Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Сентябрь » 3 » Метательные ВВ
20:50
Метательные ВВ

Метательные ВВ являются одними из наиболее массовых энергонасыщенных соединений, производимых промышленностью. Это обусловлено чрезвычайно широким спектром областей применения. Наибольшая масса метательных ВВ (МВВ), оправдывая свое название, используется в артиллерии, ракетной технике и стрелковом оружии различного назначения. Также МВВ используются в пороховом монтажном инструменте, пиротехнической продукции различного назначения, пороховых аккумуляторах давления (в том числе, промышленно-бытового назначения), а также, в инженерных боеприпасах (в качестве средства доставки пламени) и на промышленных взрывных работах (ДВП, гранипоры и др.).

Общее для всех МВВ – небольшая скорость горения, практически ни при каких обстоятельствах не переходящая в детонацию. Наиболее древнее МВВ – дымный порох, имеет наибольшую склонность к переходу горения в детонацию, но, его крайне низкие энергетические характеристики давно вытеснили его с этого поприща. Также, достаточно высокой вероятностью перехода горения в детонацию обладают наиболее высокоэнергетические из смесевых и баллиститных составов (особенно содержащие мощные БВВ).

Но, практически ни одна из областей применения МВВ (древний ДВП и утилизуемые в виде гранипоров пороха не в счет) не предусматривает даже приближение к околодетонационным процессам. Поэтому, большинство МВВ имеют скорость горения 1-200 мм/сек (при давлении 1-300 атм.), причем, стремятся к плавному послойному горению с постоянной скоростью.

На рисунке 1 представлена примерная картина горения основных видов МВВ.

пороховые элементы

Рисунок 1.

Красным цветом показан пластинчатый пироксилиновый порох, сгорание происходит концентрическими слоями. При этом уменьшается толщина и размеры пластинки. В конце горения, пластинка настолько истончается, что разрушается от ударов о стенки ствола при движении с пороховыми газами и догорает мелкими кусочками. Зеленым цветом показан трубчатый одноканальный порох (например, баллистит). При его горении также происходит истончение стенок и в конце разрушение на мелкие элементы. Синим цветом представлены элементы сферического пороха, они имеют овальную (чечевицеобразную) форму. Сгорание происходит с поверхности, при этом, как и для других порохов происходит сглаживание граней и следовательно, сферизация формы. Разрушения не происходит из-за небольших размеров, более высокой ударной вязкости, чем у пироксилиновых порохов и простой формы.

Серым цветом, позиция г., показана шашка смесевого твердого топлива. Горение также происходит концентрическими слоями, в данном случае, с внутренней поверхности шашки.

Пороховой элемент дымного пороха, позиция д., при сгорании почти сразу же рассыпается на мелкие кусочки и пыль, которая сгорает быстро, за счет большой площади поверхности.

Различают два основных вида МВВ: пороха и ракетные топлива. Основное технологическое отличие порохов и ракетных топлив заключается в размерах пороховых элементов. Пороха редко имеют массу одного порохового элемента около 0,5 кг, основная же часть порохов не приближается по массе порохового элемента к 50 граммам. Масса же шашки ракетного топлива достигает нескольких сотен тонн (для межконтинентальных баллистических ракет (МБР) и ускорителей космических ракетоносителей).

Кроме того, основное эксплуатационное отличие порохов от ракетных топлив заключается в условиях горения. Пороха работают (сгорают) при переменном давлении (от 200 до 4000 атм., для различных систем и участков ствола), а ракетные топлива работают при практически постоянном давлении (80-250 атм.). Скорость истечения для пороховых газов в обоих случаях может достигать огромных значений (до 3 км/сек и более).

При этом, пороха более чувствительны к твердым механическим примесям в продуктах сгорания. Если ракетное топливо может содержать в продуктах сгорания 2-8% твердых частиц (по массе) и это не считается много. То, для пороха 1-2% твердых частиц уже является ощутимой проблемой. Особенно разница заметна при сравнении длинноствольных высокоимпульсных систем с практически безсопловыми ракетами. Это является следствием длительного перемещения твердых продуктов по стволу при высоком давлении, где они весьма ощутимо мешают, резко повышая потери на трение и царапая ствол. У ракет, продукты сгорания омывают при истечении намного меньшую поверхность при более низком давлении. К тому, же, сопловый блок – штука одноразовая, и его износ не имеет существенного значения.

