Изобретение относится к технологии изготовления нитроцеллюлозной основы консолидированных зарядов для преимущественно ствольных огнестрельных устройств (далее - СОУ) типа охотничьих ружей, строительно-монтажных пистолетов (в частности, для забивания гвоздей, дюбелей и железнодорожных костылей), средств метания изделий из сигнальных или пиротехнических составов, спортивных винтовок и пистолетов произвольных калибров и к структуре и физико-химическим свойствам консолидированных преимущественно метательных зарядов на такой основе.
Уровень техники
Общеизвестно, что метательные заряды для СОУ являются продуктами массового производства и потребления. Обычно они имеют вид фиксированных по массе доз подходящего зерненого нитроцеллюлозного (преимущественно пироксилинового) пороха. Эти дозы либо заранее засыпаны внутрь гильз унитарных патронов либо могут быть поставлены на рынок в стандартных упаковках, если потребители сами снаряжают патроны или если конструкцией какого-либо СОУ предусмотрено раздельное заряжание.
Соответственно метательные заряды должны удовлетворять комплексу систематически ужесточаемых трудно совместимых требований, из которых наиболее важны:
как можно более высокая безопасность производства, хранения и применения,
доступность для широкого круга потребителей,
как можно более высокая баллистическая эффективность, оцениваемая (при прочих равных условиях) по величине начальной скорости полета метаемых тел (дроби, пуль, гвоздей или дюбелей, снарядов и т.п.), которая может быть развита при заданном максимально допустимом значении давления пороховых газов в стволе конкретного СОУ, и
как можно более высокая воспроизводимость баллистических характеристик от выстрела к выстрелу.
Дополнительно могут быть учтены химическая стабильность метательных зарядов при длительном хранении снаряженных такими зарядами боеприпасов и степень зависимости баллистических характеристик от температуры окружающей среды.
Далее технология изготовления зарядов должна быть простой и безопасной для персонала и окружающей природной среды и как можно менее ресурсоемкой.
Требования к метательным зарядам и к методам их изготовления тесно взаимосвязаны. Однако лишь их раздельное выполнение не представляет особых затруднений.
Так давно детально разработаны и ныне общеизвестны традиционные способы нитрования целлюлозы и массового производства сыпучих порохов из пластифицированной нитроцеллюлозы. На каждой операции этих способов предусмотрены строгие меры безопасности. Поэтому спонтанные взрывы полуфабрикатов или готовых продуктов в производстве, хранении и применении возможны лишь при нарушении стандартных режимов работы (см. , например, часть II "Пороха и заряды" книги: Будников М.А., Левкович Н.А., Быстров И.В. и др. "Взрывчатые вещества и пороха". - Москва: Гос. изд-во оборонной промышленности, 1955).
Далее применение целлюлозы разного происхождения (в особенности, хлопковой и, иногда, древесной), регулирование степени ее нитрации, применение хорошо известных специалистам пластификаторов, стабилизаторов (обычно дифениламина), флегматизаторов, пламегасящих и иных добавок позволили создать широкую номенклатуру зерненых нитроцеллюлозных порохов. С учетом степени нитрации целлюлозы и типов пластификаторов их обычно подразделяют на пироксилиновые, баллиститные и кордитные (см. Горст А.Г. Пороха и взрывчатые вещества. - Москва: Машиностроение, 1972, с.146-165 и, особенно, с.147-148).
В частности, пироксилиновые пороха изготовляют из пластифицируемой летучими растворителями нитроцеллюлозы с содержанием азота, как правило, более 12%; баллиститы - из пластифицированных труднолетучими или нелетучими растворителями коллоксилинов с содержанием азота обычно несколько менее 12%, а кордиты - как из пироксилинов, так и из коллоксилинов с применением смешанных пластификаторов.
Однако гравиметрическая масса зерненых сыпучих нитроцеллюлозных порохов, которыми обычно снаряжают боеприпасы для СОУ, находится в интервале 0,6-0,9 г/см3. Поэтому при ограниченном объеме гильз унитарных патронов обычно не удается:
во-первых, обеспечить такую энергоемкость метательных зарядов, которая при заданных значениях рабочего объема канала ствола, максимального давления пороховых газов в нем и массы метаемого тела или требуемой скорости этого тела в момент вылета из указанного канала позволяла бы вплотную приблизиться к предельной для конкретного СОУ величине баллистического коэффициента полезного действия, и
во-вторых, манипулировать в широких пределах плотностью и при заданном предельном объеме массой метательного заряда.
Традиционный путь ослабления указанных недостатков основан на использовании консолидированных зарядов. Для этого из зерненых нитроцеллюлозных порохов прессуют таблетки или брикеты. Далее собирают требуемые по массе метательные заряды. Они обычно включают одну таблетку или один брикет, но иногда могут включать несколько таких одинаковых или разных по геометрической форме и/или размерам элементов.
При этом усилия изобретателей обычно направлены на поиск таких геометрических форм таблеток или брикетов, которые, по их мнению, должны учитывать особенности снаряжения и использования боеприпасов для СОУ конкретных типов.
