МЕТАТЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД
PROPELLANT CHARGE

Данное изобретение относится к области боеприпасов, а именно к блочным метательным зарядам для снаряжения безгильзовых, гильзовых патронов и присоединенных зарядов к ствольным системам, и может быть использовано при разработке и изготовлении перспективных видов вооружения, имеющих улучшенные физико-механические и баллистические характеристики.
На сегодняшний день известен патент США №3723203 (заявл. 02.09.1969 г., опубл. 27.03.1973 г., МКИ C06B 1/00) по получению топливных зарядов для безгильзовых боеприпасов для ствольного оружия. Изготавливаемый по данному способу заряд к 7,62 мм патрону имеет следующий состав: гранулированный бездымный (пироксилиновый) порох - 95…99 мас.%, полимерное горючее - связующее (сополимер этилена с олефинами и другими соединениями) - 0,8…5 мас.%, пластификатор - 0…1 мас.%. Однако прессование заряда осуществляется при температуре +145°С, что вызывает потенциальную пожаро- и взрывоопасность его изготовления и является основным его недостатком.
Известен также пороховой заряд (заявка Великобритании №1575120, 1980 г., МКИ C06B 25/18, 21/00), который содержит гранулы нитратцеллюлозного пороха, связанные вместе с помощью менее 7% желатинирующего пластификатора с температурой плавления ниже 80°С, в качестве которого используются моно-, ди- или триацетат глицерина, полиэфир на основе адипиновой или янтарной кислоты, диаллилкарбонат этиленгликоля или гексаметилендиизоционат. Гранулы пропитываются пластификатором, пропускаются через сита, обрабатываются графитом, а затем прессуются и нагреваются в форме до образования заряда. Гранулы нитратцеллюлозного пороха могут содержать дифениламин в качестве стабилизатора и сульфат калия в качестве пламегасящей добавки.
2
В патенте США №3679781 (заявл. 17.10.1969 г., опубл. 25.07.1972 г., МКИ C06B 21/00) приводится состав и способ получения пороховых зарядов методом горячего прессования из элементов одноосновного (пироксилинового) нитратцеллюлозного пороха, предварительно покрытых слоями взрывчатого вещества и пластифицированных термопластичным связующим. Состав заряда включает полимерное связующее - до 1,2 мас.%, пластификатор - до 0,18 мас.% и активный наполнитель (гранулы неграфитированного пироксилинового пороха - до 97,42 мас.% и бризантные взрывчатые вещества - до 1,2 мас.%). Изготовление зарядов осуществляется путем равномерного покрытия пороховых гранул слоем взрывчатого вещества (ТЭНа), затем слоем полимерного связующего (ПВА) из его водной дисперсии или из его раствора в спирте или другом растворителе, содержащем также пластификатор (ДБФ), дальнейшего удаления легколетучего растворителя сушкой путем нагрева покрытых связующим гранул пороха до 82…110°С и формования зарядов прессованием гранул при давлении 420…700 кгс/см.
Основными недостатками вышеизложенных изобретений метательных зарядов являются следующие:
- применение термопластов, которые хотя и обеспечивают более высокие прочностные характеристики, но, в большинстве случаев, снижают химическую стойкость и существенно затрудняют технологию изготовления зарядов;
- использование взрывчатых веществ в рецептурах для увеличения энергетики блочных зарядов, приводящее к росту потенциальной опасности производства;
- неконтролируемые деформации и разрушение пороховых элементов при формовании зарядов с небольшим количеством связующего и высоким давлением прессования, приводящие к росту баллистической неоднородности и снижению воспроизводимости параметров выстрела. Повышенное содержание инертного полимерного связующего в рецептурах обусловливает снижение давления прессования блочных зарядов, однако негативно сказывается на их энергетических характеристиках;
- ограниченные возможности применения блочных зарядов с высокоэнергетическими компонентами из-за повышенной чувствительности к механическим воздействиям и высоких температур горения, которые создают дополнительные проблемы безопасности производства и эксплуатации зарядов.
Прототипом предлагаемого изобретения является патент России №2153144 (1999 г., МКИ F42B 5/16), описывающий метательный заряд для унитарных патронов ствольного оружия, содержащий два компонента: первый компонент - спрессованный бездымный порох, второй компонент - зерненый бездымный порох в виде россыпи, причем первый компонент выполнен в виде одного блока, спрессованного из пороховых зерен, на поверхность которых нанесено ингибирующее покрытие, пористость блока составляет 5…25%, а вес блока равен 75…95% от полного веса заряда. Кроме того, блок может быть выполнен вкладным (в том числе состоящим из нескольких шашек) или запрессованным в гильзу. Также блок может иметь центральный канал с диаметром, равным 0,1…0,3 диаметра блока.
