СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ В БОЕПРИПАСАХ ТЕРМО-БАРО-СВЕТОВОГО ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ ЭНЕРГИЕЙ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА
METHOD OF COMBUSTION REACTION INITIATION IN AMMUNITION OF THERMO-BARO-LIGHT VOLUMETRIC ACTION OF ENERGY OF SELF-SPREADING HIGH-TEMPERATURE SYNTHESIS

Изобретение относится к области химии энергонасыщенных систем, а именно к способам использования энергии, выделяемой при синтезе материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для инициирования реакции горения в боеприпасах термо-баро-светового объемного действия.
СВС традиционно относится к материалообразующим технологическим процессам горения. Суть СВС заключается в локальном инициировании экзотермической смеси реагентов, в результате чего в смеси формируется самопроизвольно распространяющаяся тепловая волна, после прохождения которой происходит синтез материалов производственно-технологического назначения (1-8). В предложенном техническом решении синтез тугоплавких соединений является лишь средством, обеспечивающим аккумулирование энергии СВС. Актуальность предложенного способа заключается в решении вопроса использования энергии, которой обладают СВС-реагенты, размещенные в герметичной камере (реакторе). Данная задача является проблемной на протяжении десятков лет [4, 5].
Известен способ использования энергии СВС, включающий размещение в герметичной камере реагентов, участвующих в синтезе, инициирование реакции горения для синтеза тугоплавких неорганических соединений и взрывное воздействие продуктов на камеру и ее содержимое [7].
Недостатком способа является то, что тепловая энергия используется только для поддержания продуктов синтеза в размягченном состоянии до момента взрывного воздействия на камеру и ее содержимое. По существу, данный способ является лишь средством, используемым в качестве промежуточной операции в технологии компактирования керамического материала. Кроме того, недостатком способа является то, что для его реализации необходимо предварительное создание давления в камере путем закачки в нее азота, а также то, что, как и у аналога, процесс протекает в замкнутом объеме. Данные недостатки исключают возможность использования энергии СВС, в особенности по нетрадиционному назначению.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании способа инициирования реакции горения в боеприпасах термо-баро-светового объемного поражающего действия энергией СВС.
Технический результат от использования изобретения выражается в повышении эффективности использования энергии СВС и в расширении функциональных возможностей СВС путем применения его в боеприпасах термо-баро-светового объемного поражающего действия.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе инициирования реакции горения в боеприпасах термо-баро-светового объемного действия энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, включающем размещение в герметичной камере боеприпаса реагентов, участвующих в СВС, инициирование реакции горения для синтеза неорганических соединений и взрывного воздействия на камеру и ее содержимое, разрушающего камеру и диспергирующего ее содержимое в окружающую среду, при этом для горения в объеме камеры с момента инициирования и после ее разрушения в процессе дисперирования содержимого в окружающую среду в качестве реагентов, участвующих в СВС, используют смесь, преимущественно двух реагентов, выбранных из группы бор, углерод, титан, азот по следующей зависимости:
э
-6
2,0≤М10≤9,1;
3
ад
М=Т·Q,
где:
э
М - мощность термо-световой энергии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, К·кал/г;
Q - тепловой эффект реакций синтеза, кал/г.
ад
Т - адиабатическая температура горения реагентов, участвующих в синтезе, К;
В случаях, когда требуется рассредоточить процесс инициирования по объему, занимаемому реагентами, участвующими в синтезе, инициирование реакции горения осуществляют в присутствии гипергольных высокоактивных химических реагентов, преимущественно из группы фторидов галогенов или их комплексных производных.
В тех случаях, когда требуется повысить температуру или тепловыделение и концентрирование энергии СВС в небольшом объеме, реакцию горения для синтеза тугоплавких неорганических соединений осуществляют в присутствии азотогенерирующих составов, преимущественно азида натрия.
В отдельных случаях, когда требуется регулировать температуру горения и тепловыделение, используют нестехиометрический состав реагентов, участвующих в синтезе.
В случаях, когда требуется рассредоточить процесс инициирования по необходимой поверхности реагентов, инициирование реакции горения осуществляют в присутствии смеси цинка с оксидами металлов, например с окисью меди.
Существенность отличительных признаков обуславливается следующим (далее по тексту на стр.5 первоначального материала заявки).
