ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ОСВЕТИТЕЛЬНЫЙ СОСТАВ
PYROTECHNICAL ILLUMINATING COMPOSITION

Изобретение относится к пиротехнике, а более конкретно к осветительным составам, включающим нитраты щелочных и щелочноземельных металлов и металлическое горючее.
Уровень данной области техники характеризует пиротехнический осветительный состав, описанный в учебнике Шидловского А.А. Основы пиротехники, М., «Машиностроение», 1973, с.149, состав №14, который содержит (мас.%):
48 нитрата бария (окислитель);
45 магниевого порошка (металлическое горючее);
7 технологическое связующее.
Недостатком известного пиротехнического осветительного состава является невысокая сила света, что делает его непригодным для применения в современных образцах пиротехнических средств для освещения больших территорий.
Более совершенным является пиротехнический осветительный состав, описанный в источнике USA J.B. Ledgard "The Preparatory Manual of Black Pyrotechnics, First Edittion, 2006 г. (состав 05-05-024A), который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному составу.
Известный пиротехнический состав содержит порошок магния, нитрат натрия и технологическую добавку - эпоксидную смолу, при следующем соотношении компонентов (мас.%):
порошок магния
66,7
нитрат натрия
28,5
эпоксидная смола
4,8.
Этот состав обладает рядом достоинств: при его сгорании достигается высокая сила света излучения пламени; за счет использования в рецептуре отверждаемой эпоксидной смолы состав имеет высокие прочностные характеристики спрессованных из него зарядов, испытывающих большие ударные нагрузки при выстреле.
Недостатком известного пиротехнического осветительного состава является низкая технологичность из-за малого жизненного цикла с момента приготовления композиции до ее формования в изделия, что определяется временем полимеризации эпоксидной смолы.
Полимеризованная эпоксидная смола (связующее) является термически не стойкой, что определят низкую устойчивость известной композиции к воздействию повышенных температур, развивающихся при длительном горении заряда из нее, а также при аэродинамическом нагреве артиллерийских осветительных снарядов, снаряженных этим составом.
Пиротехнический состав по прототипу обладает высокой скоростью горения, что ограничивает его применимость в осветительных пиротехнических изделиях, требуемая скорость горения заряда в которых не должна превышать 2,5 мм/с.
Кроме того, этот состав обеспечивает низкий уровень светоотдачи, характеризуемой удельной светосуммой ниже 45000 кд·с/г, что недостаточно для продолжительного освещения больших площадей.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение области использования пиротехнического осветительного состава и технологических возможностей его применения, при повышении функциональной надежности зарядов из него.
Требуемый технический результат достигается тем, что известный пиротехнический осветительный состав, содержащий магниевый порошок, нитрат натрия и технологическую добавку, активирующую горение - фторкаучук, согласно изобретению, дополнительно содержит фторопласт, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
магниевый порошок
55-66
нитрат натрия
20-30
фторкаучук
8-14
фторопласт
6-1.
Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили повышенную термическую и механическую стойкость спрессованным из состава по изобретению зарядам, горение которых характеризуется значительным увеличением излучающей способности пламени в видимом диапазоне частот при низкой скорости горения.
Термическая основа пиротехнического состава сбалансирована по окислительному балансу, обеспечивая оптимальное массовое соотношение кислородвыделяющего окислителя, фторсодержащих органических соединений и металлического горючего порошка для достижения высоких светотехнических характеристик при горении заряда, которое сопровождаются термодеструкцией фторсодержащих компонентов с генерированием частиц, излучающих в видимой области спектра (0,45-0,76 мкм).
2
При горении состава происходит разложение нитрата натрия и фторорганических компонентов и окисление металлического горючего - магниевого порошка, в результате чего в пламя выделяются частицы, излучающие в видимой области спектра в виде атомов Na, молекул MgO, MgF и раскаленных частиц углерода.
При содержании в пиротехническом осветительном составе порошка магния меньше 55 мас.% сила света неудовлетворительна из-за снижения температуры горения.
При содержании в пиротехническом осветительном составе порошка магния больше 66 мас.% снижается количество активно излучающих компонентов требуемой дисперсности и повышается скорость горения заряда.
При содержании в пиротехническом осветительном составе нитрата натрия меньше 20 мас.% не обеспечиваются требуемые спектральные характеристики пламени.
Содержание в пиротехническом осветительном составе нитрата натрия больше 30 мас.% является балластным и снижает долю излучающих компонентов, что ухудшает показатели назначения.
Меньшее минимального содержание в составе магниевого порошка и большее максимального содержание нитрата натрия приводит к резкому падению силы света пламени, также к нестабильному горению уплотненного из него заряда, который трудно воспламеняется.
При содержании в пиротехническом составе магниевого порошка больше максимального и нитрата натрия меньше минимального приводит к резкому повышению скорости горения состава при незначительном росте силы света.
При горении термической основы предложенного состава в присутствии фторсодержащих органических полимерных компонентов образуются высокодисперсные частицы, повышающие светотехнические характеристики функциональных зарядов.
2
Фторопласт - дополнительный окисляющий компонент, который при горении смеси разлагается, выделяя частицы пироуглерода, а также взаимодействует с магнием, образуя частицы MgF, тем самым повышая световые характеристики состава и показатели назначения зарядов из него.