3
Однако описанное изобретение обладает целым рядом существенных недостатков. Во-первых, данное изобретение позволяет изготавливать только высокоплотные метательные заряды с плотностью заряжания 1,1…1,3 г/см и диапазоном пористости - от 5 до 25%. Во-вторых, для нанесения на поверхность пороховых зерен ингибирующего покрытия необходимо достаточно сложное технологическое оформление производства метательных зарядов. В-третьих, согласно данному изобретению возможен достаточно узкий диапазон регулирования скорости газообразования в заряде, зависящий от вида и толщины ингибирующего покрытия на отдельных пороховых зернах и их размеров.
Все это не позволяет оперативно реагировать на потребности заказчика в выпускаемой продукции и не способствует расширению ее ассортимента, а сложное технологическое оформление производства зарядов не обеспечивает экологическую и технологическую безопасность.
Техническим результатом настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно создание более совершенного метательного заряда с улучшенными энергетическими, баллистическими и эксплуатационными характеристиками и возможностью их регулирования в широком диапазоне значений в процессе производства, обеспечивающего экологическую и технологическую безопасность и оперативность изменения ассортимента выпускаемой продукции в зависимости от потребностей заказчика.
Технический результат достигается тем, что метательный заряд для унитарных патронов ствольного оружия выполнен в виде одного блока, спрессованного из пороховых зерен, на поверхности которых нанесено полимерное покрытие, причем в качестве полимерного покрытия используются водорастворимые полимеры синтетического или природного происхождения в количестве 5-15 мас.%, а пористость блока составляет 5-60%. Метательный заряд может содержать активный наполнитель, в качестве которого могут применяться измельченные пироксилиновые, баллиститные, сферические пороха в любой их пропорции, и/или отходы этих порохов в количестве до 80 мас.%, и/или бризантные взрывчатые вещества в количестве до 70 мас.% Метательный заряд может быть выполнен вкладным (в том числе, состоящим из нескольких шашек) или запрессованным в гильзу.
Рецептурно-технологические приемы при изготовлении блочного метательного заряда позволят за счет изменения пористости в достаточно широком диапазоне значений существенно изменять характер его горения и регулировать скорость газообразования, что будет способствовать созданию современных метательных зарядов с прогрессивным видом горения и регулируемыми баллистическими характеристиками.
Положительный эффект настоящего изобретения достигается за счет использования в качестве полимерного покрытия водорастворимых полимеров, которые, являясь связующим для пороховых зерен и активного наполнителя, обеспечивают технологичность при формовании блока, прочность метательного заряда, постоянство его эксплуатационных характеристик. Главным достоинством применения водорастворимых полимеров в качестве полимерного покрытия является то, что они не вступают в химические реакции с нитратцеллюлозными порохами и не пластифицируют их, при этом сохраняется исходная форма и внутренняя пористость пороховых элементов. Обладая высокими адгезионными и пленкообразующими свойствами, водорастворимые полимеры в процессе формования блочного заряда склеивают отдельные пороховые зерна и частицы активного наполнителя, за счет чего достигается высокий армирующий эффект, придающий блочному заряду повышенную механическую прочность.
В качестве растворителя полимеров применяется вода, которая также не вступает в химическое взаимодействие с нитратцеллюлозными порохами и частицами активного наполнителя и не пластифицирует их, а позволяет равномерно распределить полимеры по поверхности пороховых зерен и частиц для образования полимерного покрытия. В результате применения воды обеспечивается технологичность изготовления блочных метательных зарядов, безопасность проведения технологического процесса формования зарядов. Из-за отсутствия затрат на классические растворители-пластификаторы (спирт, эфир, этилацетат) и их рекуперацию снижается себестоимость конечного продукта, т.е. блочных метательных зарядов. Все это делает предлагаемое изобретение экономически выгодным, экологически и технологически целесообразным.
Для полимерного покрытия поверхности пороховых зерен и активного наполнителя в качестве водорастворимых полимеров могут применяться любые полимеры синтетического и природного происхождения: например простые эфиры целлюлозы (метил-, оксиэтил-, карбоксиметилцеллюлоза), полисахариды (крахмал, декстрины), белковые вещества (казеиновый, мездровый, животный клеи), полиакрилонитрил, поливиниловый спирт и другие.
Наиболее целесообразно применение в качестве связующего поливинилового спирта. В отличие от большинства водорастворимых природных полимеров и простых эфиров целлюлозы поливиниловый спирт обладает устойчивостью против экзиматического действия бактерий и плесени. Высокое содержание в макромолекуле поливинилового спирта кислорода и водорода, а также отсутствие гетероатомов благоприятно для сохранения энергетических характеристик блочных метательных зарядов. Наличие гидроксильных групп в поливиниловом спирте обусловливает возможность связывания окислов азота, выделяющихся при разложении пороха. Кроме того, поливиниловый спирт физиологически безвреден, поэтому широко используется в медицине и в пищевой промышленности.