Разрушение камеры и диспергирование ее содержимого в окружающую среду путем взрывного воздействия на них обеспечивает возможность объемного использования энергии СВС за пределами камеры, в том числе за счет реакции горения реагентов (или их части) с азотом, находящимся в атмосфере воздуха.
Преимущественное использование титана, бора, углерода и азота обусловлено наиболее благоприятным сочетанием стоимости реагентов, объема их производства, простоты и отработанности технологии СВС, а также тем, что синтез тугоплавких соединений с их использованием протекает при высоких значениях температуры горения и тепловыделения [8]. Кроме того, применение титана и азота целесообразно также в связи с тем, что при горении титана в атмосфере воздуха первичной реакцией является реагирование титана не с кислородом, как предполагалось ранее (аналогично таким реагентам, как цирконий, алюминий и др.), а с азотом [9]. Поэтому количество конечного продукта (нитрида титана) в зоне горения, а следовательно, и термосветовое воздействие боеприпаса, значительно увеличиваются.
Осуществление реакции горения в присутствии азотогенерирующих составов обусловлено возможностью проведения высокотемпературных и высокоэкзотермических реакций азотирования тугоплавких неорганических соединений в небольшом объеме, находящемся в области размещения реагентов. Применение ВХР для инициирования реакции горения обусловлено его гипергольным свойством (способностью к самовоспламенению при контактировании) по отношению не только к углеводородным горючим, но также к порошковым металлам.
Применение азида натрия в качестве азотогенерирующего состава обусловлено, по сравнению с другими азидами, например азидом свинца, его более низкой чувствительностью к удару и трению, что важно при смешивании и эксплуатации реагентов.
Применение нестехиметрического состава реагентов обусловлено возможностью регулирования процессом синтеза, в частности за счет продолжения горения части несгоревших диспергированных продуктов при реакции их с азотом, находящимся в атмосфере воздуха.
Применение для инициирования реакции горения смеси титана с оксидами металлов, например с окисью меди, обусловлен высокой скоростью горения их.
Разработка способа использования СВС в боеприпасах термо-баро-светового объемного действия осуществлена с учетом результатов последних исследований [9], показавших, что горение титана на воздухе начинается не с реакции окисления, как предполагалось ранее, а с реакции образования нитрида титана. Это обеспечивает качественно новую возможность образования горюче-воздушной смеси в небольшом объеме, так как содержание азота в атмосфере воздуха превышает в ~4 раза содержание кислорода. Это тем более существенно, что вторичной стадией горения являются реакции образования оксидов титана [9], то есть при горении титана в атмосфере воздуха теоретически может быть создан абсолютный вакуум, что может быть использовано в вакуумных боеприпасах (барическое действие). Кроме того, применение таких составов как титан-бор, а также смеси этих реагентов и порошка титана с азидом натрия обеспечивает возможность использования энергии СВС для осуществления термо-баро-светового объемного поражающего действия без доступа воздуха (например, для осуществления воздействия СВС на летательные аппараты в разряженных слоях атмосферы). Анализ опубликованных источников информации подтвердил неизвестность заявленной совокупности существенных признаков и ее патентоспособность.
Другие цели и преимущества настоящего изобретения вытекают из следующего детального описания примеров его осуществления и прилагаемых чертежей, в которых:
на фиг.1 изображен модельный боеприпас светового объемного действия;
на фиг.2 приведены кадры видеозаписи характера горения СВС-реагентов в модельном боеприпасе (на фиг.2а - вид до опыта, на фиг.2б - световая вспышка в процессе горения, на фиг.2в - окончание горения);
на фиг.3 показана схема размещения оборудования и измерительной аппаратуры при осуществлении процесса горения СВС-реагентов в присутствии ВХР в качестве инициатора горения;
на фиг.4 - схема горения СВС-реагентов в присутствии азида натрия.
Модельный боеприпас светового объемного действия (фиг.1) представляет собой герметичную камеру 1 с крышкой 2, выполненной из плотной бумаги и склеенной с камерой 1, где размещены СВС-реагенты 3, мостик накаливания 4 с зернами ДРП. Боеприпас размещен на подставке 5. Процесс горения инициируется электрическим импульсом, подаваемым на мостик накаливания 4.
