ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ДЫМООБРАЗУЮЩИЙ СОСТАВ
PYROTECHNICAL SMOKE-GENERATING COMPOSITION

Изобретение относится к пиротехническим составам, при горении которых генерируется аэрозоль, образующий на воздухе дымовую завесу, используемую для постановки маскирующего облака.
Уровень данной области техники характеризуют пиротехнические металлохлоридные составы, которые содержат в качестве окислителя гексахлорэтан, гексахлорбензол, в качестве металлического горючего - магний, цинк, алюминий, силициды кальция, магния, сплавы магния с алюминием и функциональные добавки в виде окиси цинка, магния, алюминия для автоматического регулирования скорости горения и повышения дымности, а также технологические добавки, такие как фенолформальдегидная, поливинилхлоридная или эпоксидная смола (см., например, А.А.Шидловский, Основы пиротехники, М.: «Машиностроение», 1973 г.; И.В.Быстров, Пиротехника, «Оборонгиз», 1954 г.; патенты США №2939779, нац. кл. 149; №3274035 и №3625855 по нац. кл. 102-56; №3485171 нац. кл. 252; ФРГ №№1091925, 1542020, кл. 78; Франции №2249590, F42В, 1975 г.
В патенте ФРГ 1542020, 78d 1/100 описана рецептура дымообразующего состава, включающего, мас.%: 40-60 гексахлорэтана, 20-30 цинка, 2-10 окиси цинка и 1-10 алюминия. В патенте США №3485171, кл. 102-56 описан состав, включающий (мас.%): 45,5 гексахлорэтана, 47,5 окиси цинка и 7 гранулированного алюминия.
2
Маскирующая способность этих дымообразующих составов в видимой области спектра оптического излучения находится в области 3,8-4,2 м/г, скорость горения составляет 1,0-2,8 мм/с, что явно недостаточно для эффективной визуальной защиты средств военной техники и вооружения.
Недостатками указанных аналогов являются нестабильное горение в уплотненном состоянии, а также значительное пыление при смешивании сухих компонентов, что создает взрывоопасность промышленного производства.
Указанные составы нетехнологичны, что затрудняет изготовление дымообразующих зарядов, изготовление которых не представляется технически возможным в серийном производстве прессованием.
Использование этих составов возможно только в герметичных конструкциях боеприпасов из-за высокой гигроскопичности цинка, что на практике ограничивает серийное производство.
Отмеченные недостатки устранены в пиротехническом дымообразующем составе по патенту Франции №2249590, F42В 13/00, 1975 г., который содержит (мас.%): 35-60 гексахлорэтана, 10-35 окиси цинка, 3-25 металлического горючего - силицидов кальция, магния или алюминия и 3-20 технологической добавки - поливинилхлорида.
Недостатками описанного состава являются следующие:
- низкая маскирующая способность из-за высокой скорости горения состава, обусловленной использованием в качестве горючего силицидов (неорганических соединений кремния и металла);
- высокая скорость горения состава в снаряженном изделии (1,5-1,8 мм/с), не позволяющая использовать известный состав в малогабаритных дымовых боеприпасах с относительно продолжительным временем генерирования дыма, порядка 10-15 минут;
- содержание компонентов не оптимизировано для стабильного горения состава и обеспечения заданных показателей назначения.
Поливинилхлорид при минимальном массовом содержании (3%) является технологической добавкой, а при максимальном массовом содержании (20%) служит не связующим, а функциональным компонентом - инертным хлорсодержащим окислителем (ухудшающим воспламеняемость состава), что принципиально различно и не может однозначно характеризовать композицию, изменяя его технологические свойства и служебные характеристики.
В качестве наиболее близкого аналога предложенному составу выбран пиротехнический дымообразующий состав, описанный в патенте BG 62132 В1, 18.05.1999, С06D 3/00 (2006.01), который содержит, мас.%:
гексахлорэтан
59-69
окись цинка
19-31
порошок алюминия
4-10,5
фенолформальдегидная смола
2,3-3,2
Недостатками известного состава являются неудовлетворительная функциональность по основному назначению и малое время стабильного дымообразования из-за высокой скорости его горения.
