Результат интеллектуальной деятельности: ЗАРЯД СТАРОВЕРОВА - 7 (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.

Можно использовать реакции с выделением водорода, дающие как можно большее удельное (т.е. на 1 г) энерговыделение, например реакцию гидрида бериллия с водой, дающую 10,05 кДж/г. Это, кстати, одна из лучших реакций по эквивалентному показателю, то есть по энерговыделению и по процентному выделению водорода. Если ввести эквивалентный показатель, равный произведению удельной энергии на процент водорода от первоначальной массы, то у данной реакции будет второй показатель - 1,39. Первое место займет реакция диборана с аммиаком с образованием нитрида бора. У нее энерговыделение меньше, 7,27 кДж/г, зато больше процент водорода - 19,4, и поэтому эквивалентный показатель у нее 1,41.

Но есть шанс повысить энерговыделение, если использовать экзотермический эффект реакции образования воды.

ВАРИАНТ 1. Поэтому данный заряд содержит оболочку, в которой под давлением находятся гидрид и кислород, а также заряд содержит внутри запал или содержит инициирующий взрывной или кумулятивный заряд взрывчатого вещества, расположенный изнутри или снаружи оболочки и способный пробить оболочку.

Кислород в оболочке может быть в газообразном виде, а может быть и в криогенном - в жидком. Гидриды могут использоваться любые.

Экзотермическая лавинообразная, то есть взрывная, реакция в таком заряде идет двухступенчато. Рассмотрим ее на примере гидрида бериллия.

Пример 1:

2ВеН₂+O₂=ВеН₂+Be+Н₂+O₂=ВеН₂+ВеО+H₂O=2ВеО+2Н₂+1155 кДж.

То есть происходит как бы половинное сгорание гидрида бериллия. Но, если при полном сгорании выделилась бы вода, скорость звука в которой в 3,2 раза меньше, чем в водороде, то при половинном сгорании выделится нужный нам водород.

Выделение водорода в этой реакции небольшое - 7,47%, но зато энерговыделение 1155 кДж, или 21,39 кДж/г, рекордное. Кстати, упомянутый эквивалентный коэффициент у этой реакции 2,86 - тоже рекордный.

Однако слишком маленькое выделение водорода внушает опасение: сумеет ли такое количество водорода разогнать такое большое количество балласта (оксида бериллия) до скорости, приближающейся к своей рекордной скорости звука при данной температуре. Произведем проверочный расчет по кинетической энергии продуктов реакции. Окажется, что при 100% к.п.д. продукты реакции без учета плавления и испарения могут достичь скорости 6540 м/сек, с учетом плавления - 6125 м/сек, а с учетом испарения оксида бериллия при температуре 4120 градусов С и затраченного на это тепла, температура не поднимется выше этой температуры (без учета испарения расчетная температура реакции 8885 градусов С). При этом скорость звука в водороде составит 5150 м/сек. Такова будет скорость взрывной волны. Скорость осколков сильно зависит от их массы и вряд ли превысит 4000 м/сек. К тому же водород будет сильно загрязнен парами оксида бериллия, и скорость звука в нем снизится.

Соотношение компонентов в данной реакции 22,06:32, то есть с учетом возможных отклонений и побочных реакций 40,81+-20% гидрида бериллия и, естественно, 59,19+-20% кислорода. Такой большой допуск дан для того, чтобы можно было опытным путем определить оптимальное соотношение - сколько гидрида сжигать, а сколько разлагать, то есть варьировать количество выделившегося водорода.

В приведенной выше реакции кислорода по массе должно быть примерно в полтора раза больше, чем гидрида (в данном случае - гидрида бериллия). Учитывая малую плотность кислорода, и сравнительно большую плотность гидрида бериллия, становится ясно, что желательно каким-то образом равномерно распределить мелкодисперсный гидрид в газообразном или жидком кислороде. Сделать это можно, например, так.

ВАРИАНТ 1-А. Заряд имеет две концентричных или коаксиальных оболочки, и во внутренней оболочке находится гидрид и один или два небольших заряда ВВ, а во внешней оболочке находится газообразный кислород. Единственный или первый заряд ВВ взрывается и сравнительно равномерно распыляет гидрид в кислороде. Если есть второй заряд ВВ, то он после смешивания реагентов поджигает смесь. Или она поджигается одновременно с распылением.

ВАРИАНТ 1-Б. В случае с жидким кислородом вариант «А» не применим. Надо заранее распределить гидрид в кислороде. Сделать это можно, например, так: гидрид в заряде приклеен к стеклонити из тугоплавкого стекла или из металла гидрида (если это металл), которая равномерно или хаотично расположена в объеме заряда.

То есть пропитанная клеящим составом нить опыляется мелкодисперсным гидридом (если гидрид в твердой фазе), и получается как бы «опушенная» нить. Тугоплавким стекло должно быть для того, чтобы не тратить тепловую энергию на плавление, то есть на фазовый переход стекла. Клей должен выделять при нагревании как можно меньше газов, чтобы не загрязнять ими водород, например кремнийорганические соединения. Равномерное распределение нити в объеме заряда подразумевает ее намотку на какой-то легкий каркас, например, из металла гидрида. А хаотичное распределение подразумевает беспорядочную набивку нити в объем заряда с образованием как бы «войлока» нужной плотности.

