ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬНО-РАЗРЫВНОЙ ЗАРЯД

Полезная модель относится к пиротехнике, а более конкретно, к воспламенительно-разрывному заряду для пиротехнических фейерверочных изделий высотного действия, которые могут быть использованы при проведении зрелищных и увеселительных мероприятий.
Уровень данной области техники характеризует пиротехническое фейерверочное изделие высотного действия, описанное в изобретении SU 237042, С06D, содержащее воспламенительно-разрывной заряд из воспламенительной смеси, включающей (мас.%): 53-63 калия азотнокислого, 32-38 магниевого порошка и 5-9 криолита, которая помещена в перфорированную картонную оболочку с распределенными на ней под корпусом функциональными звездками (фейерверочное снаряжение).
Недостатком описанного изделия является неудовлетворительная скорость нарастания давления в корпусе от газообразных продуктов, генерируемых при горении воспламенительной смеси с низкой скоростью. В результате корпус дробится неравномерно и нерегулируемо, при этом горящие звездки разлетаются произвольно с разной скоростью, искажая формируемый в атмосфере фейерверочный рисунок.
Отмеченный недостаток устранен в фейерверочном изделии высотного действия по патенту RU 26116, F42В 4/04, 2002 г., который по технической сущности и числу совпадающий признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога.
Известное изделие содержит сферический корпус, внутри которого распределены функциональные звездки, уложенные на тканевую оболочку с воспламенительно-разрывным зарядом, связанным посредством временного замедлителя с вышибным зарядом, оснащенным электровоспламенителем, инициируемым импульсом с пускового устройства.
Особенностью настоящего изделия является выполнение воспламенительно-разрывного заряда из инертного растительного материала с низкой гравиметрической плотностью (сыпучий носитель), частицы которого покрыты слоем толщиной 0,4-0,6 мм из воспламенительной смеси, состоящей из пороха или пиротехнического состава и нитроцеллюлозы.
Соотношение масс сыпучего носителя из растительного материала и воспламенительной смеси покрытия оптимизировано в диапазоне 0,2-0,7, что обеспечивает стабильность баллистических и технологических характеристик воспламенительно-разрывного заряда.
Под термином «инертный растительный материал» понимается пожаро-, взрывобезопасный компонент, в качестве которого используются подсолнечная лузга, полова овса, рисовая шелуха, семена хлопчатника и т.п.
Использование нитроцеллюлозы в виде раствора в легколетучем растворителе при изготовлении воспламенительно-разрывного заряда, который
размещен в тканевой оболочке взамен перфорированной картонной по указанному аналогу, позволяет повысить технологичность менее трудоемкого в изготовлении изделия.
Чувствительное к тепловому импульсу покрытие на инертном дисперсном носителе определяет высокую скорость воспламенения и объемного горения воспламенительно-разрывного заряда, что обеспечивает резкое нарастание давления генерируемых газообразных продуктов внутри корпуса. В результате этого достигается мелко фрагментарное дробление корпуса и метание горящих функциональных элементов (звездок) на дистанцию, кратно превышающую дистанцию по прототипу и равную во всех направлениях.
При функционировании известного изделия на высоте стрельбы образуется практически шаровая поверхность из локальных фейерверков от автономно горящих функциональных звездок, выполненных из пиротехнического искро-форсового состава.
Пиротехнический искро-форсовый состав звездок воспламеняется энергией генерируемых газообразных продуктов горения воспламенительно-разрывного заряда до дробления корпуса при максимуме давления в замкнутом его объеме.
Активное горение воспламенительной смеси покрытия инертного сыпучего носителя, с большой скоростью нарастания давления газообразных продуктов горения, заканчивается до разрыва сферического корпуса, который дробится равномерно, обеспечивая большую скорость разлета горящих функциональных звездок. В результате формируется правильной геометрической формы фейерверочный рисунок, что повышает зрелищный эффект.
Однако, недостатком описанного устройства является неудовлетворительное функционирование фейерверочных изделий малого калибра из-за относительно низкого количества воспламенительно-разрывного заряда, а также при использовании в воспламенительной смеси покрытия частиц сыпучего носителя не оптимального качественного и количественного пиротехнического состава. В этих случаях повторяются недостатки прототипа по искажению формы фейерверочного рисунка из-за градиента скоростей разлета функциональных звездок, который возникает в результате нерегулируемого и неравномерного дробления корпуса.
Крупные фрагменты корпуса, образующиеся при разломе его технологических полусфер, являются экраном, препятствующим свободному разлету функциональных элементов (звездок), при горении которых образуются локальные фейерверки, формирующие общий светящийся искрами рисунок на высоте подрыва изделия.