Например, из FR 7404056 (публикация 2260769) известен метательный заряд в виде таблетки из прессованного пластифицированного пороха. Такая таблетка, по желанию, может иметь вырезы, выемки или сквозные отверстия.
Применение таблеток облегчает снаряжение боеприпасов, а варьирование формы таблеток позволяет влиять на кинетику инициирования горения и сгорания разных по массе консолидированных метательных зарядов.
Также известен (US 3911825) прессованный из пластифицированного пороха метательный заряд в виде осесимметричного (например, цилиндрического или призматического) брикета с полостью в средней части для укладки заряда инициирующего ВВ.
При снаряжении боеприпасов по меньшей мере двумя такими брикетами независимое инициирование горения каждого из них способствует быстрому сгоранию всего составного метательного заряда. Однако даже при использовании одинарных брикетов описанного типа не исключена детонация метательного заряда в патроннике или сопряженной с ним части канала ствола СОУ.
Более свежим примером может служить составной метательный заряд. Он включает по меньшей мере один прессованный пороховой брикет и по меньшей мере одну порцию насыпного пороха (UA 37404 А).
Этот заряд расширяет пределы регулирования баллистических характеристик боеприпасов для охотничьего оружия.
Однако консолидированные элементы метательных зарядов или цельные консолидированные заряды, которые изготовлены на зерненой нитроцеллюлозной основе, как это показано выше на нескольких конкретных примерах, лишь внешне имеют вид твердых монолитов с гладкой поверхностью. Внутри же них на изломах или разрезах ясно видны границы отдельных пороховых зерен. Поэтому сразу после инициирования горения прессованные из обычного пороха метательные заряды распадаются на неравные по размерам части неправильной формы и далее на исходные пороховые зерна, что не исключает нестабильность горения и детонацию заряда в патроннике или сопряженной с ним части канала ствола СОУ.
Попытки преодоления этого недостатка обычных консолидированных зарядов, по имеющимся у нас данным, до сих пор не увенчались успехом.
Даже наиболее близкий к предлагаемому способ изготовления нитроцеллюлозной основы консолидированных зарядов для СОУ (UA 21749 А), который был создан теми же изобретателями, предусматривает, хотя и по упрощенной схеме, получение зерненого стабилизированного пироксилинового пороха и его передачу на изготовление консолидированных зарядов. С учетом общеизвестной технологии получения пироксилина этот способ включает:
(1) нитрование тонковолокнистого целлюлозного сырья до достижения заданной концентрации азота в полуфабрикате нитроцеллюлозы, который имеет вид мокрой волокнистой массы;
(2) промывку волокнистой массы нитроцеллюлозы горячей водой для удаления остатков нитрующей смеси и побочных низкомолекулярных продуктов нитрования;
(3) измельчение промытой мокрой волокнистой массы нитроцеллюлозы до получения взвеси дисперсных частиц в водной среде;
(4) окончательную промывку измельченной нитроцеллюлозы;
(5) обезвоживание и очистку измельченной нитроцеллюлозы от случайных механических примесей;
(6) по желанию - модификацию пороха ведением подходящего стабилизатора, в частности дифениламина, и/или подходящего флегматизатора и/или иной добавки;
(7) гранулирование исходной (после операции 5) или модифицированной (после операции 6) измельченной нитроцеллюлозы до получения зерненого пороха как нитроцеллюлозной основы;
(8) передачу этой основы на изготовление консолидированных зарядов с заданными массой и формой.
В этом способе отсутствуют такие традиционные операции, как пластификация измельченной нитроцеллюлозы спиртоэфирной смесью, экструзия, предварительное провяливание и резка заготовок для получения зерненого пороха, окончательное провяливание частиц пороха, их сортировка по размерам, вымочка в воде для экстракции остатков растворителя и окончательная сушка до заданной остаточной влажности.
Однако даже упрощенное и потому ускоренное и требующее меньших затрат материальных и энергетических ресурсов преобразование волокнистой нитроцеллюлозы в зерненый порох как основу консолидированных зарядов не приводит к заметному снижению огне- и взрывоопасности производства. Поэтому при нарушении стандартов безопасной работы возможно причинение вреда персоналу и окружающей природной среде.
Из того же UA 21749 А известен наиболее близкий к предлагаемому консолидированный метательный заряд в виде по меньшей мере одного брикета с заведомо заданной геометрической формой и массой 0,2-2,0 г. Брикет спрессован из полученного описанным способом зерненого пороха и имеет среднюю плотность в интервале 0,75-1,2 г/см3.
Длительные эксперименты с такими зарядами на зерненой нитроцеллюлозной основе показали, что они после инициирования не всегда горят равномерно и нередко распадаются, преждевременно превращаясь в газопороховую смесь, которая может детонировать в патроннике или сопряженной с ним части канала ствола СОУ.
Сущность изобретения
В основу изобретения положена задача сокращением количества и изменением последовательности операций создать еще более безопасный способ изготовления такой непластифицированной нитроцеллюлозной основы, которая позволяла бы прессовать из нее консолидированные преимущественно метательные заряды, всегда сохраняющие целостность при инициировании и в процессе горения.
