Результат интеллектуальной деятельности: Композиция зажигательного действия

Изобретение относится к пиротехническим составам и может быть использовано в качестве снаряжения блоков, предназначенных для придания или усиления зажигательного действия осколочным, или фугасным, или зажигательным, или многофакторным средствам поражения.

Зажигательное действие по степени ущерба, наносимого неприятелю, может многократно превосходить эффективность фугасного или осколочного действия боеприпасов, особенно в оборонительных сооружениях или объектах инфраструктуры ограниченного объема, поражение которых осуществляется в результате проникновения боеприпасов внутрь поражаемых объектов.

Зажигательные блоки, применяемые в таких боеприпасах, подвергаются воздействию мощных динамических нагрузок, в процессе прохождения боеприпасом преграды и в результате взрыва боеприпаса. Многократные попытки применения традиционных зажигательных веществ, например термитных составов в боеприпасах запреградного действия и в боеприпасах, в качестве снаряжения которых используются взрывчатые вещества, успеха не имели. Основными компонентами термитных составов являются металлические горючие алюминий или магний и окислы металлов. Например, зажигательный состав в соответствии с патентом Великобритании №1505663, опубликованным 30.03.1978 г., содержит 20-40% магния, 30-60% окислов металлов, например Fe₃O₄, MnO₂ или TiO₂ и не менее 10% по массе элементарного полисилаксана. Термитный зажигательный состав в соответствии с патентом США №3325316 с приоритетом от 13.06.1967 г. содержит 25-28% порошка алюминия и 72-75% магнитной окиси железа.

К недостаткам термитных составов относится неспособность зажигательных элементов, сформированных из таких составов, независимо от способа их формования, сохранятся при взрыве конденсированных взрывчатых веществ, используемых в боеприпасах различного назначения и сохранятся при динамических нагрузках действующих на снаряжение боеприпасов при прохождении через защитные сооружения и при попадании зажигательных элементов в поражаемые объекты. Как правило, под действием взрыва конденсированных взрывчатых веществ термитные блоки диспергируются до исходных размеров компонентов, входящих в их состав. Иногда при взрыве боеприпасов образуются светящиеся искры от сгорания отдельных компонентов термитов. Вследствие кратковременности вспышки отдельных компонентов термитные составы не способны обеспечить зажигание даже легковоспламеняющихся материалов, таких как пары бензина.

Известны пирофорные массы (патент ФРГ №811335, публикация от 20.08.1951 г.), состоящие из смеси металлов таких как ртуть, цинк, магний, сурьма, висмут и их сплавы, содержащие сплавленную по поверхности раздела частиц заливку из церия или его сплавов. Кроме того, известна композиция (патент США №2801590, опубл. 06.08.1957 г.), предназначенная для формирования из металлов пирофорных элементов, содержащих 25% циркония, 30% титана и 35% свинца. Даже будучи заключены в прочную металлическую защитную оболочку элементы из таких материалов не способны самоупрочнятся, чтобы выдерживать с сохранением эффективности перегрузки, сопровождающие взрыв боеприпасов и высокоскоростной удар элемента по поражаемому объекту.

Наиболее близкой к сущности предлагаемого изобретения является композиция в соответствии с патентом №2443666 RU на изобретение «Композиция зажигательного действия» с приоритетом от 18.08.2010 г. Композиция содержит алюминий и окислитель, дополнительно содержит железо, или никель, или цирконий, или медь, или титан, или бор, или кремний, или их смеси в различных сочетаниях, а в качестве окислителя содержит углерод. Входящие компоненты взяты в следующих соотношениях, масс. %: алюминий - 2-30; железо, или никель, или цирконий, или медь, или титан, или бор, или кремний или их смеси в различных сочетаниях 45-93; углерод 5-25. Дополнительно, зажигательная композиция содержит фтор- или силиконовые полимеры или масло индустриальное в количестве от 0,2 до 10% по массе. Композиция также дополнительно может содержать красный фосфор в количестве от 0,2 до 25% по массе.

Композиция прототипа обладает значительным преимуществом перед традиционными зажигательными веществами, так как в отличие от последних обладает способностью формировать и сохранять достаточно крупные фрагменты горящего вещества при нахождении в составе боеприпаса в условиях воздействия на нее жестких динамических перегрузок, возникающих при функционировании разрывного заряда взрывчатого вещества или при взаимодействии сформированных в процессе взрыва боеприпаса горящих фрагментов с поражаемыми объектами.

