Результат интеллектуальной деятельности: Энергоемкая реакционная композиция многофункционального действия

Изобретение относится к оборонной технике и может быть использовано в качестве элементов снаряжения в боеприпасах, предназначенных для вывода из строя объектов фугасным действием или ударом компактных поражающих элементов.

К энергоемким реакционным материалам относится класс веществ, состоящих обычно из невзрывчатых твердых компонентов инертных в обычных условиях и способных к горению и взрыву при сильных механических воздействиях.

Различные виды реакционных материалов находят все более широкое применение как для повышения суммарной энергетики взрыва боеприпасов в форме фугасного действия, так и в виде разного рода компактных элементов или ударных ядер, предназначенных для поражения преград и объектов, расположенных в запреградном пространстве. Для повышения фугасного действия реакционные материалы применяются в боеприпасах в виде блоков с каналом (активные оболочки), заполненным взрывчатым веществом или в качестве снаряжения профилированных модулей. Блок из энергетических материалов из профилированных модулей, диспергированный разрывным зарядом боеприпаса, в виде струй или потоков выбрасывается в воздух. Сгорание частиц энергетического материала, образующих поток в результате их взаимодействия с кислородом воздуха усиливает фугасное действие боеприпасов.

Описание состава и режимов функционирования активных оболочек представлено в учебном издании «Средства поражения и боеприпасы» под редакцией В.В. Селиванова. Издательство МГТУ, М. 2008, стр. 411-412. Композиция активных оболочек, как правило, состоят из порошка металлического горючего (алюминия, бора и т.п.), 93-97% по массе и связующего 3-7% по массе (каучука, парафина, целлулоида и т.п.).

К недостаткам композиций, используемых в качестве активных оболочек и в профилированных модулях относится низкая степень реализации энергетического потенциала металлического горючего, не превышающая 10-20% от теплоты сгорания используемых в их составе металлических порошков, так как скорость взаимодействия основной массы покрытых связующим частиц металлов недостаточна для сохранения и поддержания взаимодействия газодинамических потоков, формируемых фронтом горения диспергируемых в воздушную среду частиц металла с фронтом ударной волны, создаваемой детонацией разрывного заряда фугасного боеприпаса.

Композиции активных оболочек, вследствии отсутствия в их составе компонентов, способных вступать в химические реакции с материалами преград нецелесообразно использовать в ударных элементах для пробития металлических преград, а также из-за их неспособности создавать очаги пожаров в запреградном пространстве. Как следствие, область применения реакционных материалов типа активных оболочек ограничивается фугасными боеприпасами.

Другой тип реакционных материалов на основе смесей из металлических порошков, преимущественно алюминия и фторопласта находит широкое применение в качестве ударных элементов для поражения металлических преград и объектов, расположенных в запреградном пространстве. Углубленный анализ свойств, состава, механизмов и параметров действия таких энергетических материалов представлен в статье «Energy Release Characteristics of Impact-Initiated Energetic Materials)) напечатанной в сборнике «Mater. Res. Soc. Symp. Roc. Vol. 896 Materials Research Society)).

Композиции реакционных материалов, состоящие из 26,5% масс. алюминия и 73,5% масс. фторполимера, представленная в указанном материале, наиболее близка к сущности данного изобретения и выбрана в качестве его прототипа.

Фторполимеры, входящие в состав композиций ударного действия, в результате химического взаимодействия с алюминиевыми преградами ударных элементов, изготовленных из таких материалов, значительно увеличивают размер отверстий в преградах, а часть фрагментов ударных элементов в виде горящих частиц проникают в запреградное пространство и формирую очаги пожара в нем. Однако повышенная реакционная способность композиций такого типа приводит к тому, что они полностью сгорают во взрывном режиме еще в корпусе боеприпаса под действием разрывных зарядов из взрывчатых веществ, используемых в качестве основного снаряжения. По этой причине исключается возможность их применения в традиционных боеприпасах, снаряженных взрывчатыми веществами.

Целью данного изобретения является создание недетонационного реакционного материала унифицированного по способности эффективно функционировать, как в качестве композиции, усиливающей фугасное действие боеприпасов, так и в качестве реакционных поражающих элементов проникающего типа: таких как ударные ядра, используемые индивидуально, или в сочетании с металлическими облицовками малого прогиба, или используемые в качестве компактных поражающих элементов различной формы с усиленным пробивным и запреградным действием.

Поставленная цель достигается тем, что энергоемкая реакционная композиция многофункционального действия, включающая фторопласт и алюминий или его смесь с магнием, или с алюминиево-магниевым сплавом, или с титаном, или с никелем, или смесь с различными сочетаниями перечисленных металлических горючих, отличается тем, что для регулирования физико-механических свойств и кинетики переноса энергии в процессе функционирования в ее состав вводится калиевая селитра и углерод, при следующем соотношении компонентов, в % масс.