При содержании в пиротехническом осветительном составе фторопласта меньше 8 мас.% повышается скорость горения состава, но не приводит к повышению светотехнических характеристик.
Содержание в пиротехническом осветительном составе фторопласта больше 14 мас.% приводит к дополнительным затратам энергии на его разложение без заметной активации горения термической основы, что, в свою очередь, ухудшает показатели светотехнических характеристик.
Фторкаучук - искусственный каучук, содержащий 52% фтора и 25% хлора, используется в виде 10%-ного раствора в ацетоне - смолы марки СКФ-32, в качестве технологической добавки, которая повышает механическую прочность и физико-механическую стабильность зарядов из предложенного состава.
Фторкаучук при смешивании обеспечивает капсюлирование порошинок магния, предотвращая его взаимодействие с кислородом воздуха.
При использовании в пиротехническом осветительном составе фторкаучука меньше 1 мас.% не исключается пыление во время смешивания компонентов, что взрывонебезопасно; а из-за неравномерного распределения компонентов затруднено объемное дозирование смеси на операции прессования, необходимое в серийном производстве. Уменьшенное содержание фторкаучука снижает прочностные характеристики запрессовок зарядов.
При использовании в пиротехническом осветительном составе фторкаучука больше 6 мас.% резко увеличивается время сушки смеси, что нетехнологично, при этом снижается энергетика смеси, что приводит к значительному падению силы света.
Высокая термостойкость фторорганических компонентов предложенного пиротехнического состава обеспечивает нечувствительность зарядов из него к аэродинамическому нагреву до температуры 150°C и устойчивость к механическим нагрузкам, что допускает использование композиции в качестве функционального снаряжения артиллерийских боеприпасов.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, не присущей признакам в разобщенности, то есть поставленная техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по пиротехнике, показал, что оно не известно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления пиротехнического осветительного состава на действующем производстве можно сделать вывод о соответствии условиям патентоспособности.
Приготавливается предложенный осветительный состав по принятой технологии пиротехнического производства смешиванием компонентов в промышленном смесителе.
В смеситель загружают 60,5±5,5 мас.% магниевого порошка (марки МПФ-1) и 3,5±2,5 мас.% фторопласта марки Ф-4, после чего перемешивают в течение 5-10 минут, в результате чего порошок магния покрывается тонкой пленкой связующего.
Затем в смеситель добавляют 25±5 мас.% нитрата натрия и 10%-ный раствор фторкаучука количеством 11±3 мас.% в ацетоне (смола марки СКФ-32) и перемешивают в течение 10-20 минут для достижения равномерного распределения компонентов в объеме смеси.
Полученный состав провяливают не менее 1 часа и затем гранулируют на грануляторе.
Далее приготовленный гранулят сушат на лотках до содержания летучих не выше 0,3%.
2
Полученный сыпучий пиротехнический материал, который автоматически объемно дозируется, направляют на уплотнение в заряды прессованием с относительно низким давлением 100-300 кгс/см.
Оптимальный количественный состав предложенной смеси компонентов осветительного пиротехнического состава был рассчитан по математической модели планирования эксперимента и проверен испытаниями опытных образцов зарядов, изготовленных при различном массовом соотношении компонентов для определения уровня показателей назначения: в пределах диапазона содержания компонентов, на его границах и за границами оптимизированных диапазонов.
Характерные составы, испытанные в структуре зарядов снаряжения артиллерийских боеприпасов, приведены в Таблице 1.
Таблица 1
Характерные составы по изобретению
Компоненты
Содержание компонентов (мас.%) в составах
1
2
3
4
5
магниевый порошок
66
66
60
55
54
нитрат натрия
19
20
25
30
29
фторкаучук
7
8
12
14
16,5
фторопласт
8
6
3
1
0,5
Состав 1 характеризуется высокой скоростью горения при неудовлетворительных показателях по силе света, смесь нетехнологична в приготовлении и переработке в заряды из-за длительной сушки.
Состав 5 при испытании показал нестабильный характер горения, светотехника понижена; заряды из этого состава имеют низкую механическую прочность.
Результаты сопоставительных испытаний составов по изобретению и ближайшему аналогу (прототипу) приведены в Таблице 2.
Таблица 2
Характеристики составов и зарядов из них
Характеристики
Составы
2
3
4
прототип
класс чувствительности к трению
16
15
13
11
Степень опасности
низкая
низкая
средняя
средняя
класс чувствительности к удару
9
7
6
4
Степень опасности
высокая
высокая
высокая
очень высокая
сила света, кд *
280000
308000
330000
315000
скорость горения, мм/с
1,5
1,75
2,2
4
плотность заряда, г/см<sup>3</sup>
1,85
1,9
1,93
1,8
предельная температура эксплуатации, °C
150
60
* - для заряда ⌀ 35,5 мм
Из Таблицы 2 следует, что образцы зарядов из предложенного пиротехнического состава показали полную пригодность к требуемым условиям изготовления и переработки его в изделия, которые обеспечивают достижение показателей назначения.
Полученные результаты опытной проверки технического решения по изобретению позволяют рекомендовать предложенный пиротехнический состав для практического снаряжения изделий осветительного назначения больших поверхностей и длительного времени действия.