Недостатком композиции прототипа является сокращение продолжительности ее горения в условиях недостатка воздуха, например в помещениях малого объема, емкостях с ГСМ или при попадании на увлажненные материалы. Следствием снижения длительности горения композиции является уменьшение вероятности зажигания ею трудновоспламеняемых объектов.

Из-за отсутствия дымообразования, при горении фрагментов композиции, затрудняющего определение места расположения горящих фрагментов, возможно их гашение персоналом оборонительных сооружений.

Задачей данного изобретения является создание зажигательной композиции, лишенной недостатков прототипа, то есть способной активно гореть в условиях недостатка кислорода, без сокращения продолжительности горения, например, в помещениях ограниченного объема, а также на влажных поверхностях и образовывать при горении дым, затрудняющий тушение очагов пожара.

Задача изобретения решается тем, что в составе композиции с повышенными характеристиками зажигательного действия, включающей в качестве горючих материалов алюминий, или железо, или никель, или магний, или цирконий, или бор, или титан, или кремний, или вольфрам, или их смеси в различных сочетаниях, отличающийся тем, что в качестве окислителя она содержит смесь красного фосфора и углерода, при содержании фосфора в смеси окислителей 60-96 масс. % при следующем содержании компонентов в композиции:

горючие - 8-49,

окислитель - 51-92.

Дополнительно композиция может содержать от 0,2 до 12% фтор- или силиконового полимера, или фторкаучука. Добавки вводятся за счет уменьшения содержания окислителя в смеси, когда она применяется в проникающих боеприпасах, снаряжение которых испытывает значительные ударные нагрузки при проникании в жесткие и массивные преграды оборонительных сооружений. Добавки вводятся за счет уменьшения суммарного содержания окислителя в смеси.

Как известно, углерод в виде графита широко применяется в различных типах горючих систем, в которые он вводится в небольшом количестве в виде технологической добавки для снижения коэффициентов внешнего и внутреннего трения при формировании зарядов из композиций, а в процессах горения играет пассивную роль вследствие высокой температуры плавления (t_пл=3800°C). При применении его в качестве компонента смесевого окислителя в разработанной системе он играет весьма активную роль. В заданных соотношениях с красным фосфором уже на первых стадиях взрыва боеприпасов, в которых композиция используется в качестве зажигательного блока, под действием ударных волн от детонации конденсированного ВВ в ней образуется весьма реакционноспособные фосфиды углерода, обеспечивающие протекание процессов горения горючих компонентов без доступа кислорода воздуха.

Такую же роль играют и элементорганические соединения, образующиеся из горючих в результате их взаимодействия с фосфидом углерода. Кроме того, под влиянием перечисленных соединений более активную роль в окислении горючих играет азот воздуха, повышая интенсивность горения компонентов смеси в условиях выгорания кислорода в окружающей среде. Фосфиды и элементорганические соединения, образующиеся в процессе горения зажигательной композиции, способны активно взаимодействовать не только с кислородом и азотом воздуха с образованием дыма, но также активно взаимодействуют с водой. Образование фосфинов и дифосфинов самовоспламеняющихся на воздухе увеличивает размеры факела пламени над зажигательным элементом.

Таким образом, разработанная композиция, сохраняя полезные положительные качества, заложенные в прототипе, превосходит его по таким характеристикам, как способность активно гореть в условиях ограниченного объема. При горении агломератов композиции образуется дым, маскирующий расположение очагов горения, и образуются продукты горения, способные активно взаимодействовать с влагой, обеспечивая зажигание увлажненных горючих материалов.

Повышение эффективности горения агломератов композиции в условиях недостатка воздуха на увлажненных объектах поражения, образование дыма при горении композиции обусловлено химическими реакциями, протекающими между окислителями на начальной стадии взрыва боеприпасов. В этом коренное отличие процессов, протекающих в разработанной композиции от процессов, протекающих в композиции прототипа. Продукт реакции между фосфором и углеродом активный окислитель фосфид углерода при заданном в разработанной композиции соотношении компонентов, запускают цепь последовательных процессов с участием горючих, приводящих, в конечном счете, к повышению эффективности действия боеприпасов.

Экспериментально установлено, что раздельное использование компонентов окислительной смеси фосфора или углерода при их содержании в композиции 51-92% не приводит к такому росту выходных характеристик, как это имеет место в случае применения смесевого окислителя.

