Результат интеллектуальной деятельности: ЗАРЯД СТАРОВЕРОВА - 2 (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/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 если баллон с водородом в форме снаряда при комнатной температуре просто лопнет от внутреннего давления, то он 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.

ВАРИАНТ 1. Данный взрывной заряд содержит оболочку (в случае военного заряда она может быть осколкообразующей), заполненную под давлением бораном, силаном, фосфином или другими гидридами, имеющими положительную энтальпию образования из простых веществ (далее «энтальпия»), или их смесью при температуре, обеспечивающей самоподдерживающийся характер реакции термического разложения указанных веществ за счет тепла экзотермической реакции. 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 газе ВВ, то скорость осколков, ударная волна и радиус поражения будут больше.

Какой должна быть эта температура, понятно - надо, чтобы выделившееся в результате экзотермической реакции разложения таких гидридов тепло могло с учетом теплоемкости исходного и получившихся веществ нагреть само себя выше температуры разложения. То есть лавинообразная реакция получится энергетически цепной (цепной не в ядерном смысле этого слова, когда выделяется одна или несколько частиц, вызывающих продолжение реакции, а в энергетическом смысле, когда выделяется энергия, вызывающая продолжение реакции). Собственно, в этом нет ничего нового - так взрываются все взрывчатки.

Если применяемые ингредиенты имеют твердое состояние, то они должны быть как можно более мелкодисперсными или, наоборот, должны представлять собой плотную выпаренную массу.

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.

К материалу оболочки не предъявляется особых требований: кроме высокой прочности на растяжение и высокого качества (отсутствия дефектов) он не должен обладать высокой пластичностью, иначе часть энергии взрыва потратится на пластическую деформацию, а это нежелательно.

Кроме кремния положительно 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, фосфин - 0,16 кДж/г, гидрид германия - 1,185 кДж/г.

Процентное содержание водорода в указанных веществах: диборан - 21,86%, моносилан - 12,55%, фосфин - 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.

Разумеется, вещество в газообразном состоянии должно находиться в оболочке под максимально возможным давлением. Это понятно - ведь потенциальная энергия сжатого газа прибавляется к энергии взрыва. Например, при давлении 100 атм, даже просто лопнув, стальная осколкообразующая оболочка создаст осколки, обладающие достаточной убойной силой.

И здесь следует учесть критическую температуру вещества, иначе в полости заряда образуется жидкая фаза, в которой реакция может пойти медленнее (для конкретного вещества требуется экспериментальная проверка этой скорости), а давление в полости заряда уменьшится. Критические температуры указанных веществ таковы (в градусах С):

диборан - +16,7, моносилан - -3, фосфин - +51,3. Это значит, что диборановые заряды желательно перед применением хранить при комнатной температуре, а силановые - при положительной (можно в подземном хранилище, температура в которых никогда не опускается ниже +4 градусов С).

Приведение в действие этого заряда возможно двумя способами: или инициирование источника тепла внутри оболочки, например, электроспиралью или искрой или пробитие оболочки кумулятивным или просто взрывным зарядом, расположенным снаружи и способным пробить или разрезать стенку оболочки.

ВАРИАНТ 1-А. Если оболочка 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 сила взрыва 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.

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 бораном, силаном, фосфином или гидридами, имеющими положительную энтальпию образования из простых веществ (далее «энтальпия»), или их смесью при температуре, обеспечивающей самоподдерживающийся характер реакции термического разложения указанных веществ за счет тепла экзотермической реакции.

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

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

Оптимальное соотношение объемов или масс гидрида 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.

ВАРИАНТ 2-А. В этом варианте оболочка имеет внутри заряд ВВ и заполнена смесью гидридов, вторичные компоненты которых могут экзотермически взаимодействовать между собой. Вторичная реакция также пойдет быстрее.

Пример. Определим практическую температуру применения двух наиболее перспективных указанных зарядов: диборанного и моносиланового.

ДИБОРАННЫЙ. 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.

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 фосфин нагреется всего на 145 градусов, и холодный заряд может не взорваться.

Работают заряды так: после инициации гидрид взрывообразно саморазлагается, и хотя температура взрыва при этом будет небольшая, но за счет того, что в водороде скорость звука очень высока, возможно получение ударной волны со скоростью 2450 м/сек и осколков со скоростью 2300 м/сек. А в заряде по варианту 2 или 2-А - еще больше - до 3000-3300 м/сек. А поскольку кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости, то пробивная сила осколков увеличится примерно в 10 раз.

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: при 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.