При экранировании частично тормозится и сдерживается разлет звездок, искажающий заданный рисунок светящейся геометрической фигуры и снижается зрелищный эффект.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является повышение функциональной надежности фейерверочных изделий при расширении номенклатуры их типоразмеров, то есть области использования,
обеспечив равновысокий зрелищный эффект.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном воспламенительно-разрывном заряде для пиротехнического фейерверочного изделия высотного действия, который размещен в пластичной оболочке с распределенными на ней функциональными звездками, заполняя объем корпуса шаровой формы, и выполнен в виде сыпучего наполнителя из растительных частиц, покрытых слоем воспламенительной смеси, включающей порох или пиротехнический состав и нитроцеллюлозу в массовом соотношении 0,2-0,7, по предложению авторов, пиротехнический состав покрытия из воспламенительной смеси содержит перхлорат калия, уголь древесный и серу, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
перхлорат калия
68-74
уголь древесный
15-19
сера
9-11
нитроцеллюлоза
1-3,
при этом толщина покрытия из воспламенительной смеси на частицах наполнителя составляет 0,2-0,4 мм.
Отличительные признаки обеспечили повышение показателей назначения и функциональную надежность фейерверочных изделий малых калибров, что позволило расширить потребляемую их номенклатуру, разнообразив технологические возможности визуального выполнения различных светящихся, искрящихся фигур в пространстве.
Оптимизация количественного состава воспламенительно-разрывного заряда для изделий высотного действия проводилась расчетом по математической модели планирования эксперимента и проверена натурными испытаниями опытных образцов различного калибра.
Поскольку калий хлорнокислый имеет значительно более высокое содержание активного кислорода, чем нитрат калия в составе пороховой мякоти дымного пороха, предложено использовать его в воспламенительной смеси воспламенительно-разрывного заряда чтобы обеспечить ускорение нарастания давления в корпусе фейерверочного изделия и придания функциональным элементам повышенной начальной скорости разлета при разрыве корпуса на мелкие фрагменты.
Калий хлорнокислый имеет более высокую температуру плавления (610°С), чем нитрат калия (334°С), поэтому менее чувствителен к тепловым и механическим воздействиям в служебном обращении, то есть более технологичен в серийном производстве.
Уголь древесный является горючим веществом и использован в данной композиции как традиционный компонент, применяемый в пороходелии. При увеличении содержания угля в смеси снижается скорость горения.
Сера, с одной стороны, является цементатором, связывающим калий хлорнокислый с углем, а с другой стороны - горючим веществом, облегчающим воспламенение, так как обладает более низкой температурой плавления, чем уголь. Увеличение содержания серы снижает скорость горения смеси.
Нитроцеллюлоза, в виде лакового раствора или стабилизированного коллоксилина в ацетоне, служит в качестве технологического связующего, смачивающего поверхность инертного сыпучего носителя и удерживать на ней высушенный пиротехнический состав. После удаления летучих веществ нитроцеллюлоза остается в сформированном на частицах носителя покрытии в виде воспламенительной смеси и служит в качестве дополнительного горючего вещества снаряжения.
При нанесении на частицы инертного носителя воспламенительной смеси из пиротехнического состава более 0,4 мм догорание воспламенительно-разрывного заряда происходит после разрыва корпуса изделия, снижая эффективность его использования в качестве метательного средства функциональных звездок, искажая формируемый ими фейерверочный рисунок.
При нанесении на частицы инертного носителя воспламенительной смеси из пиротехнического состава толщиной менее 0,2 мм не обеспечивается сплошности покрытия, что снижает скорость нарастания давления внутри корпуса изделия, искажая динамику и фрагментарность его дробления.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, неприсущего признакам в разобщенности, то есть поставленная техническая задача достигается не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста по пиротехнике, показал, что оно не известно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления пиротехнических фейерверочных изделий высотного действия, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.
Фейерверочное изделие (фиг.1) содержит корпус 1, собранный из двух состыкованных полусфер, которые выполнены из электротехнического картона толщиной 1,0-1,5 мм.
Внутри корпуса 1 размещена тканевая оболочка 2, заполненная воспламенительно-разрывным зарядом 3, который представляет собой сыпучий инертный материал растительного происхождения, частички 4 (фиг.2) которого покрыты тонким слоем 5 воспламенительной смеси, содержащей пороховую мякоть или пиротехнический состав и нитроцеллюлозу.
Толщина слоя 5, имеющего высокоразвитую поверхность, составляет 0,2-0,6 мм, что при сгорании обеспечивает экспрессивное генерирование газов и стремительное нарастание давления внутри тонкостенного корпуса 1.
Соотношение масс структурных составляющих заряда 3 (инертного дисперсного носителя 4 и чувствительного к тепловому импульсу слоя 5 его покрытия) составляет 0,2-0,7, что гарантированно обеспечивает стабильность баллистических и технологических характеристик воспламенительно-разрывного заряда 3 в целом.