ВАРИАНТ 1-В. В этом варианте гидрид смешивается с измельченным мелковолокнистым пироксилином или коллоксилином (нитрованная вата), или наклеивается с одной или с двух сторон на слои ткани из пироксилина или коллоксилина (нитрованная марля), и последние равномерно распределяются в объеме заряда (марля - слоями или рулоном). Наличие пироксилина, коллоксилина, или других сгораемых веществ (в том числе ВВ) несколько загрязняет водород, зато активирует процесс реакции.

ВАРИАНТ 1-Г. Если гидрид в газообразном виде (бораны, силаны, фосфин), то он смешивается с кислородом в одной фазе - в сжатом газообразном или в жидком криогенном виде.

ВАРИАНТ 1-Д. В рассмотренном выше примере реакция, скорее всего, пойдет именно так, как указано. Этому способствует то, что молекула кислорода и молекула гидрида бериллия при встрече реагируют «без остатка», и то, что водород вступает в реакцию с кислородом только при температуре выше 700 градусов С, а атом бериллия может реагировать с кислородом уже при комнатной температуре. Однако, при применении некоторых других гидридов, например гидрида лития, алюминия, литий-алюминия (двойной гидрид), может пойти преимущественно реакция соединения кислорода с водородом. В этом случае при взрыве заряда может совсем не образоваться водорода, а образуются только пары воды и второй компонент (например, литий) в чистом виде. Это резко снизит скорость звука в продуктах реакции, следовательно, эффективность заряда.

Чтобы этого не произошло, гидрид а заряде следует разделить на две порции. То есть заряд содержит две или три оболочки, и во внешней оболочке содержится часть гидрида (например, половина), а во второй от внешнего слоя оболочке содержится кислород и гидрид, или же во второй от внешнего слоя оболочке содержится кислород, в третьей от внешнего слоя оболочке содержится гидрид (оставшаяся часть, причем это может быть другой гидрид) и один или два заряда ВВ (то есть сочетание с вариантом 1-А).

Причем, так как во второй от внешнего слоя оболочке имеется избыточное давление кислорода, то, чтобы оно не разрушило эту оболочку, или чтобы ее не пришлось делать избыточно прочной, во внешней оболочке находится газ, например водород, под тем же давлением, что и во второй от внешнего слоя оболочке. Для изготовления такого заряда надо синхронно накачивать обе эти оболочки, не допуская большой разницы давлений между ними.

Варианты 1-Б, В, Г, Д плохо переносят перегрузки, и поэтому не пригодны для стрельбы из орудий и минометов.

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.

ВАРИАНТ 2. Хранить кислород в боеприпасе в сжатом состоянии с одной стороны выгодно, так как энергия сжатого газа складывается с энергией химического взрыва, что усиливает и взрывную волну и увеличивает начальную скорость осколков. Но с другой стороны в некоторых случаях это бывает неудобно, например, при подрыве мостов или других инженерных сооружений.

В этих случаях можно применить связанный кислород, например нитраты, хлораты, перхлораты, супероксид калия, перманганаты, их смеси и другие известные или открытые в будущем кислородовыделяющие вещества.

Поэтому данный заряд, если в нем применен твердый гидрид бериллия или боргидрид бериллия, или другой твердый гидрид, может не содержать оболочки, по крайней мере - прочной. Какая-то оболочка, например полиэтиленовая пленка, все же желательны, так как гидрид может реагировать с воздухом (с влагой, содержащейся в нем), а кислородовыделяющее вещество может отсыреть во влажном воздухе. Однако, если в качестве гидрида взят газообразный гидрид, например диборан, моносилан или фосфин, то прочная оболочка по-прежнему необходима.

Очень любопытный вид может иметь реакция термического разложения с выделением кислорода, если взят нитрат тяжелого металла, который термически разлагается с образованием оксида этого металла, а в качестве гидрида взят гидрид металла, стоящего в ряду напряжений левее упомянутого металла. В этом случае между окисью тяжелого металла и выделившимся в чистом виде металлом гидрида возможна реакция металлотермии (аналогично «термиту») с выделением большого количества тепла. Особенно, если взят гидрид бериллия (стандартная мольная энтальпия образования оксида бериллия = -598 кДж.). Например:

2Cu(NO₃)₂+2ВеН₂-2CuO+4NO₂+O₂+2Ве+2Н₂=2Cu+2ВеО+4NO₂+2H₂O

Или наоборот: если в качестве гидрида взят, например, гидрид бериллия, который в результате описанной в примере 1 реакции выделит оксид бериллия, а в качестве кислородовыделяющего вещества взят, например, перхлорат кальция или магния, чьи окислы имеют более отрицательную стандартную мольную энтальпию образования, то реакция металлотермии может произойти с ионами кальция или магния, выделившимися в результате разложения и диссоциации перхлоратов этих веществ. Причем экзотермическая.

