ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК НИТРОЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ПОРОХОВ

Предложенный измерительно-вычислительный комплекс для контроля характеристик нитроцеллюлозных порохов относится к области измерительной техники и предназначен для контроля влажности порохов, а также зависящих от влажности состава продуктов горения, плотности, теплофизических, энергетических и баллистических характеристик порохов после их длительного хранения в условно герметических сосудах (в артиллерийских гильзах в составе метательных зарядов, в металлических коробах).
При длительном хранении артиллерийских боеприпасов изменяется техническое состояние порохов вследствие протекания в них физических и химических процессов. Определяющим физическим процессом является влагообмен пороха с окружающей средой [1]. Лабораторные испытания показывают, что изменение энергетических и баллистических характеристик порохов при их длительном хранении обусловлены в основном изменением их влажности [1]. В зависимости от начальной влажности и условий хранения возможно либо увлажнение, либо высыхание пороха. Для большинства марок пироксилиновых порохов содержание влаги в них допускается в пределах 1,0…1,8% [1].
Известна лабораторная установка [2] для определения влажности порохов после их длительного хранения, состоящая из сушильной камеры и лабораторных весов. Влажность порохов определяется по изменению массы навески пороха до сушки и после сушки в сушильной камере. Например, влажность пироксилиновых порохов определяется шестичасовой сушкой при температуре 95°C [2]. Недостатками лабораторной установки являются возможность контроля только одной технической характеристики пороха (влажности), длительность испытаний.
Известны калориметрические установки, состоящие из корпуса, калориметрического сосуда, датчиков температуры, аналого-цифрового преобразователя и регистрирующего прибора [3] и предназначенные для определения теплоты горения пороха. Теплота горения пороха определяется сжиганием навески пороха в калориметрической установке и измерением изменения температуры воды в калориметрическом сосуде. Недостатками калориметрической установки являются необходимость проведения сжигания навески пороха, контролируется только одна техническая характеристика - теплота горения.
Известны манометрические установки [4, 5, 6], которые состоят из манометрического сосуда (манометрической бомбы, установки для сжигания) с датчиком давления, прибором для регистрации давления и предназначенные для манометрических испытаний порохов. Баллистические характеристики пороха («сила» пороха, коволюм пороховых газов, «единичная» скорость горения, полный импульс давления пороховых газов) определяются в результате обработки кривой давления пороховых газов, полученной при сжигании навески пороха. Недостатками манометрической установки являются необходимость проведения сжигания навески пороха, сложность применяемого оборудования.
Известен измерительно-вычислительный комплекс, состоящий из пьезоэлектрического датчика давления, блока пъезоусилителя с устройством запуска, манометрического сосуда, промышленного персонального компьютера, системы управления, обработки и визуализации информации с программным обеспечением и предназначенный для манометрических испытаний порохов [7]. Недостатками измерительно-вычислительного комплекса являются необходимость проведения сжигания навески пороха, сложность применяемого оборудования, по результатам испытаний определяются только баллистические характеристики порохов («сила» пороха, коволюм пороховых газов, «единичная» скорость горения, полный импульс давления пороховых газов).
Известны измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), представляющие собой функционально объединенную совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенные для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи [10].
Целью изобретения является измерительно-вычислительный комплекс, позволяющий измерять косвенным методом влажность порохов, а также зависящие от влажности состав продуктов горения, условную формулу, плотность, теплофизические, энергетические и баллистические характеристики порохов после их длительного хранения в условно герметических сосудах (в артиллерийских гильзах в составе метательных зарядов, в металлических коробах) без проведения сжигания порохов.
Указанная цель достигается тем, что для контроля влажности порохов, а также зависящих от влажности характеристик порохов применяется измерительно-вычислительный комплекс (рисунок 1), состоящий из стеклянной (металлической или пластиковой) измерительной ячейки 1 с резиновой крышкой 2, навеской испытуемого пороха 3 и датчиком температуры и влажности воздуха 4, цифрового прибора 5 для измерения влажности и температуры воздуха, USB-кабеля 6 и ПЭВМ 7 с программным обеспечением.