Поставленная задача решена тем, что в способе изготовления нитроцеллюлозной основы консолидированных зарядов, который включает:
нитрование тонковолокнистого целлюлозного сырья до достижения заданной концентрации азота в полуфабрикате нитроцеллюлозы, который имеет вид мокрой волокнистой массы,
удаление остатков нитрующей смеси, побочных низкомолекулярных продуктов нитрования, случайных механических примесей и излишка влаги из указанной массы,
измельчение волокон нитроцеллюлозы,
по желанию, введение в массу нитроцеллюлозы по меньшей мере одной модифицирующей добавки, и
передачу полученной нитроцеллюлозной основы как таковой или после введения в нее по меньшей мере одной модифицирующей добавки на изготовление консолидированных зарядов согласно изобретению,
после удаления остатков нитрующей смеси, побочных низкомолекулярных продуктов нитрования, случайных механических примесей и излишка влаги волокнистую массу нитроцеллюлозы сушат до остаточной влажности, которая достаточна для безопасного измельчения,
просушенную волокнистую массу нитроцеллюлозы измельчают до получения нитроцеллюлозной основы консолидированных зарядов в виде полидисперсной смеси волокнистых частиц, и
эту смесь в исходном виде или после введения в нее по меньшей мере одной модифицирующей добавки передают на изготовление консолидированных зарядов.
Из сказанного ясно, что в сравнении с прототипом способ согласно изобретению:
во-первых, существенно проще, ибо позволяет получать нитроцеллюлозную основу консолидированных зарядов из непластифицированного волокнистого полуфабриката,
во-вторых, вследствие исключения пластификации нитроцеллюлозы летучими растворителями существенно более производителен, экономичен и менее опасен как для персонала, так и для окружающей природной среды, и,
в-третьих, позволяет получать консолидированные, в особенности, метательные заряды в виде "войлочных" таблеток или брикетов со сквозной пористостью, которые сохраняют целостность после инициирования и в процессе горения и неспособны к детонации в патроннике или сопряженной с ним части канала ствола СОУ.
Способность полидисперсной смеси волокнистых частиц непластифицированной нитроцеллюлозы образовывать войлочную структуру при подходящих режимах прессования является нашим неожиданным открытием, которое может существенным образом изменить организацию производства нитроцеллюлозных ВВ.
Первое дополнительное отличие состоит в том, что волокнистую массу нитроцеллюлозы перед измельчением сушат продувкой воздуха сквозь слой волокон при температуре от 50 до 70oС до остаточной влажности не более 4% по массе. Такая сушка экономична и безопасна.
Второе дополнительное отличие состоит в том, что волокнистую массу нитроцеллюлозы сушат до остаточной влажности в интервале 2-4% по массе. Это упрощает и ускоряет измельчение указанной волокнистой массы.
Третье отличие, дополнительное к первому или второму отличию, состоит в том, что волокнистую массу нитроцеллюлозы сушат перед измельчением до остаточной влажности не более 2% по массе. Это существенно упрощает и ускоряет, а нередко исключает досушку консолидированных зарядов из смеси нитроцеллюлозных волокон.
Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что просушенную волокнистую массу нитроцеллюлозы измельчают до получения полидисперсной смеси волокнистых частиц, где по меньшей мере 95% массы смеси составляют частицы, у которых отношение длины L к максимальному поперечному размеру d соответствует условию L/d≤24. Эта смесь создает устойчивую структуру типа войлока даже при изготовлении консолидированных зарядов массой менее 1 г.
Поставленная задача решена также тем, что консолидированный метательный заряд в виде по меньшей мере одного изготовленного на нитроцеллюлозной основе брикета с заданными геометрической формой и массой согласно изобретению изготовлен из смеси полидисперсных нитроцеллюлозных волокон и имеет пористую войлочную структуру. Такие заряды после инициирования горения проницаемы для пороховых газов. Поэтому они сохраняют целостность при горении и практически неспособны к детонации в патроннике или сопряженной с ним части канала ствола СОУ.
Первое дополнительное отличие состоит в том, что по меньшей мере 95% массы указанной смеси составляют волокнистые частицы, у которых отношение длины L к максимальному поперечному размеру d соответствует условию L/d≤24. При таком составе смеси войлочная структура устойчива даже в зарядах массой менее 1 г.
Второе дополнительное отличие состоит в том, что указанный заряд имеет среднюю плотность в интервале 0,7-1,3 г/см3. Это позволяет в широких пределах регулировать скорость горения консолидированных зарядов во всем их объеме.
Третье дополнительное отличие состоит в том, что указанный заряд имеет остаточную влажность не более 2% по массе, что обеспечивает стабильное горение заряда после инициирования с минимальным расходом инициирующего ВВ.
Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что указанный заряд наряду с нитроцеллюлозной основой содержит модификатор, выбранный из группы, состоящей из стабилизаторов, флегматизаторов, пламегасителей, антиэрозионных присадок, энергетических присадок и произвольного сочетания по меньшей мере двух указанных модификаторов. Это позволяет изготовлять консолидированные заряды разного назначения.