ВеО+Me=Be+МеО

Итак, данный заряд содержит гидрид и кислородовыделяющее вещество, а также заряд содержит внутри или снаружи запал, или содержит инициирующий взрывной или кумулятивный заряд взрывчатого вещества.

У заряда с твердым кислородовыделяющим веществом, возможно, срок хранения будет больше, чем у зарядов с газообразным или жидким кислородом.

Реакция в таком заряде идет так же, как и в первом варианте, но добавляется разложение кислородовыделяющего вещества или их смеси.

Пример 2: возьмем в качестве кислородовыделяющего вещества перхлорат калия. А в качестве гидрида, как и в первом варианте - гидрид бериллия. Реакция при нагревании будет:

4ВеН₂+KClO₄=4ВеН₂+KCl+2O₂=2ВеН₂+2ВеО+2H₂O=4ВеО+KCl+4Н₂

Выделится 1880 кДж, то есть 10,30 кДж/г, что значительно хуже, чем в первом варианте. Водорода будет всего 5,43% от исходной массы. Соотношение реагентов будет 44,12:138,55, то есть 24,15+-20% гидрида бериллия и 75,85+-20% перхлората калия.

ВАРИАНТ 2-А. Если энтальпии образования обоих, участвующих в реакции веществ - и кислородовыделяющего, и гидрида - отрицательные, то есть если их реакции разложения эндотермические, то скорость реакции может оказаться недостаточной для взрыва. В этом случае можно добавить в заряд обычное ВВ. Это, конечно, загрязнит водород, но все же взрывная волна и скорость осколков будут намного больше, чем при взрыве обычного ВВ. То есть такой заряд содержит равномерно смешанное с гидридом и кислородовыделяющим веществом классическое взрывчатое вещество, например тротил.

Самой перспективной будет реакция боргидрида бериллия или борана с перхлоратом или нитратом аммония. При этом кроме вышеуказанных реакций пойдет экзотермическая реакция образования нитрида бора (мольная энтальпия образования - -252,6 кДж, то есть 10,14 кДж/г), что еще больше повысит общий экзотермический эффект реакции. И, кроме того, повысит процент выделения водорода. При этом экзотермический эффект разложения аммония повысит скорость фронта горения в таком заряде.

Пример 3: Возьмем, как в примере 2, 24,15 г гидрида бериллия (температура плавления 220 градусов С), 75,85 перхлората калия (температура плавления 610 градусов С) и смешаем их с 50 г расплавленного тротила (температура плавления 80,85 градусов С). То есть получится смесь, содержащая гидрида бериллия 16,1%, перхлората калия 50,57% и тротила 33,33%. Смесь можно взрывать в расплавленном виде или дать ей остыть и затвердеть.

При взрыве такой смеси кроме двух основных реакций: реакции гидрида с кислородом и реакции разложения тротила будут параллельно идти еще две реакции: реакция взаимодействия гидрида с парами воды, выделившимися в результате разложения тротила, и реакция окисления кислородом органических веществ, выделившихся в результате разложения тротила. Однако обе эти реакции не ухудшат главное - выделение водорода.

Пример 4: Рассмотрим две реакции боргидрида бериллия с нитратом аммония.

3Ве(ВН₄)₂+NH₄NO₃=3ВеО+2BN+4В+14Н₂+1989,8 кДж.

То есть энерговыделение 10,14 кДж/г, водород 14,39%, экв. показатель 1,46.

Соотношение гидрида и селитры 116,1:80,04, или 59,19% и 40,81%.

Теперь возьмем селитры в 2 раза больше, чтобы окислить бор:

3Ве(ВН₄)₂+2NH₄NO₃=3ВеО+4BN+4В+B₂O₃+14Н₂+3383,6 кДж.

То есть энерговыделение 12,25 кДж/г (с учетом плавления оксида бора 12,17 кДж/г), водород 10,95%, экв. показатель 1,33.

Соотношение гидрида и селитры 116,1:160,08, или 42,04% и 57,96%, формально. Показатель второй реакции выше, однако в ней есть три «минуса»: водород может загрязняться парами оксида бериллия (температура кипения 2100 градусов С), расплавленный оксид может «обволакивать» молекулы бора, препятствуя образованию нитрида бора, и избыток окислителя вместо бериллия и бора может начать окислять водород с образованием паров воды, то есть загрязнять водород. Возможно, оптимальное соотношение лежит где-то посередине (требуется серия экспериментов).

Возможен вариант, когда вместо трех молекул боргидрида бериллия берется одна его молекула и еще две молекулы гидрида бериллия.

Расчетная температура (в градусах С) первой реакции при постоянном давлении - 4975, при постоянном объеме - 5785. Второй реакции соответственно 7165 и 8150. Но вследствие испарения оксида бора и вследствие плавления оксида бериллия, бора и нитрида бора (в интервале 2075-3000 градусов С) реальная температура будет ниже.