Фенолформальдегидная смола является чисто технологической добавкой и служит дополнительным органическим горючим, для сжигания которого необходимо повышенное содержание металлического горючего - алюминиевого порошка.
Относительно большое содержание в известном составе алюминия провоцирует пламенное искровое горение, что может привести к воспламенению подстилающей поверхности и в итоге демаскировать защищаемые объекты. При этом не обеспечивается заданный удельный расход дымообразования, то есть время функционирования дымовой шашки составляет 60% необходимого, что требует соответствующего увеличения массы используемого заряда.
Относительно малое содержание в составе окиси цинка - основного дымообразователя, который взаимодействует с гексахлорэтаном, на нижнем пределе диапазона содержания определяет неудовлетворительную маскирующую способность.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение маскирующей способности дымообразующего состава и стабильности его функционирования при заметном снижении скорости горения.
Требуемый технический результат достигается тем, что пиротехнический дымообразующий состав, включающий гексахлорэтан, окись цинка, порошок алюминия и технологическую добавку, согласно изобретению в качестве технологической добавки содержит фторкаучук, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
гесахлорэтан
60-67
окись цинка
27-32
порошок алюминия
3-5
фторкаучук
2-4
Отличительные признаки обеспечили существенное повышение основных технических характеристик дымообразующему составу, его показателей назначения, технологических свойств и функциональных данных.
Отличается заявленный состав от известного тем, что в качестве технологической добавки он содержит фторкаучук и количественным соотношением компонентов, что обеспечивает новое неочевидное качество - улучшение показателей назначения.
Фторкаучук, взаимодействуя с металлическими горючими состава, дополнительно образует хлориды алюминия и цинка, усиливающие оптическую неоднородность дымового облака, показатель преломления которого нерегулярно изменяется за счет флуктуации плотности и диспергированной конденсированной фазы, что определяет состояние видимости формируемой маскирующей завесы.
Преобразование падающего оптического излучения в дымовом облаке с беспорядочно распределенными неоднородностями сопровождается его ослаблением за счет поглощения и нерегулируемым рассеянием, то есть отраженные волны распространяются по всевозможным направлениям, минимизируя до фонового уровень отражения в направлении средств обнаружения и наведения.
Технической задачей в изобретении является оптимизация количественного содержания компонентов состава для максимального повышения показателей назначения.
Оптимальное массовое соотношение структурных компонентов состава было рассчитано по математической модели планирования эксперимента, которое проверялось опытным путем испытания зарядов из предложенных дымообразующих составов.
Предложенное массовое соотношение известных компонентов пиротехнического дымообразующего состава, сравнительно с предложенным ближайшим аналогом (при условии замены технологической добавки: вместо фенолформальдегидной смолы фторкаучук, который служит дополнительным окислителем, образующим хлориды и фториды цинка и алюминия), оптимизировано для повышения маскирующего действия генерируемого при горении аэрозоля, характеризующегося максимальным рассеянием оптического излучения на длине волн 0,40-1,56 мкм, что значительно шире, чем у известных составов (0,75-1,01 мкм).
При этом достигаемый от использования предложенного состава по назначению технический эффект заметно улучшен, в частности:
- маскирующая способность повышена на 20-25%;
- время горения увеличено в 2,5-3,5 раза;
- скорость горения снижена на порядок;
- длина маскирующей (непросматриваемой) дымовой завесы увеличена примерно на 50%.
Гексахлорэтан, окись цинка и алюминий в оптимизированном массовом соотношении представляют основу термической смеси, обеспечивающей заданные параметры горения и дымообразования.
При содержании в составе гексахлорэтана менее 60 мас.% падает маскирующая способность.
При содержании в составе гексахлорэтана более 67 мас.% увеличивается шлакообразование при нестабильном горении состава.
При содержании в составе основного дымообразователя - окиси цинка менее 27 мас.% - падает маскирующая способность ниже требуемого значения.
При содержании в составе окиси цинка более 32 мас.% снижается эффективность основного действия из-за неполного ее расхода по целевому назначению.
Изменением содержания в составе алюминия можно регулировать глубину взаимодействия окиси цинка и углерода.
Если содержание алюминия в составе уменьшается, тогда как соотношение гексахлорэтана и окиси цинка сохраняется, то количество свободного углерода в дыме уменьшается, что делает дым белее. При этом скорость горения состава снижается.
