ЗАЖИГАТЕЛЬНЫЙ СОСТАВ Российский патент 2008 года по МПК C06B33/12 C06B45/02 

Изобретение относится к области боеприпасов, в частности к зажигательным составам, применяемым в зажигательных пулях и пулях комбинированного действия для зажигания жидких топлив.

Известен зажигательный состав по патенту ФРГ №2210944, содержащий 33-57% циркония, 27-41% хромата бария, 11-17% перхлората аммония и 5-9% бихромата аммония. Состав имеет высокую скорость горения, не обеспечивающую зажжение тяжелых видов углеводородного топлива.

Известен зажигательный состав, например по патенту США №3317362, включающий 12-20% магния, 70-80% нитрата бария, 0-2% стеарата цинка, 0-6% хлорированной каучуковой связки, 0-1% красной краски и 0-8% резината кальция. Низкие энергетические характеристики состава не обеспечивают зажжения тяжелых видов топлива.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является зажигательный состав по патенту РФ №2168488, включающий 48,5-51,5% порошка алюминиево-магниевого сплава, 47,5-50,5% азотнокислого бария, 0,8-1,2% смолы фенолформальдегидной и 1,0-1,5% графита (сверх 100%). Данный состав не обеспечивает зажжения тяжелых видов топлива.

Задачей предлагаемого изобретения является создание зажигательного состава, обладающего увеличенным временем горения и обеспечивающего возникновение оптимального количества крупных, имеющих высокие значения объемной теплоемкости частиц конденсированных продуктов сгорания, с получением технического результата в виде гарантированного зажжения тяжелых видов топлива - керосина и дизельного топлива.

Поставленная задача решается за счет того, что в известный зажигательный состав, содержащий порошок алюминиево-магниевого сплава (ПАМ), окислитель, связующее и графит, в качестве окислителя введены железная окалина (59,5-63,5 мас.%), оксид меди (2,0-5,0 мас.%) и оксид никеля (2,0-5,0 мас.%), а в качестве связующего низкомолекулярный фторопласт (6,0-12,0 мас.%), при содержании ПАМ (20,5-24,5 мас.%) и графита (0,5-3,0 мас.% сверх 100%), при этом состав оформлен в виде сферических гранул, 30-40% которых выполнены диаметром менее 250 мкм, а 20-30% - диаметром 800-1000 мкм.

В известных зажигательных составах указанная совокупность существенных признаков не выявлена, что позволяет считать данное техническое решение соответствующим критерию «новизна».

Воспламенение и горение жидких углеводородных топлив происходит в газовой фазе и возможно только тогда, когда концентрация паров углеводорода в воздухе находится в некоторых определенных пределах. Образование воспламеняющейся концентрации паров для разных видов топлива происходит по-разному, при этом тяжелые виды (керосин, дизельное топливо), вследствие высокой вязкости, низкой летучести и относительно длительного периода задержки воспламенения, требуют для парообразования подведения большего количества энергии в течение более продолжительного времени, чем например бензин. В реальных условиях, при пробитии бака ниже уровня топлива, для его зажжения необходимо время на создание "псевдо" дисперсной струи (50-60 мс) и время индукции (не менее 60 мс для тяжелого топлива), что, с учетом времени бронепробития и времени развития устойчивого горения, составляет 140-160 мс. Таким образом, время горения зажигательного состава, необходимое и достаточное для гарантированного зажжения тяжелых фракций углеводородного топлива, составляет не менее 160 мс, при этом большая часть энергетической составляющей реакции должна аккумулироваться во второй половине процесса горения, что возможно только при условии возникновения крупных, теплоемких и медленно остывающих частиц конденсированных продуктов сгорания.

Горение зажигательных составов происходит в конденсированной и газовой фазах. Существующие составы выполнены как механическая смесь двух или более, как правило, мелкодисперсных компонентов и имеют большую общую поверхность горения, что обуславливает их быстрое воспламенение и сгорание. Такие составы имеют развитую газовую фазу и слабо выраженную конденсированную, не способную к созданию и поддержанию во времени достаточно крупных и теплоемких частиц, обеспечивающих необходимые условия для зажжения топлива, что подтверждается качественным анализом продуктов сгорания, среди которых преобладают шлаки размерами менее 10 мкм. Кроме того, порошкообразные составы имеют склонность к уплотнению при хранении и расслоению, что ведет к нестабильности в производстве составов и к сбоям при функционировании.

Состав по предлагаемому изобретению выполнен в виде гранул, каждая из которых имеет качественный и количественный компонентный состав, необходимый и достаточный для создания оптимального режима горения с преобладанием конденсированной фазы, при этом сферическая форма гранулы обеспечивает стабильность ее горения. Заявленные исходные размеры гранул и их количество способствуют формированию необходимого числа теплоемких частиц конденсированных продуктов сгорания, при этом наличие гранул малого диаметра позволяет быстро создать эффективную газовую фазу. Наличие в составе большого количества окислителя позволяет поддерживать конденсированную фазу в горячем состоянии, при этом железная окалина продуцирует обладающее большим теплосодержанием конденсированное железо в жидком агрегатном состоянии, являющееся основой для создания частиц шлака. С целью снижения активности процесса диспергирования в состав введен графит, увеличивающий поверхностное натяжение жидкого железа. Добавочный окислитель в виде оксидов меди и никеля увеличивает объемную теплоемкость продуктов сгорания, кроме того, органические соединения меди и конденсированный никель являются активными катализаторами разложения углеводородных смесей. В качестве активного связующего в состав введен низкомолекулярный фторопласт, например фторопласт 32ЛН, что, в совокупности с вышеизложенным, обеспечивает достижение заявленного технического результата.