Введение в состав композиции на основе металлических порошков и фторполимеров калиевой селитры и углерода придает ей ряд новых физико-механических свойств и кинетических процессов, наделяющих ее универсальным характером действия и обеспечивающих возможность универсального применения как для снаряжения блоков, усиливающих фугасное действие боеприпасов, так и для формования элементов проникающего и запреградного действия.

Указанные свойства разработанной композиции обусловлены сочетанием в ее составе компонентов, обладающих повышенной пластичностью (металлические порошки, фторполимеры, углерод) и компонента с повышенной хрупкостью (калиевая селитра), а также обусловлены сочетанием компонентов с различными типами кинетики химических реакций - у металлических порошков ускоренный и замедленный темп химического разложения у калиевой селитры и углерода.

Изменяя степень уплотнения блоков, изготовленных из разработанной композиции можно задавать режим функционирования композиции в боеприпасе. При степенях уплотнения менее 0,9 блоки композиции предназначены для применения в качестве элементов, усиливающих фугасное действие боеприпасов, при степенях уплотнения свыше 0,9 они предназначены для применения в качестве ударных элементов пробивного и запреградного действия.

Пластичные свойства композиции при коэффициентах ее уплотнения менее 0,9 проявляются в процессе сжатия ударными волнами от диспергирующего заряда. Они обеспечивают, вследствие пластического течения, ее разогрев до температур, превышающих температуру плавления алюминия. Вследствие наличия в композиции хрупкого компонента калиевой селитры на последующей после разрушения корпуса боеприпаса объемной стадии процесса в результате растяжения блока компоненты композиции дробятся на мельчайшие части, легко вступающие в взаимодействие между собой и с кислородом воздуха.

Замедленная кинетика термического разложения калиевой селитры исключает протекание взрывных процессов в корпусе боеприпаса и наоборот интенсифицирует их на стадии объемного взрыва в образованиях в форме струйных потоков и облаков различной формы, состоящих из смесей компонентов с воздухом. Интенсивные химические реакции компонентов на этой стадии взрыва формируют интенсивные ударные волны, превосходящие по параметрам фугасного действия волны, создаваемые взрывом традиционных взрывчатых веществ.

При коэффициентах уплотнения свыше 0,9 блоки композиции функционируют в режиме ударных элементов, обладающих пробивным и запреградным действием. Пластичные компоненты композиции обеспечивают ее уплотнение на первой стадии взрыва до относительной плотности близкой к предельно возможной, при этом прогрев композиции весьма незначителен вследствие эндотермичности термического разложения калиевой селитры и углерода. В процессе движения к цели блок композиций увеличивается в объеме и принимает форму соответствующую форме поверхности, заложенной в конструкторской документации, например форму ударного ядра, стержня, конуса и т.п. При применении облицовки из разработанной композиции в сочетании с металлической облицовкой при действии по цели они представляют собой единый поражающий элемент.

Интенсивность процессов взаимодействия компонентов поражающих элементов резко возрастает при их встрече с материалом преград, так как на предыдущих этапах процесса произошла их активизация. Фторполимеры и калиевая селитра, входящие в состав композиции, взаимодействуя с материалами преграды, увеличивают размер отверстия в ней. Горящие частицы формируют в запреградном пространстве очаги пожара и ударные волны, повышая вероятность и степень поражения объектов, расположенных за преградой. В отличии от облицовок на основе системы металл-фторопласт принятое в композиции соотношение компонентов и сочетание углерода и калиевой селитры в ее составе повышает длительность горения частиц композиции в запреградном пространстве.

Вследствие протекания перечисленных процессов разработанная композиция сочетает в себе свойства реакционных материалов, используемых для повышения фугасного действия боеприпасов и свойства композиций, применяемых в ударных элементах, предназначенных для пробития металлических преград и поражения объектов, расположенных в запреградном пространстве.

Основные параметры горения композиций при действии боеприпасов, такие как размеры пламени и длительность теплового воздействия в запреградном пространстве, амплитудно-частотные характеристики ударных волн и струйных газодинамических потоков, формируемых блоками из разработанных композиций можно регулировать, используя различное сочетание перечисленных металлических порошков и изменяя соотношение углерода и металлических горючих в композиции. Регулирование пористости блоков из композиций осуществляли как путем подбора усилия их формирования, так и изменением соотношения между фторкаучуком и фторопластом в составе. Размеры и количество очагов пожара в запреградном пространстве регулируются содержанием фторполимеров и калиевой селитры в композиции в заданных пределах.