В корпусе 1 изделия выполнено отверстие 6 под устройство 7 временного замедления, которое размещено внутри заряда 3.
Между тканевой оболочкой 2 и полусферами корпуса 1 распределены функциональные элементы 8, так называемые звездки, которые выполнены из пиротехнического искро-форсового состава.
Полусферы корпуса 1 связаны покрытием 9, выполненным намоткой липкой бумажной ленты 10.
В покрытии 9, по продольной оси изделия, выполнено сквозное отверстие 11, соосное и соразмерное отверстию 6 корпуса 1 под установку замедлительного устройства 7, и с противной стороны выполнено отверстие 12, в котором установлена петлевая ручка 13, концами защемленная покрытием 9 на корпусе 1.
В нижней (по чертежу) части изделия, на корпусе 1 прикреплена капсула 14, несущая метательный пороховой заряд 15, в котором расположен электровоспламенитель 16, оснащенный шнуром 17 для подсоединения к клеммам пускового устройства мортиры (условно не показаны).
По периферии снаряжения, включающего помещенный в тканевую оболочку 2 воспламенительно-разрывной заряд 3 с распределенными по поверхности функциональными элементами 8, состыковывают картонные полусферы, формируя корпус 1 изделия.
При этом устройство 7 временного замедления, утопленное в заряд 3, ориентируют относительно отверстия 6 в корпусе 1, а с противной стороны к корпусу 1 приклеивают концы петлевой ручки 13.
Собранный таким образом корпус 1 укрепляют на поворотное приспособление под катушки намотки липкой ленты 10 для формирования силового покрытия 9 корпуса 1.
Намотку ленты 10 осуществляют внахлест с перекрытием 3-6 мм в зависимости от калибра изделия.
Для намотки используют бумажную ленту шириной 9-19 мм с липким слоем из акрила (скотч).
Предложенный воспламенительно-разрывной заряд 3 изготавливается следующим образом.
В смесителях баллонного типа предварительно раздельно готовят раствор нитроцеллюлозы в ацетоне (ТУ 84-888-81) в соотношении 1: (8-12) и пиротехнический состав, содержащий (мас.%): 65-72 калия хлорнокислого по ТУ 6-09-5467-90, 18-23 угля древесного для дымных порохов (ОСТ В 84-2281-86) и 10-12 серы технической, ГОСТ 127-78.
В качестве альтернативы в воспламенительном составе слоя 5 используется пороховая мякоть дымного ружейного пороха по ГОСТ 1028-79 в состоянии поставки.
Далее в смеситель лопастного типа загружают растительную основу (подсолнечная лузга, полова овса, рисовая шелуха, семена хлопчатника и т.п.) - инертный наполнитель воспламенительно-разрывного заряда, характеризующийся низкой гравиметрической плотностью (0,15-0,25 г-см) и высокоразвитой поверхностью рыхлой структуры, и обрабатывают ее раствором нитроцеллюлозы в ацетоне в массовом соотношении от 0,5 до 1,1, в зависимости
от требуемой толщины формируемого слоя воспламенительной смеси.
Затем в смеситель засыпают приготовленный пиротехнический состав или пороховую мякоть в массовом соотношении 1:(1,5-5) и перемешивают в течение 5-10 минут, без обдува воздухом.
Полученный полуфабрикат выгружают на лотки слоем 30-60 мм и массой не более 2 кг и сушат при температуре 40-50°С не менее 8 часов или провяливают при температуре атмосферы цеха не менее 12 часов до влажности не выше 4 мас.%.
3
3
Готовый продукт с развитой поверхностью горения имеет гравиметрическую плотность не более 0,55 г-см (для сравнения, у дымного пороха -0,8-1,0 г-см) и представляет собой воспламенительно-разрывной заряд, которым заполняется тканная оболочка 2, помещаемая вовнутрь корпуса 1 изделия.
Толщина слоя 5 воспламенительной смеси с использованием предложенного пиротехнического состава в покрытии на частицах 4 растительного наполнителя составляет 0,2-0,4 мм, потому что скорость ее горения выше, чем у воспламенительной смеси на основе пороховой мякоти, толщина слоя 5 которой составляет 0,4-0,6 мм. При этом скорость нарастании давления в корпусе 1 фейерверочного изделия заметно выше.
Использование в воспламенительной смеси калия хлорнокислого увеличивает объем газообразных продуктов горения, что повышает эффективность основного действия заряда 3 по газогенерированию для изделий малых калибров (75-125 мм), в которых навеска воспламенительно-разрывного заряда 3 составляет четверть-треть фейерверочного снаряжения 8.
