов: 20,82:17,03, то есть лития - 55%, аммиака - 45%. Однако, может оказаться целесообразным взять аммиака несколько больше, так как он будет при такой температуре частично разлагаться на водород и азот (реакция обратимая равновесная), что может оказаться полезным для повышения эффективности взрыва. Поэтому следует предусмотреть допуск +-20%. Однако не следует брать аммиакак слишком много, так как реакция его разложения эндотермическая.

Заряд конструктивно аналогичен варианту 1. Работает так же.

При применении зарядов в качестве боеприпасов при сбросе бомбы, при выстреле из орудия, миномета или реактивной системы, при броске гранаты сначала происходит смешение воды с металлом или сплавом, а через некоторое время, определенное экспериментально, оболочка саморазрушается, или с задержкой срабатывает разрушающий заряд ВВ.