По остальным показателям нет существенных отличий ракетных топлив от порохов.

Как уже ясно из вышесказанного, при повышении давления газовой среды, происходит увеличение скорости горения МВВ. Для сравнения, большинство артиллерийских баллиститов горят при 1 атм. со скоростью 2-3 мм/сек, а при 80 атм. уже 10-20 мм/сек. При давлении в 800-1000 атм. происходит сгорание со скоростью до 1 метра в секунду. То есть, за те сотые доли секунды, что снаряд движется по стволу, пороховые элементы успевают полностью сгореть. Чем больше в продуктах горения содержится твердых частиц, тем меньше зависит скорость горения от давления. Поэтому, трассерный состав пуль и снарядов имеет продукты сгорания на 70-95% состоящие из твердых частиц.

Основными классами МВВ являются: дымный порох, пироксилиновый порох, кардитный порох, баллиститное топливо, смесевое твердое топливо (СТТ) и сферический порох. По составу, их можно грубо разделить на нитроэфирные композиции и смесевые полимерные композиции (дымный порох исключение). Наиболее классическими из них являются пироксилиновые пороха. Технология производства сводится к обезвоживанию пироксилино-коллоксилиновой смеси и ее пластикация при низкой температуре (5-15оС) смесью из этанола и диэтилового эфира. Затем, производят прессование на шнековом прессе пороховых элементов и их отверждение. Отверждение осуществляется путем подвяливания, вымачивания спирта и остаточной сушки.

В ходе процесса сушки происходит небольшая усадка порохового элемента, при этом, он может потрескаться. Это наблюдается для больших пороховых элементов, поэтому, пироксилиновый порох производят с толщиной стенки, практически никогда не превышающей 1 мм.

Кардитные пороха изготавливают аналогично, но, растворителем для пластикации служит смесь ацетона и нитроглицерина (ацетона кладут несколько больше). После формования кардита, его провяливают на воздухе для удаления большей части ацетона. Это длительный и не очень технологичный процесс, поэтому, кардиты употреблялись реже пироксилиновых порохов и сегодня практически вышли из употребления. В основном кардиты использовали армии США и Великобритании. Более низкой содержание летучего растворителя позволяет увеличить толщину стенки пороховых элементов до 4-5 мм. Поэтому, кардитные составы даже использовались в артиллерии и нашли штучное применение в ракетной технике. В частности, в первых партиях реактивных гранат к Базука М1 использовался заряд топлива из семи одноканальных трубок кардитного пороха. Впоследствии его заменили на баллистит.

Сферические пороха являются близкими родственниками кардитных, но принципиально отличаются от них по технологии изготовления. В начале готовят пороховой лак из коллоксилина, нитроглицерина, этилацетата и вспомогательных добавок, затем диспергируют его в подвижную водную фазу. Для сферизации формы пороховых элементов, добавляют в водную фазу концентрированный раствор сульфата натрия (для повышения ионной силы среды, следовательно, снижения смачиваемости капелек порохового лака водной средой). После нагрева, этилацетат испаряется и пороховые элементы обретают механическую прочность. Их отфильтровывают, промывают и сушат. Исходя из технологии диспергирования лака в водную среду, нельзя слишком варьировать состав порохового лака, что приводит к ограничениям по энергетике и размерам пороховых элементов. Можно получать сферический порох диаметром элементов до 4-5 мм.