Пятое дополнительное отличие состоит в том, что пористость заряда выбрана в пределах 5,6-57,0% объема заряда в целом, а шестое, дополнительное к пятому отличие - в том, что пористость находится в пределах 19,4-57,0% указанного объема. Регулирование пористости, особенно в указанном поддиапазоне, позволяет в широких пределах регулировать скорость горения консолидированных зарядов во всем их объеме.
Седьмое дополнительное отличие состоит в том, что волокнистые частицы нитроцеллюлозы в приповерхностном слое по меньшей мере со стороны боковой стенки иммобилизованы. Это тем заметнее предотвращает разрыхление приповерхностного слоя и возможное осыпание волокнистых частиц при тряске, которая связана, например, с транспортировкой боеприпасов, чем выше пористость и больше масса метательных зарядов согласно изобретению.
Восьмое дополнительное отличие состоит в том, что указанные волокнистые частицы иммобилизованы тонкой пленкой нитроцеллюлозы, что не препятствует эффективному сгоранию зарядов в целом.
И, наконец, девятое дополнительное отличие состоит в том, что указанная пленка нитроцеллюлозы имеет сквозные поры, что наряду с повышением механической прочности зарядов обеспечивает свободное проникновение воспламеняющего импульса в глубь пористой массы заряда непосредственно после инициирования горения.
Краткое описание иллюстраций
К описанию приложены следующие иллюстрации:
фиг. 1 - микрофотография с увеличением 130х исходной (не измельченной) волокнистой нитроцеллюлозной основы зарядов;
фиг.2 - микрофотография с увеличением 130х измельченной волокнистой нитроцеллюлозной основы зарядов;
фиг.3 - микрофотография с увеличением 130х среза, изготовленного из волокнистой нитроцеллюлозной основы консолидированного заряда цилиндрической формы (слева внизу в "окошке" - фото заряда с указанием места среза);
фиг. 4 - микрофотография с увеличением 90х поверхности разлома заряда с фиг.3 (слева внизу в "окошке" - фото заряда с указанием места разлома);
фиг. 5 - последовательный ряд фотографий с увеличением 3х консолидированных зарядов из волокнистых нитроцеллюлозных частиц, а именно: (1) - исходного заряда; (2) - заряда, который был затушен непосредственно после инициирования горения; (3) и (4) - зарядов, которые были затушены на промежуточных этапах горения, и (5) - заряда, который был затушен в конце горения;
фиг.6 - микрофотография с увеличением 130х поверхности частично сгоревшего заряда (3) с фиг.5, где стрелками показаны некоторые глубокие кратеры (справа внизу в "окошке" - фото частично сгоревшего заряда).
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
Далее сущность изобретения поясняется:
описанием в общем виде способа изготовления нитроцеллюлозной основы консолидированных зарядов и практическими рекомендациями по его осуществлению,
описанием способа изготовления консолидированных зарядов на указанной основе, примерами использования указанной основы в консолидированных метательных зарядах преимущественно для охотничьего оружия и
результатами сравнительных испытаний новых и известных метательных зарядов.
В общем случае способ изготовления нитроцеллюлозной основы консолидированных зарядов предусматривает:
(а) нитрование тонковолокнистого целлюлозного сырья до достижения заданной концентрации азота в нитроцеллюлозном полуфабрикате, который имеет вид мокрой волокнистой массы,
(б) удаление остатков нитрующей смеси, побочных низкомолекулярных продуктов нитрования, случайных механических примесей и излишка влаги из указанной волокнистой массы,
(в) сушку очищенной и частично обезвоженной волокнистой массы до остаточной влажности, которая достаточна для безопасного измельчения волокон нитроцеллюлозы,
(г) измельчение просушенной волокнистой массы нитроцеллюлозы (см. фиг.1) до получения нитроцеллюлозной основы консолидированных зарядов в виде сыпучей полидисперсной смеси довольно извитых волокнистых частиц (см. фиг.2),
(д) по желанию, введение в указанную нитроцеллюлозную основу по меньшей мере одной модифицирующей добавки, и
(е) передачу указанной нитроцеллюлозной основы как таковой или после введения в нее по меньшей мере одной модифицирующей добавки на изготовление консолидированных зарядов.
Эти операции обычно выполняют следующим образом.
На операции (а) в качестве тонковолокнистого целлюлозного сырья, как правило, применяют тщательно очищенный от механических примесей хлопок. Однако специалисту понятно, что при острой потребности в сырье взамен хлопка можно использовать высококачественную древесную целлюлозу в исходном виде и даже в виде распушенной высококачественной бумаги.
Концентрация азота в сухой массе нитроцеллюлозы может составлять от 11,0 до 14,1% - в нитроцеллюлозной основе зарядов любых видов, а предпочтительно от 11,5 до 12% - для коллоксилинов, от 13,0 до 13,5% - для пироксилина 1 и от 12,05 до 12,4% - для пироксилина 2. Нитрование ведут до достижения такой концентрации азота в нитроцеллюлозе, которая выбрана в желаемом интервале. Целесообразно получать нитроцеллюлозу с разной концентрацией азота для последующего смешивания при изготовлении зарядов с разными баллистическими свойствами.