В фейерверочных изделиях калибра выше 125 мм количество воспламенительно-разрывного заряда 3 составляет 80-120% от массы, находящихся в нем функциональных звездок 8, что достигается увеличением толщины слоя 5 покрытия частиц 4 растительного наполнения из воспламенительной смеси на основе пороховой мякоти до 0,4-0,6 мм.
Следует отметить, что воспламенительная смесь на основе пороховой мякоти содержит, мас.%:70-75 калий азотнокислый, 12-15 уголь древесный для дымных порохов, 8-12 сера и 4-6 нитроцеллюлоза, что согласуется с отраслевыми рекомендациями (см., например, Будников М.А. и др. Взрывчатые вещества и пороха, Госиздат Оборонпрома, М., 1955, с.266).
При этом соотношение масс инертная основа - воспламенительное покрытия составляет 24,5%-75% и 35,7%-64,3% соответственно для пороховой мякоти и пиротехнического состава, используемых в воспламенительной смеси.
В обоих случаях содержание нитроцеллюлозы составляет 2 мас.% на сухой остаток нелетучих.
Предложенный воспламенительно-разрывной заряд 3 был опробован в пределах оптимизированных диапазонов содержания компонентов, на границах этих диапазонов и вне границ. При этом испытывались воспламенительные смеси на основе пиротехнического состава с толщиной покрытия от 0,1
до 0,5 мм.
Характерные пиротехнические составы воспламенительной смеси для покрытия 5 частичек 4 сыпучего носителя представлены в таблице 1.
Таблица 1- массовое содержание компонентов воспламенительных смесях.
Наименование компонентов
Содержание компонентов (мас.%) в составах
1
2
3
4
5
6
Калий хлорнокислый
57
61,5
68
70
74
79
Уголь древесный
24
22
19
18
15
12
Сера техническая
16
14
11
9
9,5
8
Нитроцеллюлоза
3
2,5
2
3
1,5
1
В таблице 2 приведены характеристики и показатели назначения испытанных воспламенительных смесей для разрывного заряда 3.
Таблица 2- сравнительные характеристики и показатели назначения испытанных составов.
Параметры и характеристики
СОСТАВЫ
1
2
3
4
5
6
Макс. давление, МПа (масса образца - 2 г)
60,5
61,2
63,4
67,6
63,0
50,2
Время нарастания давления, мс
39,6
28,1
26,8
22,4
23,8
25,5
Количество воспл. смеси на 1 кг носителя, г
320
260
225
175
145
110
Толщина воспл. слоя, мм
0,60
0,55
0,40
0,35
0,25
0,15
Радиус разлета звездок, м* (изделие калибра 150 мм)
25-38
42-53
55-68
62-75
50-60
35-42
Зрелищность по 10-бал. оценке, геометрич. форма
6,0 букет
7,5 овал
9,5 сфера
9,5 сфера
9,5 сфера
6,5 букет
*- в манометрической бомбе по методике НИИПХ (инв. №21705 н/с).
Из таблиц 1 и 2 следует, заданные показатели назначения в полной мере обеспечивают составы №№3-5, массовое содержание компонентов в которых соответствует выбранному оптимуму в изобретении, при толщине слоя воспламенительной смеси на инертном сыпучем носителе в диапазоне 0,2-0,4 мм.
Действует предложенное изделие следующим образом. Изделие за петлевую ручку 13 устанавливают внутри мортиры, к клеммам которой подсоединяют шнур 17.
При нажатии кнопки «Пуск» электрический импульс подается на электровоспламенитель 16, инициирующий пороховой метательный заряд 15.
При горении заряда 15 генерируются пороховые газы, создающие скачок избыточного давления в мортире, под действием которого изделие выстреливается на заданную высоту (120-450 м в зависимости от калибра).
Тепловой энергией пороховых газов воспламеняется пиротехнический состав устройства 8 замедления, время горения которого рассчитано на достижение изделием заданной высоты полета.
Огневой факел от устройства 8 воспламеняет состав заряда 3, сгорающего с большой скоростью, динамично генерируя при этом газообразные продукты, разрывающие корпус 1 и несущую оболочку 10 на мелкодисперсные фрагменты.
При этом распределенные функциональные элементы 9, воспламененные горячими газообразными продуктами горения воспламенительно-разрывного заряда 3, свободно разлетаются в атмосфере, формируя фейерверочный рисунок правильной формы.
Например, радиус разлета звездок 9 для изделия калибром 125 мм составляет 55-75 м.
Испытания опытной партии изделий по полезной модели показали высокую надежность действия и устойчиво создаваемый требуемый фейерверочный эффект, более высокие, чем у штатных изделий и по прототипу, что позволяет рекомендовать Заказчику промышленное их производство.