Заявленная совокупность отличительных признаков, выраженная как сочетание количественных и качественных характеристик ингредиентов зажигательного состава, в патентной и научно-технической информации не выявлена, что подтверждает соответствие предложенного технического решения критерию «изобретательский уровень».

В таблице 1 приведены рецептуры составов по прототипу и предлагаемому изобретению в вариантах исполнения; в таблице 2 - физико-химические характеристики зажигательных составов; в таблице 3 - гранулометрические характеристики составов; в таблице 4 - результаты сравнительных испытаний зажигательных патронов с существующим и предлагаемым составами.

Для проверки заявленного технического результата были приготовлены несколько вариантов зажигательного состава со средними и граничными значениями из предложенных соотношений ингредиентов (см. таблицу 1). В момент контакта зажигательной пули с преградой (бронеплита, стенка топливного бака) происходит воспламенение зажигательного состава, часть которого заносится через пробоину вслед за сердечником в зону взаимодействия с топливом. Мелкодисперсная часть состава при горении создает температурно устойчивую газовую фазу, способствующую доставке к топливу частиц конденсированной и твердой фазы, образованных из крупных гранул состава и обладающих высокой объемной теплоемкостью. Наличие высококалорийного горючего (ПАМ) и достаточного количества окислителя обеспечивает высокую температуру, а также оптимальные режимы горения состава и формирования частиц конденсированной фазы. Это позволило значительно улучшить по сравнению с прототипом некоторые физико-химические характеристики состава, например (см. таблицу 2) температуру частиц продуктов сгорания, количество продуктов сгорания, верхний предел воспламенения и т.д. Образующиеся, за счет присутствия фторопласта, фториды металлов и ферроцен, а также конденсированный никель способствуют разложению углеводородного топлива, что резко повышает вероятность его зажжения.

Существенные признаки, заявленные в формуле изобретения, взаимосвязаны и их изменение вне указанных пределов ведет к ухудшению характеристик зажигательного состава.

Содержание (ПАМ): 20,5-24,5 мас.%

Содержание горючего в составе менее чем 20,5 мас.% смещает окислительный баланс в сторону положительных значений и приводит к быстрому его выгоранию, уменьшению количества конденсированных частиц и соответственно снижению зажигательной способности состава.

Содержание более 24,5 мас.% смещает окислительный баланс в сторону отрицательных значений, что способствует увеличению «холодных» частиц в конденсированной фазе, ухудшая ее температурный режим, и, как следствие, снижает зажигательную способность состава.

Содержание железной окалины (Fe₃О₄): 59,5-63,5 мас.%

Содержание железной окалины менее 59,5 мас.% приводит к отрицательному окислительному балансу, при котором горючее не выгорает в полном объеме и, являясь балластом, замедляет процесс горения, уменьшая тепловыделение и снижая зажигательную способность состава.

Содержании железной окалины более 63,5 мас.% приводит к полному окислению горючего в начальной стадии реакции, а избыток кислорода, не участвуя при дальнейшей реакции, становится балластом, снижающим температуру конденсированной фазы и соответственно зажигательную способность состава.

Содержание оксида меди (CuO): 2,0-5,0 мас.%

Содержание менее 2,0 мас.% замедляет скорость реакции горения, снижая объемную теплоемкость частиц и зажигательную способность состава.

Содержание более 5,0 мас.% оказывает резкое каталитическое воздействие на скорость реакции, из-за быстрого протекания которой затруднена полноценная теплоотдача от частиц шлака топливу, чем снижает зажигательную способность состава.

Содержание оксида никеля (NiO): 2,0-5,0 мас.%

Содержание менее 2,0 мас.% уменьшает его каталитическое влияние на разложение топлива при горении.

Содержание более 5,0 мас.% избыточно в качестве катализатора и, как тугоплавкий компонент, излишне повышает теплопотери при горении.

Содержание низкомолекулярного фторопласта: 6,0-12,0 мас.%

При содержании фторопласта менее 6,0 мас.% не обеспечивается необходимая прочность гранул состава.

Содержание более 12,0 мас.% повышает прочность гранул незначительно.

Диаметр гранул менее 250 мкм

Наличие гранул диаметром менее 250 мкм обеспечивает создание развитой газовой фазы.

Отсутствие мелкой фракции снижает объем газовой фазы и соответственно ее возможности по доставке конденсированных частиц в зону горения.

