Результат интеллектуальной деятельности: 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.

Можно использовать реакции с выделением водорода, дающие как можно большее удельное (т.е. на 1 г) энерговыделение, например реакцию гидрида бериллия с кристаллогидратной связанной водой, дающую 10,05 кДж/г. Если ввести эквивалентный показатель «К», 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. Порох содержит гидрид и кислород. Кислород может быть в газообразном или в жидком (криогенном) виде. Гидриды могут использоваться любые.

Экзотермическая лавинообразная, реакция в таком порохе идет двухступенчато. Рассмотрим ее на примере гидрида бериллия. Пример 1:

2 BeH₂+O₂=BeH₂+Be+H₂+O₂=BeH₂+BeO+H₂O=2BeO+2H₂+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% кпд 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°С, и затраченного на это тепла, температура не поднимется выше этой температуры (без учета испарения расчетная температура реакции 8885°С). При этом скорость звука в водороде составит 5150 м/сек. Такова будет скорость пороховых газов в стволе орудия.

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 пороха имеет две коаксиальных гильзы, и во внутренней гильзе находится гидрид и один или два небольших заряда BB, а во внешней гильзе 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 пороховом 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 или алюмосиликатные 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 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°C, 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 «горении» пороха 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 в заряде следует разделить на две порции. То есть заряд содержит две или три гильзы, и во внешней гильзе содержится часть гидрида (например, половина), а во второй от внешнего слоя гильзе содержится кислород и гидрид, или же во второй от внешнего слоя гильзе содержится кислород, в третьей от внешнего слоя гильзе 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 гильзе 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 или метан, 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.

ВАРИАНТ 2. Хранить кислород в зарядной каморе или в гильзе в сжатом состоянии с одной стороны выгодно, так как энергия сжатого газа складывается с энергией химического взрыва, что увеличивает начальную скорость снаряда или пули. Но с другой стороны это достаточно неудобно, например, снижает скорострельность или требует применения тяжелых толстостенных гильз.

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 пороховой заряд, если в нем применен твердый гидрид бериллия или боргидрид бериллия, или другой твердый гидрид, может не содержать гильзы, по крайней мере - прочной.

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 выделившемся в чистом виде металлом гидрида возможна реакция металлотермии (аналогично «термиту») с выделение большого количества тепла. Особенно, если взят гидрид бериллия (стандартная мольная энтальпия образования оксида бериллия=-598 кДж.). Например:

2Cu(NO₃)₂+2BeH₂=2CuO+4NO₂+O₂+2Be+2H₂=2Cu+2BeO+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.

BeO+Me=Be+MeO

Итак, данный заряд содержит гидрид и кислородовыделяющее вещество. У заряда с твердым кислородовыделяющим веществом, возможно, срок хранения будет больше, чем у зарядов с газообразным 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:

4BeH₂+KClO₄=4BeH₂+KCl+2O₂=2BeH₂+2BeO+2H₂O=4BeO+KCl+4H₂

Выделится 1880 кДж, то есть 10,30 кДж/г, что значительно хуже, чем в первом варианте. Водорода будет всего 5,43% от исходной массы. Эквивалентный показатель всего 0,56.

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 пороха. В этом случае можно добавить в заряд обычный пироксилиновый порох. Это, конечно, загрязнит водород, но все же скорость звука в таком порохе будет намного больше, чем при горении обычного пороха. То есть такой порох содержит равномерно смешанный с гидридом и кислородовыделяющим веществом классический порох, например пироксилиновый.

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 порохе.

Пример 3: Возьмем, как в примере 2, 24,15 г гидрида бериллия, 75,85 г перхлората калия и смешаем их с 50 г пироксилинового пороха. То есть получится смесь, содержащая гидрида бериллия 16,1%, перхлората калия 50,57% и пироксилина 33,33%.

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

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

3Be(BH₄)₂+NH₄NO₃=3BeO+2BN+4B+14H₂+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:

3Be(BH₄)₂+2NH₄NO₃=3BeO+4BN+B₂O₃+16H₂+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%. Во второй реакции есть три «минуса» - водород может загрязняться парами оксида бериллия (температура кипения 2100°C), 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. На первый взгляд, первая реакция предпочтительнее, но, 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 °C) - 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°C) реальная температура будет ниже.