Нитрование проводят с применением хорошо известных специалистам составов нитрующих смесей, модулей ванны, температуры и времени. Так, в массе исходных нитрующих смесей обычно присутствует от 20,5 до 21,5% азотной кислоты и от 63,0 до 68,9% серной кислоты и не более 16,5% воды. Модуль ванны, то есть отношение массы кислотной нитрующей смеси к массе целлюлозы, выбирают в интервале от 45 до 50 для хлопковой и от 33 до 38 для древесной целлюлозы. Температуру обычно задают в пределах от 25 до 30oС при получении пироксилинов с концентрацией азота в сухом продукте более 13% по массе и в пределах от 35 до 40oС при получении пироксилинов и коллоксилинов с концентрацией азота 12-13% по массе.
На операции (б) обычно применяют стандартное оборудование типа аппаратов для промывки, центрифуг и магнитных сепараторов и общеизвестные специалистам режимы многократной горячей промывки с вывариванием волокнистой массы, ее отжима до остаточной влажности не более 32% и очистки от возможных механических примесей.
На операции (в) волокнистую массу нитроцеллюлозы обычно сушат продувкой слоя волокон, которые уложены на пористую, например, полотняную подложку, воздухом при температуре в интервале от 50 до 70oС. Скорость продувки должна быть такой, чтобы исключить унос высушенных волокнистых частиц током воздуха. Сушку прекращают при достижении остаточной влажности не более 4%, преимущественно в интервале от 2% до 4% и наиболее желательно - не более 2% по массе.
На операции (г) просушенную волокнистую массу нитроцеллюлозы измельчают, как правило, протиранием через сито с максимальным поперечником отверстий не более 2 мм до получения полидисперсной сыпучей смеси волокнистых частиц. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере 95% массы этой смеси составляли частицы, у которых отношение длины L к максимальному поперечному размеру d соответствует условию L/d≤24. Этому условию соответствует такая смесь измельченных нитроцеллюлозных волокон, в которой элементарные волокна имеют поперечник, близкий к среднему значению 0,05 мм, и длину, среднее значение которой не превышает 1,2 мм.
Степень измельчения можно проверять анализом проб под микроскопом. Однако на практике предпочтительно применять "тест на оседание". Для этого пробу сухого измельченного нитроцеллюлозного волокна массой 10 г вносят в стандартный цилиндрический мерный стакан емкостью 500 мл, который имеет внутренний диаметр около 47 мм и шкалу с делениями в миллилитрах на боковой стенке. Пробу заливают 250 мл дистиллированной воды, тщательно взбалтывают, полученную суспензию отстаивают в течение 1-го часа при комнатной температуре и по шкале определяют границы раздела воды и осадка. Такая граница обычно расположена на уровне 85-90 мл для осадка не измельченной волокнистой массы нитроцеллюлозы и не более 62 мл для осадка волокон, которые соответствуют условию L/d≤24.
На операции (д), проводимой когда к зарядам предъявляют дополнительные требования, в нитроцеллюлозную основу может быть введен по меньшей мере один взятый в подходящем количестве модификатор, выбранный из группы, состоящей из:
стабилизаторов (обычно дифениламина или производных мочевины, в которой атомы водорода замещены только этильными или метальными и этильными группами),
флегматизаторов (как правило, камфоры),
пламегасителей (обычно солей калия),
антиэрозионных присадок (обычно диоксида титана, свинцового сурика, динитротолуола, дибутилфталата или их произвольных сочетаний),
энергетических присадок (типа гексогена, октогена или их сочетаний) и произвольного сочетания по меньшей мере двух указанных модификаторов.
Когда какой-либо модификатор вводят в виде раствора, нитроцеллюлозную основу передают на изготовление зарядов после дополнительной сушки (предпочтительно при слабом токе воздуха, имеющего температуру около 30С, до остаточного содержания летучих растворителей не более 6%, а предпочтительно не более 5% по массе). Так, например, поступают после введения дифениламина или камфоры в спиртовом растворе или солей калия в водном растворе. Досушка не нужна после введения тонкодисперсных сухих антиэрозионных присадок.
На операции (е) нитроцеллюлозную основу обычно упаковывают в герметичную тару для длительного хранения и/или перевозки, либо непосредственно передают на формование зарядов. Перед этой операцией любым подходящим способом, например осторожным высушиванием под вакуумом до постоянной массы, может быть определена остаточная влажность указанной основы, а полученные данные указаны на таре или в сопроводительных документах.
Далее фактическое значение остаточной влажности должно быть использовано при подготовке нитроцеллюлозной основы к переработке в консолидированные заряды. Особенно важно учитывать этот показатель в расчетах доз такой основы для обеспечения требуемой массы зарядов и для оценки потребности в их досушке после прессования.
Если же изготовитель непластифицированной волокнистой нитроцеллюлозной основы не указал ее остаточную влажность, то перед дозированием указанной основы этот показатель определяет изготовитель зарядов.