Оборудование (фиг.3) для осуществления процесса СВС (горение СВС-реагентов 3) в присутствии ВХР в качестве инициатора горения содержит модельный боеприпас, который отличается от модельного боеприпаса, изображенного на фиг.1, отсутствием мостика накаливания 4. На расстоянии порядка 0,5 метров над модельным боеприпасом, установленным на подставке 5, размещено на стапеле 6 устройство (метательное), в корпусе 7 которого находятся фторопластовая капсула 8 с ВХР, поршень 9 и капсюль-детонатор 100 (ЭД-8). В схему включена также аппаратура для измерения термосветовых характеристик, состоящая из светофильтра 11, настроенного на длину волны 0,7 мкм, фотодиода 12 (ФД-233), усилителя 13 и регистратора 14 (СД-13).
Оборудование для осуществления процесса СВС в присутствии азида натрия (фиг.4) включает размещенную на подставке 5 камеру 1 (матрицу), где находятся СВС-реагенты 3 и пуансон 15. Осуществляют вращение пуансона 15 с предварительной подпрессовкой усилием Р.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) традиционно является материалообразующим процессом. В настоящее время известно более 500 соединений, получаемых методом СВС. К ним относятся карбиды, бориды, нитриды, силициды, интерметаллиды, гидриды, оксиды, сульфиды (10).
При выборе реагентов для осуществления нетрадиционного применения процесса СВС в боеприпасах термо-баросветового объемного действия предпочтение отдают реагентам, обеспечивающим наибольший эффект. Критериями отбора являются: температура горения, определяющая мощность светового потока, и тепловыделение, влияющее на скорость процесса СВС. Параметром, определяющим совместное влияние этих характеристик на термо-баро-световое объемное поражающее действие с учетом известных термодинамических характеристик (8), по мнению авторов изобретения, может являться термосветовая мощность энергии СВС, определяемая соотношением:
э
-6
2,0≤М10≤9,1.
э
ад
М=Т·Q,
где:
э
М- мощность термосветовой энергии самораспространяющегося высоко температурного синтеза, К·кал/г;
Q - тепловой эффект реакции синтеза, кал/г;
ад
Т- адиабатическая температура горения реагентов, участвующих в синтезе, К.
гор
При выборе реагентов важным является также стоимость и распространенность исходных продуктов, простота и отработанность СВС-технологии. С учетом вышеуказанных критериев и данных, приведенных в таблице 1, для осуществления способа выбраны смеси, в которых синтез осуществляется за счет горения двух, наиболее распространенных реагентов (титан, бор, углерод, азот). Данные реагенты обеспечивают наиболее приемлемое сочетание температуры горения и тепловыделение. Выбор реагентов осуществлен также с учетом условий обеспечения наибольшей температуры горения и тепловыделения. Так, наибольшая температура горения достигается при реагировании титана с азотом (Т=4900 К, мощность термосветовой энергии - в середине предложенного диапазона), а наибольшее тепловыделение обеспечивается при реагировании бора с азотом (Q=2448 кал/г, мощность термосветовой энергии - наибольшая, равная 9,1 К·кал/г). Применение таких составов, как цирконий, алюминий и др., менее целесообразно (хотя не исключено), так как продуктами первичных реакций являются реакции образования оксидов, которые не являются тугоплавкими соединениями, а газифицируют при высоких температурах. В результате этого (кроме небольшого содержания в воздухе кислорода) энергия, выделяемая при горении этих реагентов, рассеивается в атмосфере воздуха, и возможность осуществления вторичной реакции (с азотом) существенно уменьшается.
Это не исключает возможность применения более сложных систем, состоящих из 3 и более компонентов.
В качестве реагента, генерирующего азот, выбран азид натрия, обладающий более низкой чувствительностью к внешним воздействиям по сравнению с другими азидами.
Результаты испытаний, подтверждающих реализуемость способа с выбранными реагентами, приведены в примерах 1-5.
Пример 1
Инициирование реакции горения осуществляют в модельном боеприпасе (фиг.1), для образования световой вспышки в атмосфере воздуха используется энергия СВС.
