ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬНЫЙ СОСТАВ
PYROTECHNICAL IGNITION COMPOSITION

Изобретение относится к пиротехническим воспламенительным составам, которое может быть использовано в различных зажигательных устройствах, в том числе устройствах запуска энергосиловых установок, работающих на жидком углеводородном топливе.
Воспламенение жидкого углеводородного топлива в камере сгорания современных энергосиловых установок является одной из главных задач в управлении процессами горения. Качественное зажигание компонентов топлива обеспечивает плавный запуск установки, и, следовательно, снижает перегрузки на начальном этапе.
Как показывает опыт, наиболее перспективными средствами запуска энергосиловых установок, работающих на жидком углеводородном топливе, являются системы с вынужденным воспламенением горючей смеси, а именно пиротехнические воспламенительные устройства. Пиротехнический метод зажигания углеводородных топлив надежен и эффективен по сравнению с химическим, электроискровым, каталитическим и лазерным способами. При этом пиротехнические воспламенительные устройства, работающие по принципу срабатывания пиротехнического снаряжения, имеют небольшие габариты и массу, а также обеспечивают стабильные выходные характеристики в течение длительного срока хранения и эксплуатации.
г
cг
в
В пиротехнических воспламенительных устройствах используются специально разработанные воспламенительные составы, к которым предъявляются ряд основных требований: высокая температура горения (Т>1800 К), высокая теплота сгорания (Q>4000 кДж/кг), оптимальное массовое содержание в продуктах сгорания конденсированной фазы (z=15,0÷40,0%) и низкая энергия воспламенения (Q<25,0 Дж).
При этом высокоэффективные пиротехнические воспламенительные составы должны содержать металлические горючие с большой калорийностью, а также окислители на основе фтора и кислорода. Такие составы при сгорании образуют продукты, обладающие высокими теплофизическими характеристиками и оказывающие каталитическое действие на процессы разложения углеводородных топлив, что обеспечивает надежный запуск энергосиловых установок.
Известен пиротехнический воспламенительный состав по патенту RU №2541083, приоритет от 01.10.2013, С06В 33/02, С06В 27/00, включающий политетрафторэтилен и порошок алюминиево-магниевого сплава с содержанием алюминия 48 мас. % и магния 52 мас. % при следующем соотношении компонентов, мас. %:
политетрафторэтилен
15,1-30,2;
порошок алюминиево-магниевого сплава
84,9 - 69,8.
Пиротехнический воспламенительный состав позволяет получить высокую температуру горения, требуемую массовую долю конденсированных продуктов сгорания, однако не обеспечивает в процессе горения достаточное количество тепловой энергии. Кроме того, заряды, изготовленные из указанного состава, имеют невысокие прочностные характеристики.
Также известен пиротехнический воспламенительный состав по патенту RU №2229462, приоритет от 05.08.2002, С06В 21/00, С06В 33/02, содержащий политетрафторэтилен в виде двух фракций: менее 315 мкм - 55-45 мас. % и от 315 до 500 мкм - 45-55 мас. % и металлический порошок, а компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %:
политетрафторэтилен
48-52;
порошок алюминиево-магниевого сплава
52-48.
Указанный пиротехнический воспламенительный состав характеризуется легкой сыпучестью, низкой чувствительностью к трению и не слеживается при хранении и эксплуатации.
Однако данный пиротехнический воспламенительный состав обладает недостаточным содержанием в продуктах сгорания конденсированной фазы и имеет сравнительно низкую температуру горения. Кроме того, заряды, изготовленные из данного состава, имеют малую прочность из-за отсутствия в рецептуре связующего компонента.
Наиболее близким по технической сущности является воспламенительный состав для электровоспламенителей по патенту RU №2542312, приоритет от 01.10.2013, С06В 33/02, С06В 27/00, содержащий окислитель, горючее, связующее и дополнительный окислитель, где в качестве окислителя он содержит политетрафторэтилен, в качестве горючего - алюминиево-магниевый сплав с содержанием алюминия 48 мас. % и магния 52 мас. %, в качестве связующего содержит органическое соединение из ряда: сополимер трифторхлорэтилена и винилиденфторида или сополимер тетрафторэтилена и винилиденфторида, или сополимер винилиденфторида и гексафторпропилена, или сополимер винилиденфторида и хлортрифторэтилена, в качестве дополнительного окислителя - диоксид титана или оксид магния, или сульфат бария, или сульфат кальция, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
политетрафторэтилен
8-13;
порошок алюминиево-магниевого сплава
70;
указанное связующее
7-15;
указанный дополнительный окислитель
5-12.
Данный воспламенительный состав позволяет получить высокую температуру горения, требуемую массовую долю конденсированных продуктов сгорания, но имеет низкие значения теплоты сгорания, что свидетельствует о недостаточной воспламеняющей способности, необходимой для надежного зажигания углеводородных топлив.
Задачей изобретения является разработка пиротехнического воспламенительного состава, обладающего высокой воспламеняющей способностью за счет обеспечения оптимального содержания конденсированных продуктов сгорания, высоких значений температуры горения и теплоты сгорания, а также низкой энергии воспламенения, что обуславливает надежный и эффективный запуск энергосиловых установок, работающих на жидком углеводородном топливе.