Перед изготовлением нестандартных зарядов или боеприпасов баллистики, используя хорошо известные им методы, в зависимости от конкретного назначения и требуемой мощности боеприпасов и допустимых габаритов и формы консолидированных зарядов определяют конкретные значения массы, габариты, форму и плотность зарядов и допустимые отклонения от таких значений. Понятно, что результаты таких расчетов обычно корректируют после огневых испытаний пробной партии боеприпасов.
Для изготовления консолидированных зарядов с применением указанной основы применяют, как правило, многогнездные пресс-формы. Однако независимо от количества гнезд пресс-формы обычно оснащены матрицами со сквозными отверстиями, парами встречно перемещаемых пуансонов для каждого отверстия и ограничителями перемещения пуансонов. Такие ограничители практически исключают перепрессовку консолидированных зарядов и обеспечивают стабильность их осевого габарита.
Емкость гнезд для формования задают с учетом гравиметрической массы, остаточной влажности и величины доз нитроцеллюлозной основы, а остаточный зазор между пуансонами при завершении прессования определяют с учетом заданной баллистиками массы и плотности зарядов.
Пуансоны и отверстия в матрицах обычно имеют круглые поперечные сечения. Однако не исключены и иные (как обладающие осевой симметрией, так и не симметричные) формы поперечных сечений, которые, при необходимости, могут быть избраны конструкторами боеприпасов в зависимости от конкретного назначения СОУ.
Для безопасного прессования консолидированных зарядов средняя скорость VСП (мм/с) сближения пуансонов калибром d/П обычно удовлетворяет условию VСП≤104/dП 2
Специалисту понятно, что для пуансонов с круглым поперечным сечением калибр dП равен диаметру, а для некруглых пуансонов калибр определяют по принципу гидравлической аналогии с соответствующими круглыми пуансонами.
Также понятно, что непосредственно после засыпки в гнезда пресс-форм взвешенных или отмеренных по объему доз непластифицированной волокнистой нитроцеллюлозной основы скорость сближения пуансонов может быть равна или по меньшей мере близка к расчетному максимуму, а далее эту скорость обычно уменьшают. Отмеченное замедление сближения пуансонов по мере уплотнения зарядов должно быть тем заметнее, чем больше масса и осевой габарит прессуемого заряда.
В зависимости от остаточной влажности использованной нитроцеллюлозной основы готовые заряды либо досушивают, либо непосредственно передают на упаковку в герметичную тару для перевозки и/или хранения или на снаряжение боеприпасов.
Готовые заряды (см. фиг.3) имеют пористую структуру войлочного типа, которая возникает вследствие переплетения извитых элементарных волокон (см. фиг. 4). Свойлачивание происходит тем надежнее, чем большую долю в полидисперсной смеси исходных нитроцеллюлозных волокон составляют частицы, у которых отношение длины L к максимальному поперечному размеру d соответствует условию L/d≤24. Поэтому весьма желательно, чтобы эта доля была не менее 95% по массе.
Целесообразно, чтобы средняя плотность готовых консолидированных зарядов была не менее 0,7 г/см3, ибо при меньшей плотности они могут рассыпаться до снаряжения боеприпасов, и не более 1,3 г/см3, ибо при большей плотности горение нитроцеллюлозного войлока после инициирования может стать неустойчивым. Однако эти границы предпочтительны, но не обязательны. Действительно:
при строгом соблюдении вышеуказанного условия L/d≤24 "войлочная" структура может быть получена даже при плотности готовых консолидированных зарядов несколько менее 0,7 г/см3, что приемлемо при изготовлении рыхлых метательных зарядов для крупнокалиберного охотничьего оружия или монтажных пистолетов и перфораторов, а
плотность зарядов малой (около 0,2 г) массы (при сохранении сквозных пор, необходимых для устойчивого горения во всем объеме) может быть близка к предельно достижимой при прессовании величине 1,56 г/см3.
Фактическую плотность зарядов можно определить их взвешиванием, расчетом объемов по стандартным математическим формулам (после измерения линейных размеров с помощью подходящих средств) и делением массы на объем.
Следует отметить, что в случаях, когда метательные заряды в составе снаряженных боеприпасов подлежат длительному хранению и/или транспортировке, целесообразно, чтобы волокнистые частицы нитроцеллюлозы в приповерхностном слое по меньшей мере со стороны боковой стенки были иммобилизованы. Для этого достаточно покрыть заряды тонкой пленкой нитроцеллюлозы, которая может иметь сквозные поры.
Такую пленку нетрудно нанести, например, напылением раствора нитроцеллюлозы в подходящем летучем растворителе, в частности ацетоне, или распылением такого растворителя над поверхностью спрессованного метательного заряда, что приведет к частичному растворению нитроцеллюлозы. Как в первом, так и во втором варианте волокнистые частицы в приповерхностном слое слипаются и, после кратковременной досушки, образуют достаточно прочную пленку, которая предохраняет рыхлые заряды от осыпания и изменения их баллистических свойств.
Для стабильного горения после инициирования с минимальным расходом инициирующего ВВ желательно, чтобы остаточная влажность готовых зарядов не превышала 2% по массе.