э
э
Смесь реагентов (титан + бор) поз.3 в стехиометрическом соотношении 69/31 массой 28 г размещают в картонной гильзе, представляющей собой камеру с дном (поз.1), диаметром 18 мм, высотой 120 мм и толщиной стенки 0,8 мм. На поверхности смеси реагентов (поз.3) размещают мостик накаливания 4 с приклеенным к нему небольшим количеством (15-20 зерен) дымного ружейного пороха (ДРП), затем приклеивают к корпусу 1 крышку 2 и стягивают их двумя-тремя слоями скотча, что обеспечивает дополнительное упрочнение и герметизацию камеры боеприпаса. Собранный модельный боеприпас размещают на подставке 5 и подают электрический импульс на мостик накаливания 4. В результате нагревания мостика накаливания 4 и подрыва ДРП осуществляют инициирование реакции горения для синтеза тугоплавкого неорганического соединения (диборида титана) и взрывное воздействие на камеру поз.1, 2 и ее содержимое. Взрывным воздействием осуществляют разрушение герметичной камеры поз.1, 2 (вскрытие крышки 2) и диспергируют содержимое камеры в окружающую среду, при этом горение осуществляют как в объеме камеры поз.1, 2 с момента инициирования, так и после разрушения камеры в процессе диспергирования ее содержимого в окружающую среду. Осуществляют видеозапись характера горения диспергированных продуктов видеокамерой SONY DCR-HC90E с частотой записи 28 кад/с. Горение диспергированных продуктов сопровождалось световой вспышкой, размеры которой превышают размеры кадра (фиг.3). Величина М при синтезе диборида титана, согласно табл.1, составляет 2, 17 Ккал/г. С учетом возможных примесей в реагентах (в основном, в боре) минимальная величина М составляет 2,0 Ккал/г.
Пример 2
Осуществляют в модельном боеприпасе (фиг.3) использование энергии СВС в присутствии ВХР с измерением яркостной температуры и спектральной мощности излучения световой вспышки.
2
6
+
6
Смесь реагентов (титан + бор) поз.3 в соотношении 69/31 массой 30 г размещают в герметичной камере поз.1, 2 диаметром 60 мм и высотой 30 мм, склеенной из плотных слоев бумаги. Собранную камеру размещают на подставке 5. На расстоянии 0,5 м от подставки 5 размещают на стапеле 6 устройство для метания ВХР (поз.7-10). В качестве ВХР используют комплексное соединение ClF SF- в твердом состоянии массой 10 г. Осуществляют подрыв капсюля-детонатора поз.10 и высокоскоростное метание ВХР в камеру поз.1, 2, что обеспечило взрывное воздействие на камеру и ее содержимое поз.3, инициирование реакции горения (за счет гипергольного свойства ВХР) для синтеза диборида титана, разрушение камеры поз.1, 2 и диспергирование ее содержимого в окружающую среду, при этом горение осуществляют как в объеме камеры поз.1, 2 в момент инициирования, так и в процессе диспергирования ее содержимого в окружающую среду. Измеряют яркостную температуру и спектральную мощность светового излучения аппаратурой поз.11-14. Горение диспергированных продуктов сопровождается яркой вспышкой диаметром 1-1,5 м. Замеренная яркостная температура на длине волны 0,7 мкм составила более 5000°С, спектральная мощность излучения составила 1200-10" Вт/мкм. Проведены также сравнительные испытания с метанием ВХР на дизельное топливо и на бензин. Яркостная температура составила 2500°С и 4000°С, а спектральная мощность излучения составила 360 Вт/мкм и 720 Вт/мкм соответственно.
Таким образом, результаты испытаний подтвердили эффективность использования энергии СВС в боеприпасах светового объемного действия.
Пример 3
a
3
Осуществляют использование энергии СВС с образованием световой вспышки в присутствии азида натрия (NN) без доступа воздуха.
Испытания проводят по схеме фиг.4, соответствующей испытаниям по определению чувствительности к трению в соответствии с ГОСТ 51008-96 на приборе И-6-2. Реагенты поз.3, участвующие в синтезе, массой 30 мг размещают в камере (матрице) поз.1 и закрывают крышкой (пуансоном) поз.15. В качестве реагентов используют следующие составы: титан - бор в соотношении 69/31+20 и 40% азида натрия, титан +20 и 40% азида натрия. Осуществляют подпрессовывание реагентов пуансоном 15 давлением от 100 до 300 кг/см, что практически исключает доступ воздуха к реагентам. Инициирование реакции горения, взрывное воздействие на камеру поз.1, 15 и ее содержимое осуществляют путем создания давления подпрессовки (более 100 кг/см) и быстрого вращения (со стандартной скоростью 520 об/мин) пуансона 15. Осуществляют реакцию горения и содержимое камеры (поз.1) в виде форса пламени диспергируют в окружающую среду через технологический зазор между матрицей 1 и пунсоном 2. Это равноценно взрывному воздействию на камеру поз.1, 15 и реагенты 3, так как при подпрессовке реагентов 3 пуансоном 15 горение происходит практически в замкнутом объеме.