При содержании в пиротехническом составе алюминия менее 3 мас.% характер горения становится неустойчивым, пульсирующим.
При содержании в составе алюминия более 5 мас.% образуется много свободного углерода, в результате чего дым приобретает нежелательный темно-серый оттенок.
Использование высококалорийного металлического горючего - порошка алюминия - позволяет повысить температуру горения состава и, соответственно, содержание и полноту хлорирования в дисперсной фазе окиси цинка.
Высокая гигроскопичность хлористого цинка способствует получению устойчивого аэрозольного облака с повышенными маскирующими характеристиками.
Пиротехнический состав при содержании фторкаучука менее 2 мас.% нетехнологичен из-за пыления, что небезопасно, затрудняет объемное дозирование на операции прессования зарядов.
При содержании фторкаучука более 4 мас.% падает маскирующая способность состава, технологическое время сушки которого заметно увеличивается.
Состав готовится и перерабатывается по принятой в пиротехническом производстве технологии, на существующем стандартном оборудовании.
Гексахлорэтан, алюминий, окись цинка вводят в порошкообразном состоянии, фторкаучук марки СКФ-32 - в виде 25%-го раствора в ацетоне.
Характерные составы с содержанием компонентов внутри оптимизированных диапазонов их массовых долевых частей, по предельным количествам структурных элементов и за этими пределами приведены в таблице 1.
Таблица 1
Содержание компонентов предложенного состава.
компоненты
Содержание компонентов, мас.%
1
2
3
4
5
Гексахлорэтан
59
60
63
66
68
Окись цинка
34
32
30
27
25
Алюминий
6
4
4
5
2
Фторкаучук
1
4
3
2
5
Испытания опытных зарядов из составов по изобретению проводились в усовершенствованной дымовой шашке, корпус функционального элемента которой представляет собой цилиндр высотой 65 мм с внутренним диаметром 300 мм.
Результаты испытаний представлены в таблице 2.
Таблица 2
Сопоставительные технические характеристики предложенного дымообразующего состава с аналогами.
Показатели
Запрессованный состав (к=0,85)
Патент FR 249590
Патент BG 62132
1
2
3
4
5
Вес состава, кг
10
10
10
10
10
10
10
Маскирующая способность, м<sup>2</sup>/г
4,0
4,7
5,0
4,9
3,5
3,9
4,0
Скорость горения, мм/с
0,25
0,1
0,12
0,17
0,15<sup>•</sup>
1,4
1,2
Время горения, мин
8
14
12
10
-
3
4
Количество шлаков, %
20
15
10
12
27
27
27
Длина дымовой завесы, м
80-100
120-170
120-170
120-170
60-80
80-100
100-120
· - горение с затуханием
Из таблицы 2 следует, что предложенный состав имеет скорость горения кратно ниже, чем скорость горения состава по прототипу.
Фторкаучук марки СКФ-32 представляет собой каучук, содержащий 52% фтора и 25% хлора, который является дополнительным окислителем, активизирующим и стабилизирующим процесс дымообразования состава в уплотненном состоянии при низких скоростях горения (0,1 мм/с), которые обеспечивают повышение маскирующей способности дымового облака.
Фторкаучук в роли технологической добавки обеспечивает требуемую механическую прочность и физико-химическую стабильность заряда в условиях эксплуатации, что является уникальным свойством технологической добавки пиротехнического состава.
Испытания опытных образцов уплотненных зарядов из составов по изобретению показали надежное воспламенение и устойчивое горение.
Чувствительность предложенного состава к механическим воздействиям низкая, что безопасно и повышает его технологичность при промышленном серийном производстве.
Состав химически стойкий и обладает достаточной физико-химической стабильностью.
Составляющие компоненты доступны и имеют широкую сырьевую базу.
При сопоставимых условиях эксплуатации и параметрах зарядов предложенный состав, в пределах оптимального массового содержания компонентов, обеспечивает, сравнительно с аналогами, дымовую завесу, на 40-50% превосходящую по габаритам и в 3-4 раза по времени действия дыма. Маскирующая способность предложенного дымового состава на 18-25% выше.
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 дымообразующего состава, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.