ПОРОХОВОЙ ЗАРЯД К ЛЕГКОГАЗОВОМУ ОРУДИЮ ИЛИ ОГНЕСТРЕЛЬНОМУ ОРУЖИЮ (ВАРИАНТЫ)

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.

ВАРИАНТ 1. Таким порохом может быть смесь гидрида или нескольких гидридов с веществами, содержащими связанную или кристаллогидратную воду.

Такими веществами могут быть, например, квасцы, силикагели, бура, сульфат магния, хлорид кальция и т.п.

Желательное требование к таким веществам - как можно меньшая упругость водяных паров, чтобы не происходило постепенного реагирования гидрида с этими парами. Иначе это приведет к постепенной частичной потере энергии заряда, и может привести к самопроизвольному воспламенению (точнее - самопроизвольному разложению). Поэтому срок хранения таких порохов может оказаться небольшим, что может потребовать приготовления таких порохов непосредственно перед употреблением.

Второе желательное требование к таким веществам - наибольший процент связанной воды от исходного веса.

Третье желательное требование к таким веществам - наибольшая мольная энтропия образования (наименьшее отрицательное число), приходящаяся на одну молекулу связанной воды. От этого зависит экзотермический эффект суммарной реакции.

В качестве гидридов могут быть использованы твердые гидриды - гидрид бериллия, боргидрид бериллия, алюмогидрид лития и т.п. Или газообразно-жидкие (зависит от температуры и давления) - бораны, силаны, фосфины. Для воспламенения такого пороха используется капсуль, или, если его тепла окажется недостаточно, небольшой заряд обычного пороха.

Скорость «горения» такого пороха можно регулировать степенью дисперсности реагентов или избыточным количеством гидридов, например, боргидрида бериллия.

Пример 1: Возьмем в качестве вещества, содержащего связанную воду, сульфат магния, содержащий 7 молекул кристаллизационной воды, а в качестве гидрида - гидрид бериллия. При нагревании сульфат теряет воду, и гидрид бериллия реагирует с водой:

7ВеН₂+MgSO₄·7H₂O=7ВеО+MgSO₄+14Н₂+1960 кДж

То есть получим удельное энерговыделение 6,05 кДж/г и выделение водорода 8,7% от исходной массы. Эквивалентный показатель «К», равный произведению энерговыделения на долю выделившегося водорода, сравнительно низкий - 0,53. Расчетная температура реакции при постоянном объеме 585 градусов С. Скорость звука в таком водороде будет 2277 м/сек.

Работает заряд так: при нагревании капсулем или порохом части заряда до 150 градусов С сульфат магния теряет 6 молекул кристаллизационной воды, а при нагревании до 200 градусов С - всю воду. Вода вступает в экзотермическую реакцию с гидридом бериллия и экзотермически выделяется водород, который придает начальную скорость снаряду или пуле.

Так как заряд содержит твердые вещества в мелкодисперсном состоянии, то значит, имеется пространство между частицами, которое можно полезно использовать, накачав в этот объем водород. Это увеличит скорость снаряда. А если температура реакции превысит 1100 градусов С), то можно заполнить поры заряда метаном. Экзотермически термически разлагаясь на водород и углерод (эффект реакции 4,68 кДж/г) он при том же давлении выделит две молекулы водорода, вместо одной.

ВАРИАНТ 2. Однако для реакции с гидридами можно использовать не только вещества, связывающие воду, но и вещества, выделяющие ее при своем термическом разложении, например, классический пироксилиновый порох. При этом, правда, чистого водорода не получится. Получится смесь водорода с азотом, углекислым газом и некоторыми другими примесями. Однако температура этой смеси получится достаточно высокой, и эффективность такого пороха может оказаться выше, чем предыдущего, или чем традиционного.

Пример 2: Допустим, мелкодисперсный гидрид бериллия перемешан с пироксилиновым порохом. При горении пироксилинового пороха выделится вода, которая и будет взаимодействовать с гидридом бериллия.

Соотношение зависит от количества выделяющейся при разложении пироксилина воды. В случае с гидридом бериллия соотношение гидрида и воды должно быть 11,03:18,02, то есть на 1 г гидрида должно выделиться 1,634 г воды. Количество воды, выделяющейся при сгорании конкретного пороха, определяется опытным путем, так как пироксилин содержит обычно некоторые добавки (флегматизаторы, стабилизаторы, графит) и при горении одновременно и многовариантно идут несколько реакций, в том числе с выделением СО, альдегидов и т.п.

ВАРИАНТ 3. Однако при таком соотношении количество пироксилина в заряде будет превалирующим, и получившаяся газовая смесь будет содержать очень мало водорода. Для повышения выделения воды порох может дополнительно содержать кислород или кислородовыделяющее вещество, например, хлорат или перхлорат калия, аммония, селитры. Последние особенно перспективны, так как водород не загрязняется парами хлорида или оксида калия, как это было бы в случае с калийными солями, а имеющийся в селитрах, особенно - в аммиачной, азот будет экзотермически реагировать с веществами гидрида с образованием нитридов. Например, с образованием нитрида бора, если в качестве гидрида применялись бораны или боргидрид бериллия.

Кислород, экзотермически соединяясь с выделяющимися при горении пороха углеводородными соединениями, образует дополнительное количество воды. Соотношение такой тройной смеси определяется опытным путем, так как в такой смеси многовариантно идут одновременно несколько реакций.

Поскольку обе вышеупомянутые реакции экзотермические, то удельное энерговыделение реакции возрастет.

Причем вовсе не обязательно выделять воду для связывания всего гидрида. С точки зрения повышения содержания водорода может оказаться целесообразным просто терморазложение гидрида с выделением водорода. Особенно, если мольная энтальпия образования гидрида достаточно высока (например, у гидрида германия она равна +90,8 кДж/моль, у диборана +38,5 кДж/моль, у моносилана +34,7 кДж/моль). Оптимальное соотношение определяется опытным путем.

Если в качестве гидридов применены газообразные кислород и 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.