Пример 4
Осуществляют использование энергии СВС для поражающего действия на оптическую аппаратуру.
3
3
Прессуют таблетки диаметром 10 мм и высотой 3 мм из составов различных реагентов. В качестве базовых реагентов используют титан, бор и углерод в различных соотношениях: титан-бор в соотношении 69/31 (для образования диборида титана); титан-бор в соотношении 86/14 (для образования борида титана) и титан-бор-углерод в соотношении 75,6/12,4/12,0 (для образования карбоборида титана). Для сравнительных испытаний используют состав с пониженной энергетикой (для образования борида железа - табл.1). В качестве инициирующего состава ВХР используют жидкое вещество (BrF), размещенное на кончике шпателя, и газообразное вещество (ClF), подаваемое через капиллярный патрубок. Осуществляют регистрирование процесса видеокамерой с частотой съемки 30 кад/с. Во всех опытах с использованием титана отмечалась яркая вспышка диаметром около 300 мм и последующее затемнение оптической аппаратуры в течение 1,5-2 с. При синтезе борида железа горение протекало спокойно, без затемнения оптики.
Пример 5
Осуществляют использование энергии СВС для образования световой вспышки в модельном боеприпасе, аналогичном примеру 1, за исключением того, что вдоль оси боеприпаса размещают бумажную гильзу и заполняют ее смесью цинка с окисью меди в соотношении 50/50 и на мостик накаливания не приклеивают зерна ДРП. Горение диспергированных продуктов протекало более интенсивно, чем в примере 1.
Таким образом, результаты испытаний подтвердили эффективность предложенного способа.
Изобретение может быть использовано для нетрадиционного применения СВС в боеприпасах термо-баро-светового объемного действия.
Хотя наиболее подробно описаны пять конкретных вариантов осуществления изобретения, следует считать, что изобретение не сводится по объему притязаний именно к этим вариантам, а включает все изменения и модификации в рамках объема притязаний, определяемых прилагаемой формулой изобретения.
Источники информации
1. А.Г.Мержанов, И.П.Боровинская, В.М.Шкиро. Явления волновой локализации автотормозящихся твердофазных реакций. Диплом №287 на открытие. Приор, от 05.07.67.
2. А.Г.Мержанов. Передовая СВС-керамика: сегодня и завтра утром. Вкн. «Процессы горения и синтез материалов», Российская академия наук, Институт структурной макрокинетики и материаловедения, Черноголовка, изд. ИСМАН, 1998, с. 10-40.
3. Т.В.Бавина, Л.В.Перегадо, О.Н.Черненко. Анализ патентной информации, относящейся к СВС в России и за рубежом. Вестник РФФИ, №(45), 2006. Приложение к «Информационному бюллетеню РФФИ» №14.
4. А.Г.Мержанов. Проблемы технологического горения. В кн. «Процессы горения в химической технологии и металлургии». Академия наук СССР, отделение института химической физики, Черноголовка, 1975, с.5-28.
5. А.Г.Мержанов. Десять направлений в будущем СВС. В кн. «Процессы горения и синтез материалов». Российская академия наук, Институт структурной макрокинетики и материаловедения, Черноголовка, изд. ИСМАН, 1998, с.360-363.
6. Патент РФ №2091312. Способ получения тугоплавких соединений и устройство для его осуществления.
7. Патент RU №2069650. Способ взрывного компактирования керамического материала.
8. Н.П.Новиков, И.П.Боровинская, А.Г.Мержанов. Термодинамический анализ реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. В кн. «Процессы горения в химической технологии и металлургии», Академия наук СССР, отделение института химической физики, 1975, с.147-188.
9. А.Г.Мержанов. Теория и практика СВС: современное состоянии и новейшие результаты. В кн. «Процессы горения и синтез материалов». Российская академия наук, Черноголовка, изд. ИСМАН, 1998, с.122-185.
10. А.Г.Мержанов. Горение: новые профессии древнейшего процесса. В кн. «Процессы горения и синтез материалов». Российская академия наук. Институт структурной макрокинетики и материаловедения, Черноголовка, изд. ИСМАН, 1998, с.41-69.