уд
уд
уд
a
a
Влажность пороха определяется косвенным методом по относительной влажности воздуха над пороховыми элементами в закрытой измерительной ячейке при комнатной температуре (18…22°C). При длительном хранении пороха в условно герметических сосудах (в артиллерийских гильзах в составе метательных зарядов, в металлических коробах) между влажностью пороха h и относительной влажностью воздуха φ в пространстве между пороховыми элементами устанавливается равновесное состояние, которое при φ=30…90% имеет линейную зависимость h=φ-b (1), где  и b - опытные коэффициенты, определяются по результатам лабораторных испытаний порохов. Например, для обыкновенных пироксилиновых порохов h=0,033φ-0,67.
Перед проведением измерений порох, хранящийся в условно герметическом сосуде, термостатируется при комнатной температуре. Для проведения измерений отбирается навеска пороха из условно герметического сосуда и помещается в измерительную ячейку с датчиком влажности и температуры воздуха. Измерительная ячейка герметично закрывается крышкой. За время переноса пороха из условно герметического сосуда для хранения в измерительную ячейку равновесная влажность пороха может быть частично нарушена, поэтому время переноса навески пороха должно быть минимальным (2…3 мин.). Через некоторое время (не более 5 мин. при комнатной температуре) в воздушном пространстве между пороховыми элементами в измерительной ячейке установится равновесная с порохом влажность воздуха (рисунок 2). С измерительного прибора снимаются показания температуры и влажности до тех пор, пока их значения не стабилизируются. Влажность пороха рассчитывается по формуле (1).
Характеристики пироксилиновых и баллиститных порохов в зависимости от их влажности рассчитываются на ПЭВМ с применением программы «Расчет характеристик порохов» [8]. В программе реализован термодинамический метод расчета характеристик порохов [9]. Исходными данными для расчета являются формулярные характеристики порохов, полученные при их испытаниях после изготовления на предприятии.
Результаты контроля влажности, состава продуктов горения, плотности, теплофизических, энергетических и баллистических характеристик порохов с применением предлагаемого измерительно-вычислительного комплекса представлены на рисунках 3, 4.
Применение предлагаемого измерительно-вычислительного комплекса для контроля характеристик нитроцеллюлозных порохов позволяет за короткое время (не более 10 мин.) провести контроль влажности пороха и определить зависящие от влажности характеристики пороха без его сжигания:
1) условную формулу 1 кг пороха;
2) состав продуктов горения пороха;
3) энергетические характеристики пороха: температуру горения, теплоту горения, удельный объем пороховых газов;
4) баллистические характеристики пороха: коволюм пороховых газов, показатель политропы пороховых газов, «силу» пороха, «единичную» скорость горения пороха;
5) плотность пороха и его теплофизические характеристики: теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность.
Используемая литература
1. Производство и эксплуатация порохов и взрывчатых веществ: учебник для вузов / В.К. Марьин, H.М. Боклашов, Б.Г. Романенко, Л.Н. Гавриленко, А.Б. Терентьев; Министерство обороны РФ, ГРАУ МО РФ. - Пенза: ПАИИ, 2005. - с. 131-136.
2. Орлов Б.М. Руководство к лабораторным работам по курсу «Пороха и твердые топлива» / Б.М. Орлов, В.Ф. Фролов; Министерство обороны СССР. - Пенза: ПВАИУ, 1986. - с. 48-52.
3. Калориметр В-08-МА. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.
4. Патент RU 2276322, МПК F42B 35/00, G01N 33/22, F23R 7/00.
5. Патент RU 2236003, МПК G01N 33/22.
6. Патент RU 2447436, МПК G01N 33/22.
7. Измерительно-вычислительный комплекс «Поляна». Руководство по эксплуатации, 2011 год.
8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013619125. Расчет характеристик порохов / Боклашов Н.М., Рыжаков В.В. и др., 2013 год.
9. Боклашов H.М. Расчет характеристик нитроцеллюлозных порохов на ЭВМ: Учебно-методическое пособие / H.М. Боклашов, В.А. Пархоменко. - Пенза: ПАИИ, 1999. - с. 13-22.
10. РГМ 29-99. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения.