ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНФРАКРАСНЫЙ ТРАССИРУЮЩИЙ СОСТАВ Российский патент 2003 года по МПК C06B33/12 

Изобретение относится к пиротехническому инфракрасному трассирующему составу. Предложенная комбинация химического состава и размера макрочастиц позволила увеличить время горения и уменьшить излучаемую мощность в видимой области спектра.

Оболочки снарядов, содержащие горючий трассирующий состав, используются артиллеристами для определения траектории выстрела. Один из типов трассирующего состава имеет инфракрасный след (пиротехнический инфракрасный трассирующий состав). При горении пиротехнический инфракрасный трассирующий состав генерирует инфракрасное излучение с типичной длиной волны от 2,5 до 14 мкм. Очень низкая излучаемая мощность при горении пиротехнического инфракрасного трассирующего состава находится в диапазоне видимого света. Артиллерист или наблюдатель, работающий в команде с артиллеристом, может наблюдать инфракрасное излучение через очки ночного видения или другую систему, чувствительную к инфракрасному излучению. Отсутствие излучаемой мощности в видимой области спектра затрудняет для противника обнаружение месторасположения артиллериста.

Один из пиротехнических инфракрасных трассирующих составов, разработанных армией США, называется R-440. Этот состав, представляющий собой смесь пероксида бария, пероксида стронция, резината кальция и карбоната магния, раскрывается Doris. Jr. в патенте США 3677842.

Состав R-440 имеет тенденцию гореть очень быстро. Объем такого пиротехнического инфракрасного трассирующего состава, содержащегося в стандартной 30-миллиметровой оболочке, расходуется приблизительно за 5 секунд. Траектории современных снарядов иногда требуют время полета свыше 5 секунд, снижая эффективность смеси R-440 трассирующего снаряда. Кроме того, излучаемая мощность при сгорании смеси R-440 трассирующего снаряда находится в видимой области спектра, что, вероятно, повышает риск для артиллериста.

Nielson в патенте США 5639984 раскрывает состав невидимого инфракрасного трассирующего снаряда с излучаемой мощностью при сгорании, который, как утверждается, свободен, в основном, от излучения в видимой области спектра. Этот состав содержит смесь соединения щелочного металла, катализатора скорости горения, по крайней мере, один пероксид и связующее.

Состав, раскрытый в патенте 5639984, формируется в частицы размером 500-800 мкм способом испарения растворителя. Такой "мокрый" способ занимает много времени и увеличивает стоимость приготовления инфракрасного трассирующего состава. Кроме того, этот инфракрасный трассирующий состав сгорает примерно с той же скоростью или даже быстрее, чем инфракрасный трассирующий состав.

Поэтому существует потребность в инфракрасном трассирующем составе с излучаемой мощностью в инфракрасной области спектра и, по существу, с отсутствием излучения в видимой области спектра, экономичном в производстве и временем горения, превышающую таковую у R-440.

В соответствии с этим целью данного изобретения является разработка пиротехнического инфракрасного трассирующего состава, который излучает при горении практически только в инфракрасной области спектра. Отличительная особенность данного изобретения состоит в том, что пиротехнический инфракрасный трассирующий состав представляет собой смесь окислителей, горючих компонентов и модификаторов скорости горения. Каждый компонент смеси инфракрасного трассирующего состава берется в определенном количестве и характеризуется определенным размером частиц. Другой отличительной особенностью данного изобретения является то, что составляющие инфракрасного трассирующего состава предпочтительно смешивают в сухом виде без необходимости добавления растворителя, а затем прессуют.

Одним из преимуществ предлагаемого пиротехнического инфракрасного трассирующего состава является то, что время горения состава значительно более длительное, чем время горения состава R-440, и излучаемая мощность, в основном, находится в пределах инфракрасной области спектра. Другим преимуществом является то, что благодаря возможности приготовления состава в сухом виде, инфракрасный трассирующий состав можно производить экономично в больших количествах.

В соответствии с данным изобретением обеспечивается пиротехнический инфракрасный трассирующий состав, который имеет излучаемую мощность при сгорании, в основном, в инфракрасной области спектра. Инфракрасный трассирующий состав по изобретению включает приблизительно от 20 до 90%, по крайней мере, одного пероксидного компонента, приблизительно от 1 до 20% окислителя, более сильного, чем пероксидный компонент, приблизительно от 5 до 15% модификатора скорости горения, приблизительно от 5 до 15% связующего и приблизительно от 0,1 до 11% кремния ( мас.%).

Изложенные выше цели, признаки и преимущества становятся очевидными из нижеследующего.

Пиротехнический инфракрасный трассирующий состав данного изобретения имеет в качестве первой составляющей, по крайней мере, один пероксидный компонент. Пригодные пероксидные компоненты включают пероксид стронция, пероксид бария, пероксид калия, пероксид аммония, пероксид натрия и их смеси, причем предпочтительно пероксид стронция, пероксид бария и их смеси. Содержание пероксидного компонента должно составлять, приблизительно от 35 до 90%, по массе. При содержании пероксидного компонента менее 35% либо более 90% соотношение кислорода к горючему компоненту не поддерживается на необходимом для воспламенения или горения уровне. Пероксидный компонент может состоять из более чем одного пероксида, например из смеси пероксида стронция и пероксида бария. Приведенный далее иллюстративный пример пиротехнического инфракрасного трассирующего состава содержит пероксид стронция и пероксид бария в процентном (по массе) соотношении приблизительно 1:1.

Вторым компонентом является окислитель, более сильный, чем пероксидный компонент. Сильный окислитель повышает надежность горения, не увеличивая излучаемую мощность пиротехнического инфракрасного трассирующего состава в видимой области спектра и не давая неприемлемо большого увеличения инфракрасной излучаемой мощности, что могло бы подавить систему инфракрасного детектирования. Предпочтительно сильным окислителем является нитрат бария. Другие предпочтительные сильные окислители включают перхлорат аммония, перхлорат калия, нитрат натрия, нитрат аммония, нитрат гуанидина и нитрат стронция.

Минимальное количество сильного окислителя составляет приблизительно 1%. При концентрации менее 1% надежность воспламенения становится сомнительной. При концентрации сильного окислителя более 20% продукты горения становятся видимыми.

Следующим составляющим пиротехнического инфракрасного трассирующего состава является охлаждающее средство, присутствующее в количестве приблизительно от 5 до 15%. Одним из предпочтительных охлаждающих средств является карбонат магния. Другие подходящие охлаждающие средства включают соединения оксалата, такие как оксалат аммония, оксалат стронция, оксалат натрия, оксалат бария, оксалат кальция и смеси их.

При содержании охлаждающего средства менее 5% продукты горения являются видимыми. При содержании охлаждающего средства более 15% состав трассирующего снаряда имеет плохие характеристики горения.

Связующее соединяет другие составляющие пиротехнического инфракрасного трассирующего состава, находящиеся в форме частиц, в единое целое. Связующее выбирают таким образом, чтобы оно соответствовало другим составляющим при давлении менее 586 МПа (85000 пси). Одним из предпочтительных связующих является резинат кальция. Другие подходящие связующие включают полимеры, такие как полиуретаны и эпоксиды. Эти связующие увеличивают структурную целостность пиротехнического инфракрасного трассирующего состава.

Связующее присутствует в количестве приблизительно от 5 до 15%. При содержании связующего либо менее 5%, либо более 15% связующее уже не может обеспечить целостность пиротехнического инфракрасного трассирующего состава, в результате чего может происходить его разрушение.

Другим компонентом пиротехнического инфракрасного трассирующего состава является кремний, имеющий чистоту по крайней мере 98% по массе, предпочтительно более 99,9% по массе.

Кремний предпочтительно находится в аморфной форме. Требуется кремний высокой чистоты, поскольку примеси в кремнии имеют тенденцию продуцировать излучение света в видимой области спектра при горении.

Кремний эффективно увеличивает интенсивность горения пиротехнического инфракрасного трассирующего состава, улучшая надежность горения. Предпочтительно кремний присутствует в количестве приблизительно от 0,1 до 15%. При содержании кремния менее 0,1% трассирующий состав горит неравномерно. При содержании кремния более 15%, трассирующий состав горит слишком быстро.

Составляющие пиротехнического инфракрасного трассирующего состава должны быть в виде относительно маленьких частиц. Поскольку частицы имеют произвольную форму, размер частиц определяют, пропуская макрочастицы через сито и идентифицируя сито с наибольшим номером, через которое проходят частицы. Для пероксидного компонента частицы должны проходить через сито 100 меш, максимальный размер приблизительно 149 мкм. Окислитель, более сильный, чем пероксидный компонент, должен быть немного меньше, чем пероксидный компонент, и должен проходить через сито 140 меш, для максимального размера частиц приблизительно 105 мкм. Охлаждающее средство может быть несколько больше, проходя через сито 35 меш для максимального размера частицы приблизительно 400 мкм. Связующее должно проходить через сито 80 меш для максимального размера частицы приблизительно 177 мкм и кремний должен проходить через сито 100 меш для максимального размера частиц приблизительно 149 мкм.

Использование относительно небольших макрочастиц для составляющих пиротехнического инфракрасного трассирующего состава способствует как однородному смешиванию, так и устойчивой скорости горения состава. Составляющие смешивают вместе в требуемых количествах в коническом смесителе или эквивалентном смесителе до тех пор, пока не получат, по существу, гомогенный состав. Обычно смешивание в течение приблизительно от 30 мин до 2 ч позволяет достигнуть требуемой степени гомогенности. Составляющие инфракрасного трассирующего состава можно смешивать сухими или влажными с включением растворителя, который затем удаляют испарением.

Затем инфракрасный трассирующий состав запрессовывают в оболочку снаряда требуемого калибра. Предпочтительно оболочка снаряда представляет собой сталь и прессование осуществляют посредством гидравлического пресса двухстадийным способом. Приблизительно одну половину трассирующего состава прессуют при первом значении давления и затем в оболочку добавляют вторую половину и прессуют при втором, более низком значении давления. Более высокое давление при прессовании первой порции уменьшает скорость горения этой порции. Например, давление прессования составляют 586 МПа (85000 пси) для первой порции и 496 МПа (72000 пси) для второй порции. Когда оболочку поджигают, инфракрасный трассирующий состав воспламеняется горячими газами, испускаемыми пропеллентом.

Пиротехнический инфракрасный трассирующий состав, имеющий излучаемую мощность в инфракрасной области спектра, предпочтительно включает, мас.%:
Пероксид стронция - 19,5 - 49,5
Пероксид бария - 19,5 - 49,5
Карбонат магния - 5 - 15
Резинат кальция - 5 - 15
Кремний - 0,1 - 11
Нитрат бария - 1 - 20
Более предпочтительно пиротехнический инфракрасный трассирующий состав включает, мас.%:
Пероксид стронция - 32 - 36
Пероксид бария - 32 - 36
Карбонат магния - 8 - 12
Резинат кальция - 8 - 12
Кремний - 0,5 - 15
Нитрат бария - 8 - 12
Преимущества пиротехнического инфракрасного трассирующего состава данного изобретения становятся очевидными из примера, который следует ниже.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Пример
Гомогенную смесь пиротехнического инфракрасного трассирующего состава, включающего (указаны мас.%) 34,5% пероксида стронция; 34,4% пероксида бария; 10% карбоната магния; 10% резината кальция; 1% кремния и 10% нитрата бария, с размерами частиц, определенными выше, гидравлически загружали в 30-миллиметровые стальные оболочки боеприпасов. Каждая оболочка весила 240 г и содержала около 5,5 г трассирующего состава. Первую группу из 20 оболочек нагревали до 60^oС (140^oF), а вторую группу из 20 оболочек охлаждали до -32^oС (-25^oF) и выдерживали при температуре в течение минимум 2 ч до достижения равновесия. Оболочки поджигали и регистрировали процент незагоревшихся.

Затем наблюдатели, снабженные инфракрасными очками, определяли время горения, измеряя с помощью секундомера время от появления до окончания инфракрасного излучения. Другой наблюдатель без инфракрасных очков определял наличие любого излучения в видимой области спектра. Результаты приведены в таблице 1.

Затем инфракрасный трассирующий состав данного изобретения сравнивали с составом R-440, с составом, описанным в патенте США 5639984. Как следует из таблицы 2, инфракрасный трассирующий состав настоящего изобретения обладает рядом преимуществ по сравнению с составами предшествующего уровня техники.

Настоящее изобретение обеспечивает пиротехнический инфракрасный трассирующий состав, который полностью удовлетворяет целям, признакам и преимуществам, рассмотренным выше. Хотя изобретение описано в комбинации с конкретными вариантами его воплощения, специалистам в данной области техники очевидно, что возможны многие альтернативы, модификации и вариации в рамках данного описания. В соответствии с этим подразумевается включение в него всех альтернатив, модификаций и вариаций, не выходящих за рамки сущности и объема нижеследующей формулы изобретения.

Изобретение относится к пиротехническим инфракрасным трассирующим составам. Согласно первому варианту изобретения пиротехнический инфракрасный трассирующий состав содержит по крайней мере один пероксидный компонент, окислитель, более сильный, чем пероксидный компонент, охлаждающее средство, связующее и кремний. Согласно второму варианту изобретения пиротехнический инфракрасный трассирующий состав содержит пероксид стронция, пероксид бария, карбонат магния, резинат кальция, кремний и нитрат бария. Изобретение направлено на создание пиротехнического инфракрасного трассирующего состава с излучением в инфракрасной области спектра и отсутствием излучения в видимой области спектра, а также экономичного в производстве. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Пиротехнический инфракрасный трассирующий состав, содержащий приблизительно от 15 до 90 мас.% по крайней мере одного пероксидного компонента, приблизительно от 1 до 20 мас.% окислителя, более сильного, чем пероксидный компонент, приблизительно от 5 до 15 мас.% охлаждающего средства, приблизительно от 5 до 15 мас.% связующего и приблизительно от 0,1 до 15 мас.% кремния. 2. Пиротехнический состав по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере один пероксидный компонент выбирают из группы, состоящей из пероксида стронция, пероксида бария, пероксида калия, пероксида аммония, пероксида натрия и их смеси. 3. Пиротехнический состав по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере один пероксидный компонент представляет собой пероксид стронция и пероксид бария. 4. Пиротехнический состав по п.1, отличающийся тем, что окислитель, более сильный, чем пероксидный компонент, выбирают из группы, состоящей из нитрата бария, перхлората аммония, перхлората калия, нитрата натрия, нитрата аммония, нитрата гуанидина, нитрата стронция и их смеси. 5. Пиротехнический состав по п.1, отличающийся тем, что окислитель, более сильный, чем пероксидный компонент, представляет собой нитрат бария. 6. Пиротехнический состав по п. 1, отличающийся тем, что охлаждающее средство выбирают из группы, состоящей из карбоната магния, оксалата аммония, оксалата стронция, оксалата натрия, оксалата бария, оксалата кальция и их смеси. 7. Пиротехнический состав по п. 1, отличающийся тем, что охлаждающее средство представляет собой карбонат магния. 8. Пиротехнический состав по п.1, отличающийся тем, что связующее выбирают из группы, состоящей из резината кальция, полиуретанов и эпоксидов. 9. Пиротехнический состав по п.1, отличающийся тем, что связующее представляет собой резинат кальция. 10. Пиротехнический состав по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что по крайней мере один пероксидный компонент имеет максимальный размер частиц приблизительно 149 мкм, окислитель, более сильный, чем пероксидный компонент, имеет максимальный размер частиц приблизительно 105 мкм, охлаждающее средство имеет максимальный размер частиц приблизительно 400 мкм, связующее имеет максимальный размер частиц приблизительно 177 мкм и кремний имеет максимальный размер частиц приблизительно 149 мкм. 11. Пиротехнический инфракрасный трассирующий состав, содержащий приблизительно от 19 до 49 мас.% пероксида стронция, приблизительно от 19 до 49 мас. % пероксида бария, приблизительно от 5 до 15 мас.% карбоната магния, приблизительно от 5 до 15 мас.% резината кальция, приблизительно от 0,1 до 15 мас.% кремния и приблизительно от 1 до 20 мас.% нитрата бария. 12. Пиротехнический состав по п.11, отличающийся тем, что пероксид стронция, пероксид бария и кремний имеют максимальный размер частиц приблизительно 149 мкм, нитрат бария имеет максимальный размер частиц приблизительно 105 мкм, карбонат магния имеет максимальный размер частиц приблизительно 400 мкм и резинат кальция имеет максимальный размер частиц приблизительно 177 мкм.