Таким образом, водорастворимый полимер в рецептуре блочного метательного заряда, склеивающий пороховые элементы или пороховую крошку при формовании, является основным компонентом, обеспечивающим технологичность и прочность. Применение водорастворимого полимера в рецептуре заряда обусловливает возможность организации вторичной переработки изделий после завершения их срока хранения на складах или относительно легкого исправления бракованной продукции в процессе изготовления.
В качестве компонента, обеспечивающего пористость структуры заряда, используются зерненые пороха. В процессе формования блочных зарядов с водорастворимым полимером сохраняются геометрическая форма, размеры и пористость исходных пороховых элементов, относительное постоянство которых для зерненых порохов одной марки обеспечивает возможность регулирования, постоянства и воспроизводимости пористости блочного заряда. При использовании зерненых порохов разных марок, отличающихся геометрическими размерами и пористостью, можно обеспечить возможность регулирования скорости горения в широких пределах.
В качестве активного наполнителя блочного метательного заряда предлагается использование мелкозерненых пироксилиновых и/или сферических порохов и/или измельченных пироксилиновых, баллиститных порохов в любой их пропорции и/или отходов этих порохов и/или бризантных взрывчатых веществ (например, гексогена, октогена и т.д.). Для достижения наиболее высоких энергетических характеристик и повышения баллистической эффективности блочного метательного заряда целесообразно использование в качестве активного наполнителя - бризантных взрывчатых веществ. Введение в состав блочного заряда активного наполнителя на основе порохов (и/или их отходов) и/или бризантных взрывчатых веществ позволяет не только обеспечить повышение энергетических характеристик заряда, но и дает возможность их регулирования в достаточно широком диапазоне значений. Однако предельное содержание компонентов активного наполнителя ограничивается механической прочностью заряда и обеспечением условий взрывобезопасности при его изготовлении, составляя: для порохов и/или их отходов - не более 80 мас.%, для бризантных взрывчатых веществ - не более 70 мас.%.
Данное изобретение также предусматривает возможность использования устаревших нитратцеллюлозных порохов, выведенных из Росрезерва, что скажется на значительном снижении себестоимости произведенного заряда.
Прочностные и технологические характеристики блочного метательного заряда зависят от соотношения между водорастворимым полимером, пороховыми элементами и активным наполнителем. Количество вводимого в рецептуру полимера зависит от геометрических размеров пороховых элементов и активного наполнителя. Оптимальным является минимальное содержание водорастворимого полимера, при котором обеспечиваются высокие прочностные характеристики блочных зарядов и их хорошая технологичность.
Для обеспечения воспроизводимости баллистических характеристик выстрелов, содержащих блочные метательные заряды, необходимо равномерное распределение компонентов рецептуры зарядов по объему. Поскольку водорастворимые полимеры не пластифицируют пороховые элементы, то регулирование скорости горения и скорости газообразования зарядов предполагается проводить за счет введения зерненых порохов с различной толщиной горящего свода. Широкий диапазон содержания основных компонентов в составе метательного заряда позволяет также регулировать физико-механические и энергетические свойства, что делает состав универсальным для изготовления блочных метательных зарядов различных размеров, конструкций и назначения.
Пористость блока 5…60% выбирается исходя из необходимости создания определенной скорости конвективного распространения пламени по блоку и обеспечения высоких физико-механических характеристик заряда (прочность блока свыше 20 МПа).
Формование блочных зарядов может осуществляться методом глухого прессования (штамповки) из зерен нитратцеллюлозного пороха с полимерным покрытием в виде вкладного моноблока с диаметром, близким к внутреннему диаметру гильзы, либо путем прессования непосредственно в гильзу. Вкладываемый в гильзу блок может состоять из нескольких шашек, если условия штамповки не позволяют изготовить блок полной длины в один прием.
Путем регулирования качественного и количественного состава заряда (зерненых порохов и активного наполнителя) можно изменять ассортимент выпускаемой продукции в зависимости от потребностей заказчика и получать блочные метательные заряды под различные ствольные системы, при этом различная пористость блочных метательных зарядов будет обеспечиваться использованием пороховых элементов различных марок.
Основными отличительными признаками блочного метательного заряда от прототипа являются:
1. использование водорастворимых полимеров синтетического или природного происхождения в качестве полимерного покрытия поверхности пороховых элементов;
2. придание заряду высоких прочностных характеристик за счет хороших адгезионных свойств водорастворимого полимера;
3. применение при производстве блочных метательных зарядов водных растворов полимеров, обеспечивающих экологическую и технологическую безопасность процесса изготовления зарядов;
4. относительная безопасность технологического процесса производства блочных метательных зарядов, обусловленная использованием в качестве растворителя полимеров - воды;
5. возможность регулирования баллистических характеристик за счет изменения качественного и количественного состава блочного метательного заряда;
6. низкая себестоимость метательного заряда из-за отсутствия органических растворителей в рецептуре и необходимости в их рекуперации;
7. состав блочного метательного заряда не требует введения стабилизатора химической стойкости, поскольку наличие гидроксильных групп поливинилового спирта обусловливает возможность связывания окислов азота, выделяющихся при разложении пороха, что положительным образом сказывается на энергетических характеристиках заряда и повышении его физико-химической стабильности.