Естественно, что готовые заряды наряду с нитроцеллюлозной основой могут содержать модификатор, выбранный из подробно описанной выше группы, состоящей из стабилизаторов, флегматизаторов, пламегасителей, антиэрозионных присадок, энергетических присадок и произвольного сочетания по меньшей мере двух указанных модификаторов. Для выбора конкретных модификаторов могут быть использованы известные баллистикам правила, применяемые при модификации обычных зерненых порохов.
Допустимый интервал пористости готовых зарядов составляет от 5,6 до 57,0% их общего объема, однако предпочтительно, чтобы пористость находилась в пределах от 19,4 до 57,0% общего объема.
Следует иметь в виду, что конкретные значения пористости могут быть определены известными специалистам методами с учетом:
концентрации азота в сухой нитроцеллюлозе,
остаточного содержания влаги в нитроцеллюлозных волокнах,
плотности и концентрации используемых модификаторов (из которых в метательных зарядах со сроком хранения более года нередко используют только дифениламин) и
фактической плотности консолидированных зарядов.
Минимум пористости 5,6% характеризует консолидированные заряды, которые изготовлены прессованием до упора из чистой сухой нитроцеллюлозы, содержащей 11% азота по массе. Для аналогичных зарядов из нитроцеллюлозы, содержащей 14,1% азота по массе, минимум пористости составит 6,5%.
Максимум пористости 57,0% характеризует консолидированные заряды, которые изготовлены прессованием чистой сухой нитроцеллюлозы с концентрацией азота 14,1% по массе до фактической плотности 0,7 г/см3.
Описанные консолидированные заряды, обозначаемые далее NL, могут быть использованы для снаряжения боеприпасов как сами по себе, так и в сочетании с обычными сыпучими порохами. При этом готовые заряды могут включать как единичные консолидированные части с одинаковыми формой, размерами и плотностью, так и несколько таких частей с одинаковыми или разными формой, размерами и плотностью. Комбинированные метательные заряды позволяют в широких пределах регулировать такие баллистические показатели, как максимальное давление пороховых газов в канале ствола СОУ и начальная скорость метаемых тел, и тем самым влиять на эффективность выстрела.
Эти возможности продемонстрированы примерами испытаний различных зарядов для гладкоствольного охотничьего ружья 12-го калибра (см. табл. 1, в которой данные о давлении в канале ствола в "МПа" рассчитаны на основе данных в "Psi" с экспериментальным коэффициентом ≅0,115, определенным с помощью крешерного прибора).
Помеченные знаком NL части указанных в табл.1 метательных зарядов диаметром 16,5 мм и 8,0 мм были изготовлены из пироксилиновой волокнистой нитроцеллюлозной основы с концентрацией азота 12,8%, содержанием дифениламина около 1% и общей остаточной концентрацией летучих ингредиентов (воды и этанола, использованного при введении дифениламина) до 1,9% по массе.
Патроны были снаряжены на стандартном оборудовании с использованием оснащенных капсюлями пластмассовых гильз и пыжей-контейнеров фирмы Винчестер, свинцовой дроби 3 диаметром 3,5 мм и массой 28,5 г на один патрон и стандартного бездымного пороха для охотничьих ружей "Винчестер". Снаряженные патроны были закатаны по схеме 8-лучевой звездочки.
Указанные в табл.1 (и приведенные далее) баллистические показатели были определены с применением доступной на рынке установки Personal Ballistics Lab OEHLER Model 43,которая имеет:
жесткий фиксатор СОУ, которое применяют в экспериментах;
по меньшей мере один тензометрический датчик, который жестко закрепляют с внешней стороны ствола в зоне патронника СОУ и который подключают к блоку программных расчетов для определения давления пороховых газов в канале ствола;
обычно три оптических датчика типа "небесный экран", которые последовательно устанавливают на одной линии за дульным срезом СОУ на фиксированных расстояниях один от другого и также подключают к блоку программных расчетов для определения начальной скорости метаемых тел;
средство распечатки индивидуальных протоколов испытаний для каждого выстрела и статистической обработки результатов серий (обычно до 10-и) выстрелов.
В табл.1 приведены среднеарифметические результаты огневых испытаний для серий из 10 выстрелов. Как видно из табл.1:
все варианты компоновки метательных зарядов с применением NL-частей работоспособны и
возможно достижение одинаковой с вариантом обычного снаряжения начальной скорости дробового снаряда при существенно меньшем значении максимального давления пороховых газов в стволе (пример 3 в сравнении с примером 8) или, наоборот, некоторого увеличения начальной скорости дробового снаряда при таком же давлении газов, как в штатном варианте (пример 6 в сравнении с примером 8).
Кроме того, приведенные примеры показывают, что использование NL-частей полезно с точки зрения баллистической эффективности при производстве дробовых патронов в охотничьем, спортивном и усиленном (магнум) вариантах. Опыт показывает, что чем выше допустимый уровень давления газов в канале ствола, тем легче с помощью NL-частей увеличить начальную скорость снаряда в сравнении с обычным вариантом снаряжения. Поэтому для практического применения NL-частей наиболее перспективны, как правило, спортивные и усиленные (магнум) варианты патронов для гладкоствольных СОУ и спортивные и охотничьи патроны для нарезного оружия.