Артиллерии был необходим порох, из которого можно формовать элементы сравнительно большого размера. Так появились баллиститные пороха, представляющие собой композицию из коллоксилина, нитроглицерина (или другого нитроэфира) и вспомогательных веществ. Так как, нитроэфиры обладают небольшой летучестью, то пороховые элементы не нуждаются в сушке, их отверждение происходит при охлаждении ниже 60-90оС. Баллиститы – термопластичные композиции. Размеры пороховых элементов баллиститов ограниченны только величиной пресса для формования пороховых элементов и коэффициентом теплового расширения данного состава. На практике, практически ни когда не изготавливают элементы более 1 метра в диаметре, с толщиной стенки более 350 мм.

Смесевые составы появились сравнительно недавно и сразу неплохо зарекомендовали себя в качестве наиболее высококачественных ракетных топлив (и самых дорогих). Технология производства сводится к приготовлению полимерного горюче-связующего, размешиванию в нем твердого окислителя и других добавок и отверждению полученного состава в подходящей форме. Смесевые составы не применяются в качестве порохов по причинам: неустойчивое горение при высоких давлениях (более 1000 атм.), высокая стоимость, отсутствие необходимости больших размеров пороховых элементов, ограниченного срока годности и пр. Поэтому, СТТ используются только как ракетные топлива, обычно там, где недостает размеров пороховых элементов из баллиститных составов. Или баллиститы не проходят по физико-механическим свойствам из-за своей хрупкости и недостаточной жесткости.

Таким образом, пироксилиновые пороха уже практически вытеснены с одной стороны баллиститами, с другой более дешевыми сферическими порохами. Пока, пироксилиновые пороха держат позиции только в высокоимпульсных системах калибром 9-25 мм. Только в виде пяти и семиканальных зерен.

Сферические пороха заняли практически всю нишу стрелкового оружия. Они составляют 85-90% по массе  от производства порохов для стрелкового оружия, в основном гладкоствольного или калибром менее 12,7 мм.

Баллиститы держат монополию в артиллерии. А также, они широко используются для изготовления небольших, быстрогорящих ускорителей для ракет. Обычно, это ускорители первой ступени или пороховые заряды для НУРСов (не управляемый реактивный снаряд). Время горения таких зарядов 0,2-6 секунд.

Смесевые твердые топлива являются основой большинства твердотопливных систем. При этом, основной их недостаток – высокая стоимость. Кроме того, составы с высокой энергетикой отличаются неустойчивым горение при высоких давлениях.

Здесь мы встретили термин "высокоимпульсные систамы”, этот термин я использую для обозначения величины максимального давления в канале ствола данной системы. Низкоимпульсные системы имеют максимальное давление в канале ствола ниже, чем максимальное давление в канале ствола наиболее мощных из гладкоствольных охотничьих ружей, то есть <900 атм. К артиллерийским системам такого типа относятся переносные минометы, некоторые безоткатные орудия, большинство стрелковых гранатометов калибром 30-40 мм (в том числе, автоматических), все подствольные гранатометы и некоторые из легких (как правило, гладкоствольных) орудий.

Среднеимпульсные системы имеют максимальное давление в канале ствола 900-1700 атм., то есть, между дробовиками и штурмовыми винтовками. К этой группе относится практически все нарезное стрелковое оружие и большинство артиллерийских систем с длинной ствола до 40 калибров.

Высокоимпульсными являются системы с максимальным давлением в канале ствола более 1700 атм. Это вся дальнобойная артиллерия, некоторые из винтовок для поражения техники и ряд других систем.

Я использую данную классификацию для разделения систем по: типу противооткатных приспособлений (в артиллерии), условиям горения порохового заряда (гл. обр. методам ускорения или замедления процесса горения) и условиям работы материала ствола и затворных приспособлений.

В низкоимпульсных системах используется дымный порох, наиболее высокоэнергетические баллиститы и пористый сферический порох (а также, наиболее мелкие и нефлегматизованные сорта сферического пороха). В высокоимпульсных системах применяются, почти исключительно, высокофлегматизированные баллиститы. В среднеимпульсных системах используются все виды порохов, за исключением дымных и марок со специально ускоренным горение (например, пористые и с высоким содержанием энергетических добавок).

Для внесения большей ясности в общую картину энергетических характеристик порохов и СТТ, взгляните на рисунок 2.