В отличие от режимов приготовления композиций прототипа, когда все компоненты композиции последовательно перемешиваются, при производстве разработанной композиции смесь углерода и фосфора готовится заранее в режимах, обеспечивающих компактирование смешиваемых частиц. Входящие в состав разработанной композиции горючие равноценны по характеру влияния на протекающие процессы и на выходные характеристики разработанной смеси и выбор одного из них или различных сочетаний горючих элементов может быть обусловлен экономическими соображениями или специфическими требованиями, обусловленными особенностями функционирования боеприпасов, в которых их планируется применять.

В осколочно-зажигательных боеприпасах, в которых помимо зажигательной композиции используется заряд взрывчатого вещества с усиленным бризантным действием целесообразно применение пластичных горючих материалов, таких как алюминий или никель, или железо, или магний, или титан, или их сочетания. Применение пластичных материалов позволяет увеличить выход крупных агломератов композиции при взрыве боеприпаса. В фугасно-зажигательных боеприпасах могут применятся сочетания хрупких и пластичных горючих, так как разрывные заряды таких боеприпасов менее бризантны по сравнению с зарядом осколочно-зажигательных боеприпасов. В зажигательных боеприпасах, в которых масса разрывного заряда значительно меньше, чем в осколочно- или фугасно-зажигательных боеприпасах, целесообразно использовать хрупкие горючие материалы, такие как цирконий, кремний, бор, вольфрам или их сочетания с пластичными материалами, например, с магнием или алюминием.

Изменение соотношения окислителей и горючих в композиции позволяет регулировать параметры зажигательного действия с учетом назначения боеприпаса, такие как размеры пламени, задымленность местности, способность агломератов поджигать увлажненные объекты, плотность распределения агломератов композиции на местности.

С различными вариантами исполнения разработанной композиции проведены эксперименты по определению уровней выходных параметров в сравнении с параметрами композиций прототипа, таких как ее способность гореть в атмосфере азота; параметры дымообразования; склонность к горению на поверхностях сильно увлажненных материалов.

Эксперименты по определению характеристик горения агломератов композиции в атмосфере азота и на влажных поверхностях производили в герметичной камере сжигания, оснащенной системой подачи азота, видеокамерой для регистрации высоты пламени и длительности горения образцов.

Эксперименты по определению параметров дымообразования агломератов различных вариантов исполнения композиций проводили в дымкамере, оснащенной фотометрами и тепловизорами для измерения оптической толщины и степени ослабления излучения дымами.

Варианты разработанных композиций, выходные характеристики которых определяли экспериментально, представлены в таблице 1.

Результаты определения выходных параметров агломератов композиций представлены в таблице 2.

В качестве образца материала с увлажненной поверхностью брали деревянную стружку с влажностью более 25%.

Как следует из данных, представленных в таблицах 1, 2, варианты разработанной композиции значительно превосходят прототип по параметрам, определяющим эффективность действия снаряжения боеприпасов на объекты, расположенные в помещениях ограниченного объема и по увлажненным материалам. Экспериментальные данные также подтверждают превосходство разработанной композиции над прототипом по маскирующей способности дымов, сопровождающих горение композиции.

Анализ результатов экспериментов также подтверждает, что резкое возрастание параметров разработанной композиции не является следствием механического увеличения содержания окислителей в смеси, а происходит в результате изменением направленности протекающих процессов под действием комбинированного окислителя в сторону синтеза при горении веществ, снижающих потребление кислорода воздуха горящей композицией, активного участия в горении атмосферного азота, а также происходит в результате синтеза в процессе горения промежуточных и конечных продуктов, увеличивающих активность горения композиции на увлажненных материалах и формирующих при ее горении дым.

За пределами заявленного диапазона соотношений компонентов, как это имеет место в вариантах исполнения композиции 14-18 (таблицы 1-2), наблюдается значительное снижение параметров зажигательного действия, что подтверждает обоснованность заявленного диапазона соотношений компонентов.

Экспериментально в макетах боеприпасов зажигательного, фугасно- и осколочно-зажигательного действия подтверждена повышенная эффективность разработанной композиции по параметрам зажигательного действия при испытаниях в мишенной обстановки в условиях ограниченного объема защитных сооружений, при действии по увлажненным материалам и по маскирующей способности.