Вышеизложенные отличительные признаки данного изобретения в совокупности обеспечивают получение положительного технического результата.
Примеры рецептур блочных зарядов, их физико-механические характеристики, результаты манометрических и баллистических испытаний приведены в таблице.
Результаты исследования характеристик опытных составов блочных метательных зарядов
Характеристики
Номера опытных составов
I
II
III
IV
V
VI
Состав,  мас.%:
зерненый порох
93
92
38
38
38
38
поливиниловый спирт
7
8
8
8
8
8
пороховая крошка
-
-
54
54
-
-
октоген
-
-
-
-
54
54
Калорийность Q<sub>ж</sub>, кДж/кг
2895
2800
2800
2800
4210
4210
Пористость П, %
52
31
32
50
34
53
Скорость горения* при давлении P=50 МПа, u, м/с
36,0
12,0
12,5
28,7
14,3
35,0
Баллистические характеристики** при навеске заряда 1,4 г:
скорость полета дроби V<sub>10</sub>, м/с
330
320
325
340
-
-
максимальное давление пороховых газов P<sub>max</sub>, МПа
60
57
59
102
-
-
Примечание: * - результаты манометрических испытаний на испытательно-вычислительном комплексе «Вулкан»;
** - результаты баллистических испытаний в гладкоствольном оружии 12 калибра
Баллистическая оценка блочных метательных зарядов проводилась путем баллистических испытаний дробовых патронов с определением:
10
- скорости V полета дроби на расстоянии 10 м от дульного среза, м/с;
max
- максимального давления p пороховых газов, МПа.
Для проведения испытаний блочные заряды прессовались в виде цилиндров диаметром 16 мм, длина варьировалась в зависимости от пористости. Для снаряжения спортивных патронов использовались гильзы пластмассовые типа СОП, в которые вставлялись блочные заряды. Патроны снаряжались дробью свинцовой охотничьей типа ОТ-6 ГОСТ 7837-78, навеска дроби - 24 г. Сборка патронов проводилась в установленном порядке с использованием французского пыжа-контейнера и с закаткой типа «звезда». Баллистические испытания проводились стрельбой из баллистического оружия 12-го калибра марки МЦ 16-12-70.
Анализ полученных результатов свидетельствует, что энергетические характеристики блочного заряда могут быть выше, чем у прототипа, поскольку рецептура может содержать в качестве активного наполнителя бризантные взрывчатые вещества, кроме того, рецептура не требует ввода стабилизаторов химической стойкости, снижающих энергетику заряда. Поэтому калорийность блочных зарядов может находиться в широких пределах: 2800-4500 кДж/кг. Кроме того, блочные метательные заряды, содержащие в качестве полимерного покрытия поверхности пороховых элементов, отличаются высокими физико-механическими характеристиками.
Блочные метательные заряды, содержащие водорастворимые полимеры, могут найти широкое практическое применение в различных ствольных системах калибром до 30 мм и выше, в частности в стрелковом и спортивно-охотничьем оружии. При изготовлении прочных зарядов в виде блока также появляется возможность создания выстрелов безгильзового заряжания. В минометных выстрелах из блочных зарядов могут быть укомплектованы как основной, так и дополнительные (съемные) заряды. Блочные заряды имеют хорошие перспективы для замены штатных зарядов к строительно-монтажным патронам.
Таким образом, предлагаемый состав блочного метательного заряда по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:
- возможность изготовления блочного заряда с физико-механическими, энергетическими и баллистическими характеристиками в широком диапазоне значений, что обусловливает универсальность производства метательных зарядов к различным стрелковым системам;
- возможность регулирования скорости горения блочных зарядов в широких пределах за счет изменения качественного и количественного состава заряда;
- физиологическая и экологическая безопасность эксплуатации блочных метательных зарядов, содержащих в качестве водорастворимого полимера поливиниловый спирт;
- технологическая и экологическая безопасность производства блочных метательных зарядов за счет применения в качестве растворителя полимера воды;
- экономическая целесообразность производства блочных метательных зарядов и комплектации выстрелов на их основе;
- возможность и простота утилизации устаревших порохов в составе блочных зарядов.
На основе данного изобретения путем компоновки из одноблочных составляющих можно создавать разнообразные многоблочные заряды к различным системам ствольной артиллерии с широким интервалом тактико-технических характеристик.