энергия порохов

Рисунок 2.

На рисунке 2 представлено относительное положение различных видов порохов и СТТ по шкале энергетических характеристик. То есть, по выделению тепловой энергии 1-им кг. данного состава. Слева, на отметке "0” помещено минимальное значение для находивших применение МВВ (около 0,8 МДж/кг.). В значении 100% помещено максимальное значение для применяемых и изобретенных МВВ (около 7,5 МДж/кг). То есть, для придания снаряду массой 1 кг. начальной скорости в 500 м/сек (в одном и том же орудии, при одном и том же КПД системы), требуется сжечь или 1 кг. состава с энергетикой, соответствующей 0% этой шкалы, или 0,11 кг. состава с энергетикой 100% по этой шкале.

Наиболее узкий участок в самой слабой области занимает дымный порох, его энергетические характеристики наиболее скромные. Не даром, в эпоху дульнозарядной артиллерии на черном порохе, дальность стрельбы артиллерии ограничивалась дальностью обзора поля боя в подзорную трубу.

Пироксилиновые, кардитные и сферические пороха занимают примерно одинаковое положение, так как, имеют очень близкий состав. Энергетика в этих случаях зависит только от содержания нитроглицерина и степени нитрации целлюлозы.

При этом, самые узкие рамки у кардитного пороха исходя из особенностей процесса его формования. Показатели пироксилинового пороха в этом ряду несколько пониже, так как, несмотря на более высокое содержание азота в нитроклетчатке, в состав пироксилиновых порохов не входит нитроглицерин (НГЦ).

Баллиститные пороха занимают весьма широкий интервал. Это следствие широких возможностей в регулировании энергетических характеристик при помощи различных добавок (ТНТ, ДНТ, вазелин, дибутилфталат, центролиты, известь, порошки металлов, индивидуальные БВВ и др.). Наибольшие энергетические характеристики имеют баллиститные составы с порошками металлов и добавками гексогена. Кроме того, в них может содержаться до 45% НГЦ.

Смесевые составы занимают всю ширину шкалы. Так как, в их состав могут входить самые различные компоненты. Нужно учитывать, что смесевые и баллиститные составы с энергетикой в районе дымного пороха и даже 0% данной шкалы (0,4-1,5 МДж/кг.) применяются исключительно в пиротехнических изделиях, средствах доставки пламени и аккумуляторах давления (газогенераторах) работающих при высоких давлениях.

Для разъяснения мощностных характеристик, закона горения и влияния формы порохового элемента, наиболее удобен график на рисунке 3.

горение пороха

Рисунок 3.

По горизонтали отложено время горения порохового заряда в канале ствола. По вертикали отложено давление газообразных продуктов горения порохового заряда. Черная линия характеризует процесс горения дымного пороха. Пик давления наблюдается при почти полном сгорании пороховых элементов на стадии мелкого их дробления (рисунок 1, позиция д. внизу). Резкое падение давления сопровождается расширением пороховых газов и догоранием последних спеченных крупинок пороховых элементов. Пологий порожек в конце процесса характеризует расширение и остывание пороховых газов в конце канала ствола.

Красной линией показан процесс сгорания бездымного (пироксилинового, кардитного или баллиститного) пороха при пластинчатой форме порохового элемента. Более плавный подъем и пологий максимум являются следствием послойного горения пороховых элементов на первой стадии горения (рисунок 1, позиция а. в середине). Максимальное давление достигается при догорании пластинок и их разрушении. Догорание обломков происходит на спуске с кривой, при этом начинает доминировать процесс расширения пороховых газов над их притоком. Так как, нет твердых продуктов горения, то расширение и остывание продуктов горения происходит более плавно.