Сказанное подтверждают данные, полученные при огневых испытаниях патронов 12/70 мм типа "Hanter", "Sport" и "Magnum", снаряженных дробью (масса 32 г) и метательными зарядами типа NL, в сравнении со справочными данными для аналогичных патронов ведущих мировых фирм (см. табл. 2).
Специалистам понятно, что приведенные примеры осуществления изобретения никоим образом не исчерпывают возможности иных реализации изобретательского замысла в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения.
Так, очевидно, что полидисперсная смесь волокнистых частиц нитроцеллюлозы может служить войлочной основой не только консолидированных метательных зарядов для произвольных СОУ, но и аналогичной основой консолидированных сигнальных зарядов и пиротехнических изделий, которые обычно изготовляют с применением классических дымных порохов. Также очевидно, что геометрические формы, размеры и масса консолидированных метательных зарядов для различных СОУ могут существенно отличаться от тех форм, размеров и массы, которые указаны в приведенных выше конкретных примерах и что для проектирования и изготовления таких зарядов достаточно знаний среднего специалиста в области баллистики.
Промышленная применимость
Изобретение промышленно применимо, поскольку может быть реализовано на существующих производствах нитроцеллюлозных ВВ с получением таких консолидированных зарядов произвольной массы и формы, которые имеют пористую войлочную структуру и поэтому принципиально не могут детонировать в патроннике или сопряженной с ним части канала ствола СОУ. Действительно, на фиг.5 и 6 ясно видно, что консолидированные заряды согласно изобретению способны практически равномерно гореть со всех сторон и сгорать без распада на части.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| БЛОЧНЫЙ МЕТАТЕЛЬНЫЙ ПОРИСТЫЙ ЗАРЯД (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 2008 |
|
RU2382019C1 |
| БЛОЧНЫЙ МЕТАТЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 2012 |
|
RU2528984C2 |
| УНИТАРНЫЙ МАЛОКАЛИБЕРНЫЙ ПАТРОН | 2000 |
|
RU2173442C1 |
| МЕТАТЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД | 2011 |
|
RU2466975C1 |
| МЕТАТЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД | 1999 |
|
RU2153144C1 |
| ПОРОХ ПИРОКСИЛИНОВЫЙ ДЛЯ ЗАРЯДА К ОХОТНИЧЬЕМУ ПАТРОНУ КАЛИБРА 5,56x45 | 2021 |
|
RU2767963C1 |
| ПИРОКСИЛИНОВЫЙ ПОРОХ | 2000 |
|
RU2171796C1 |
| ЗАРЯД К АРТИЛЛЕРИЙСКОМУ ОРУДИЮ | 2008 |
|
RU2396507C2 |
| ЗАРЯД ДЛЯ ДРОБОВЫХ ПАТРОНОВ К ГЛАДКОСТВОЛЬНОМУ СПОРТИВНО-ОХОТНИЧЬЕМУ ОРУЖИЮ 12, 16 И 20 КАЛИБРОВ | 2013 |
|
RU2533766C1 |
| СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ПОРОХОВ И ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ НА ОСНОВЕ НИТРОЭФИРОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И МНОГОАТОМНЫХ СПИРТОВ | 2001 |
|
RU2215720C2 |
Изобретение относится к технологии изготовления нитроцеллюлозной основы консолидированных зарядов для преимущественно ствольных огнестрельных устройств типа охотничьих ружей, строительно-монтажных пистолетов, средств метания изделий из сигнальных или пиротехнических составов. Предложенный способ изготовления нитроцеллюлозной основы консолидированных зарядов включает нитрование тонковолонистого целлюлозного сырья до достижения заданной концентрации азота в полуфабрикате, удаление примесей и излишка влаги из волокнистой массы нитроцеллюлозы, сушку и измельчение волокна до получения полидисперсной смеси волокнистых частиц и формирование консолидированных зарядов. А также предложен консолидированный метательный заряд в виде по меньшей мере одного изготовленного на непластифицированной нитроцеллюлозной основе брикета, сформированного из смеси полидисперсных нитроцеллюлозных волокон и имеющего пористую войлочную структуру. Изобретение направлено на создание безопасного способа изготовления нитроцеллюлозной основы консолидированных зарядов, которая позволяла бы прессовать из нее консолидированные метательные заряды, всегда сохраняющие целостность при инициировании и в процессе горения. 2 с. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.
| Энергетические конденсированные системы | |||
| Краткий энциклопедический словарь./Под ред | |||
| Б.П.Жукова | |||
| - М., 2000, с.290-291 | |||
| Трепальная машина | 1929 |
|
SU21749A1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПИРОКСИЛИНОВОГО ПОРИСТОГО ПОРОХА ДЛЯ ПАТРОНОВ К СТРЕЛКОВОМУ ОРУЖИЮ | 1996 |
|
RU2156230C2 |
| US 4444606, 24.04.1984 | |||
| US 4670200, 02.06.1987 | |||
| US 3574800, 13.04.1971 | |||
| Устройство для измерения энергии | 1987 |
|
SU1575120A1 |