Техническая задача решается путем использования пиротехнического воспламенительного состава для различных зажигательных устройств, содержащего порошок алюминиево-магниевого сплава,
политетрафторэтилен, кислородсодержащий окислитель и активное связующее, который в качестве кислородсодержащего окислителя содержит нитрат калия и, дополнительно, нитропленку в качестве активного связующего, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
порошок алюминиево-магниевого сплава
45-65;
политетрафторэтилен
15-25;
нитрат калия
15-25;
нитропленка
5.
Применение металлического горючего позволяет получить большое количество тепловой энергии в процессе его сгорания и обеспечивает образование активных центров воспламенения углеводородной смеси за счет диспергирования в зону реакции раскаленных частиц порошка алюминиево-магниевого сплава газообразными продуктами горения окислителя и связующего.
Политетрафторэтилен во взаимодействии с частицами металлического горючего обеспечивает образование целевых продуктов реакции, а именно фторидов алюминия и магния, которые аккумулируют в себе высокую тепловую энергию и являются катализаторами реакции разложения топлива, тем самым способствуя его активному воспламенению.
Использование нитрата калия способствует более полному окислению металлического горючего, что позволяет увеличить скорость горения и теплоту сгорания пиротехнического воспламенительного состава. Наличие данного компонента в составе обеспечивает удовлетворительную восприимчивость к начальному тепловому импульсу, а также пониженную гигроскопичность и низкую чувствительность к механическим воздействиям.
С целью повышения технологичности приготовления пиротехнического воспламенительного состава и улучшения механических характеристик заряда используется нитропленка. Данный компонент также позволяет обеспечить высокую чувствительность состава к тепловому импульсу и, соответственно, низкую энергию воспламенения.
Характерные рецептуры вариантов пиротехнического воспламенительного состава для устройств запуска энергосиловых установок и состава - прототипа показаны в таблице 1. Достижение требуемого технического результата иллюстрируется расчетными данными по значениям температуры горения, теплоты сгорания и содержания конденсированных продуктов сгорания, а также экспериментальными значениями энергии воспламенения состава - прототипа и пиротехнического воспламенительного состава для устройств запуска энергосиловых установок, которые представлены в таблице 2.
Из таблицы 2 следует, что предложенное техническое решение обеспечило соответствие характеристик представленного пиротехнического воспламенительного состава предъявляемому комплексу энергетических и термодинамических требований.
г
сг
в
в
Номинальная рецептура пиротехнического воспламенительного состава (вариант №3) по сравнению с прототипом обладает повышенными значениями по температуре горения (ΔТ=370 К) и теплоте сгорания (ΔQ=3633 кДж/кг). В продуктах сгорания состава номинальной рецептуры содержится необходимое количество конденсированной фазы (z=26,9%), что соответствует предъявляемым техническим требованиям (z=15,0÷40,0%). Энергия воспламенения номинальной рецептуры состава ниже, чем у прототипа (ΔQ=6,6 Дж) и также удовлетворяет выдвинутым требованиям (Q<25,0 Дж).
m
Уменьшение содержания порошка алюминиево-магниевого сплава до значения C<45 мас. % за счет увеличения содержания окислителей приводит к снижению доли конденсированной фазы в продуктах сгорания вследствие более полного протекания реакции окисления частиц металлического горючего продуктами разложения окислителей в процессе горения состава и повышения температуры горения.
m
Уменьшение содержания обоих окислителей в составе до значения C<15 мас. % за счет увеличения содержания горючего ухудшает процесс физико-химического превращения в ходе протекания реакции горения из-за недостаточного содержания окислительных элементов в составе. Это приводит к снижению теплового эффекта и, соответственно, низкому значению температуры горения. Однако количество конденсированной фазы в продуктах сгорания значительно увеличивается вследствие частичного и неполного окисления металлического горючего.
m
m
Использование в составе нитропленки в количестве C=5 мас. % позволяет обеспечить высокую надежность инициирования от источника с тепловым импульсом, и, в совокупности с металлическим горючим при содержании C<75 мас. % позволяет получить требуемые значения по энергии воспламенения. Изменение содержания нитропленки в сторону увеличения или уменьшения от принятого в рецептуре значения приводит к снижению технологичности приготовления пиротехнического воспламенительного состава и прочности заряда соответственно.
Таким образом, варианты №2, 3, 4 пиротехнического воспламенительного состава, содержащие вышеуказанные рецептурные компоненты при их оптимальном соотношении, обеспечили получение требуемого технического результата. Данные варианты отличаются высокой температурой горения, теплотой сгорания, оптимальным содержанием конденсированной фазы в продуктах сгорания и низкими значениями энергии воспламенения.
Для подтверждения термодинамических характеристик пиротехнического воспламенительного состава применялись стандартные и типовые расчетно-экспериментальные методики. Результаты определения количественного содержания рецептурных компонентов, энергии воспламенения и эффективности работы пироэлементов, выполненных из предложенного пиротехнического воспламенительного состава, подтверждены при проведении огневых испытаний, а также в составе пиротехнического воспламенительного устройства в условиях стендового варианта энергосиловой установки.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста в области пиротехники, показал, что оно неизвестно, а с учетом практической возможности серийного приготовления пиротехнического воспламенительного состава для различных зажигательных устройств, в том числе устройств запуска энергосиловых установок, работающих на жидком углеводородном топливе, можно сделать вывод о его соответствии критериям патентоспособности.