Зеленой линией показано горение трубчатых пороховых элементов. Очень плавный подъем давления является следствием взаимной компенсации уменьшения внешней поверхности горения трубки и увеличения внутренней поверхности горения трубки. Торцевое горение уменьшает поверхность горения. Но, несмотря на это, поверхность горения уменьшается более плавно, чем для пластинчатых, сферических или кубических пороховых элементов. Начало спуска с пологого максимума характеризует выгорание большей части пороха (рисунок 1, позиция б. в середине). Разрушение пороховых элементов на спуске происходит не одновременно и оно приводи к некоторому увеличению поверхности горения. Поэтому, нет заметных перегибов на кривой давления. Догорание последних крупинок и интенсивное расширение раскаленных газов происходит практически до конца ствола.

На этой схеме, площадь под кривой показывает работу пороховых газов по разгону снаряда, следовательно, чем ближе форма кривой к прямоугольнику, описанному желтой линией, тем больше будет начальная скорость снаряда для данного максимального давления в канале ствола.

На рисунке 3 специально приведено практически одинаковое максимальное давление сгорания заряда, чтобы Вы могли оценить большую эффективность многоканальных пороховых элементов из бездымного пороха перед зернистым дымным порохом и пластинчатым порохом. При этом, масса навески дымного пороха для случая, изображенного на данной картинке, в пару раз больше навески пластинчатого пороха. А, масса трубчатого пороха во столько же раз больше навески пластинчатого, во сколько раз больше площадь, ограниченная кривой для многоканальных пороховых элементов по сравнению с пластинчатыми. Так как, они имеют одинаковый состав.

Таким образом, мы кратко познакомились с метательными ВВ. Как видите, для каждой области использования существует свой класс МВВ и свои конкретные составы. С каждым из них мы познакомимся подробнее несколько позже.

Категория: Энергонасыщенные соединения | Просмотров: 4757 | Добавил: Chemadm | Теги: пиротехника, состав ВВ, ракетное топливо, Порох | Рейтинг: 4.6/40
Всего комментариев: 6
0
5  
А что происходит с бездымным порохом при длительном нахождении в земле или очень долгом хранении на складе? Как изменяются свойства различных типов бездымных порохов, сохранившихся со Второй или даже Первой мировой войны? Увеличивается или уменьшается скорость горения, возникает ли склонность к детонации?

0
6  
В статье про химическую стабилизацию ВВ указано об израсходовании стабилизаторов химической стойкости на реакции с выделяющимися кислотными продуктами. В зависимости от исходного содержания стабилизаторов химической стойкости, а так же, от степени нитрации целлюлозы (содержания азота в пироксилине), скорость горения может немного увеличиваться или заметно уменьшаться. Увеличение скорости горения обусловлено снижением термической стойкости пороха в связи со снижением содержания стабилизаторов химической стойкости. Уменьшение скорости горения связано со снижением запаса внутренней энергии энергонасыщенных компонентов пороха в процессе постепенного разложения, а так же, флегматизации пороха продуктами разложения.
Склонность к самовоспламенению пороха при длительном хранении встречается для наиболее высоко азотных (высококалорийных) пироксилиновых порохов. Реже, среди сферических порохов и минометных баллиститов.

0
3  
где применяются самые крупные шашки баллистита?

0
4  
Наиболее крупные реактивные ускорители на баллиститном топливе используются для запуска ЗРК С-200. Длинна шашки около 2 метров, диаметр 0,8 метра, масса одной шашки около 600 кг. Более крупные ускорители из баллиститов сейчас не выпускаются, для больших ракет используют ЖРД или РДТТ на СТТ.

0
1  
Черным порохом вроде заряжали гранаты, а другие виды порохов для зарядки гранат использовали?

0
2  
Дымный порох отличается высокой скоростью горения, при сгорании происходит разрушение пороховых элементов, что приводит к прогрессивному горению. Поэтому, дымный порох успевает сгорать в корпусе ВУ достаточно быстро. Аналогичными свойствами обладает пироксилин, но, его горение имеет высокую скорость за счет большой площади поверхности, так как, он является волокнистым материалом. Из зерненых бездымных порохов ни один не применялся для снаряжения ВУ. Из-за их низкой скорости горения и плавного нарастания давления. Для этих целей с начала прошлого века используются бризантные ВВ.
Хотя, идея не плохая, как-нибудь напишу краткую историю ручных гранат.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]