Проведены эксперименты с различными вариантами разработанных композиций и прототипами (таблица 1) с определением параметров их фугасного (схема проведения эксперимента фиг. 1), пробивного и запреградного действия (схема проведения эксперимента фиг. 2). Варианты композиций 10-12 в таблице 1 находятся за пределами заявляемого диапазона соотношений компонентов. Параметры фугасного действия разработанной композиции в сравнении с прототипом определяли в условиях эксперимента, моделирующего фугасное действие блоков из композиции в составе боеприпаса.

Пьезодатчиками определяли давление на фронте ударной волны, создаваемое блоком композиций на различных расстояниях от места расположения моделирующего устройства, а также по результатам скоростной видеосъемки оценивали протяженность потока реагирующих компонентов и время его существования.

По результатам определения давления, по известной формуле Садовского, рассчитывали соотношение тротиловых эквивалентов взрыва прототипа и разработанной композиции.

Результаты определения параметров фугасного действия вариантов композиции представлены в таблице 2.

Блоки вариантов композиций, испытанных на фугасное действие, формовали при коэффициентах уплотнения менее 0,9.

В ходе экспериментов коэффициент уплотнения блоков, предназначенных для оценки параметров пробивного и запреградного действия, превышала 0,9. Для подтверждения пробивной способности разработанных реакционных материалов и их способности создавать в запреградном пространстве области повышенного давления блок композиции выстреливали из устройства фиг. 2 в цилиндрическую емкость объемом 200 л, на торце которой устанавливали преграду из листа стали толщиной 3 мм.

Для оценки способности блоков из композиции формировать очаги пожара в запреградном пространстве, скоростной видеосъемкой фиксировали размеры и длительность свечения высокотемпературного потока реагирующих в запреградном пространстве компонентов композиции после удара блока композиции по стальной преграде. Преграда в этих экспериментах представляла собой стальной лист толщиной 3 мм длиной и шириной 2×3 м. Скорость поражающего элемента при этом составляла 1500 м/с.

Как следует из данных, представленных в таблице 2, варианты заявленной композиции существенно превосходят прототип по энергетике взрыва, размерам и длительности действия потоков реагирующих компонентов. Указанные преимущества разработанной композиции обусловлены сбалансированными режимами многофазных процессов, которые описаны выше, протекающими в замедленном режиме химического превращения под воздействием детонации разрывного заряда в корпусе боеприпаса и процессами активного горения на объемной стадии реагирования компонентов в воздушной среде. Резкое снижение уровня параметров фугасности за пределами заявленного соотношения компонентов (образцы 10-12) обусловлены при запредельных соотношениях компонентов недостаточной активацией металлических горючих на стадии процессов, протекающих в корпусе боеприпаса и, как следствие, пониженной скоростью и полнотой окисления металлов на объемной стадии взрыва.

Данные, представленные в таблице 3, подтверждают способность блоков из разработанной композиции пробивать стальную преграду и осуществлять занос в запреградное пространство протяженного потока реагирующих компонентов с длительностью горения, составляющей 6-9 мс. Поток с такими характеристиками способен формировать в запреградном пространстве области повышенного давления и зажигать горючие материалы.

Композиция прототипа 2 вследствие полного выгорания ее еще в корпусе модельного устройства под действием детонации разрывного заряда не обладает пробивным и запреградным действием, что исключает целесообразность ее применения для этих целей в традиционных боеприпасах. За пределами заявленного диапазона эффективность действия композиции по преградам существенно снижается вследствие не оптимального сочетания физико-механических свойств и скоростей взаимодействия компонентов смеси между собой и с материалом преграды.

Таким образом, результаты экспериментов подтверждают многофункциональные возможности разработанного энергоемкого реакционного материала в части его применения с повышенной эффективностью, как в качестве блоков, усиливающих фугасное действие боеприпасов, так и в качестве элементов, обеспечивающих пробивание преград и обладающих запреградным фугасным и зажигательным действием.

Фиг. 1. Схема проведения эксперимента по определению параметров фугасного действия

1 - точка инициирования; 2 - диспергирующий заряд ВВ; 3 - блок реакционной композиции; 4 - стальная пластина; 5 - металлический корпус; 6 - свободный объем

Фиг. 2. Схема проведения эксперимента по определению параметров пробивного и запреградного действия блока реакционной композиции

7 - гнездо под инициатор; 8 - корпус устройства 9 - дополнительный разрывной заряд ВВ; 10 - основной заряд ВВ; 11 - поражающий элемент из реакционной композиции