Диаметр гранул: 800-1000 мкм

Наличие гранул диаметром менее 800 мкм смещает процесс горения в сторону газовой фазы, снижая зажигательную способность состава.

Наличие гранул диаметром более 1000 мкм технологически и конструктивно не оправдано.

Содержание гранул диаметром менее 250 мкм: 30-40%

При содержании менее 30% процесс горения может принять затухающий характер, не обеспечивающий необходимой зажигательной способности состава.

При содержании мелкой фракции более 40% горение протекает с высокой скоростью, преимущественно в газовой высокотемпературной фазе, снижая количество крупных конденсированных частиц и уменьшая вероятность гарантированного зажжения топлива.

Содержание гранул диаметром 800-1000 мкм: 20-30%

Содержание крупной фракции менее 20% смещает процесс в сторону газовой фазы, ускоряя реакцию и уменьшая время до значений, не достаточных для доставки крупных конденсированных частиц к топливу и его зажжения.

Содержание более 30% приводит к уменьшению объема газовой фазы и ее зашлаковыванию, что затрудняет доставку конденсированных частиц к топливу и не гарантирует его зажжение.

Содержание графита: 0,5-3,0 мас.%

При содержании графита менее 0,5 мас.% уменьшается температура и скорость горения состава, ослабевает поверхностное натяжение расплава термитного железа, что вызывает дробление конденсированных частиц и, в совокупности, снижает зажигательную способность состава.

При содержании более 3,0 мас.% состав перенасыщен горючим, избыточный углерод не вступает в реакцию и становится балластом, замедляя процесс горения и снижая зажигательную способность состава.

Партии патронов калибра 12,7 мм с пулями Б-32 двух конструктивных исполнений, снаряженными зажигательным составом по прототипу и варианту 2, были подвергнуты сравнительным испытаниям, при этом предлагаемый состав исследовался в трех вариантах гранулометрического исполнения. Испытания проводились, в соответствии с методиками Министерства обороны РФ, по банкам с топливом, установленным за броневой преградой толщиной 15 мм, при десяти зачетных попаданиях.

Из таблицы 4 следует, что предложенный состав обладает значительно большей зажигательной способностью, чем существующие, в частности штатный состав по прототипу (№7М). Оптимальный результат получен при заявленных гранулометрических соотношениях (таблица 3).

Таким образом, результаты исследований и сравнительных испытаний свидетельствуют, что предлагаемый зажигательный состав обеспечивает гарантированное зажжение углеводородного топлива, включая его тяжелые фракции - керосин и дизельное топливо. Кроме того, состав более технологичен, т.к. имеет низкую чувствительность к трению и, в то же время, достаточно чувствителен к удару. Результаты испытаний позволяют считать данное техническое решение соответствующим критерию «промышленная применимость»

Таблица 1Наименование компонентовЗажигательный состав (мас.%)По прототипу (№ 7М)Варианты предлагаемого состава123ПАМ48,5-51,520,522,524,5Ba(NO₃)₂47,5---СФ-0112А0,8-1,2---Фторопласт 32Л «Н»-6,09,012,0Fe₃О₄-63,56159,5CuO-53,52,0NiO-53,02,0Графит (сверх 100%)1,0-1,50,52,03,0Таблица 2Наименование характеристикЗажигательный составПрототип (№7М)Предлагаемый1231. Чувствительность к удару (ГОСТ 13802-68)Низкая 20 классНизкая 16 классНизкая 16 классНизкая 16 класс2. Чувствительность к трению (ГОСТ 13802-68)Высокая 7 классСредняя 13-14 классСредняя 13-14 классСредняя 13-14 класс3. Количество шлаков от сгорания 1 г состава, г0,2560,7730,8210,7994. Плотность шлаков, г/см³0,971,271,651,265. Объемная теплоемкость шлаков, кДж/моль·К0,9891,0761,0771,0736. Размер шлаков, мкм5-10400-450450-500375-4257. Температура частиц продуктов762-8901034-19651034-19651034-1965сгорания, контактирующих с топливом,·К    8. Количество конденсированных продуктов сгорания, моль/кг1,9211,910,477,09. Скорость горения состава на воздухе, мм/с4,715,125,235,7210. Верхний предел воспламенения, см5364039

Таблица 3Размер фракции (мкм)Содержание в зажигательном составе (%)По прототипу (№7М)Предлагаемый2А2Б2В1. Гранул состава:    менее 250100%25-3030-4040-45от 800 до 1000-15-2020-3030-352. Шлаков:    менее 10100%---от 350 до 500-40-6050-7045-65Таблица 4Тип углеводородного топливаРезультаты по зажжению (%)Состав по прототипу (№7М)Предлагаемый состав2А2Б2В1. Изд. 12.7 мм Б-32    - по бензину100100100100- по керосину08010090- по дизтопливу04060502. Изд. 12.7 мм Б-32М    - по бензину100100100100- по керосину209010090- по дизтопливу0809080

Изобретение относится к зажигательным составам, которые могут быть использованы для пуль патронов стрелкового оружия зажигательного и комбинированного действия, применяемых для зажжения жидкого углеводородного топлива. Предложен зажигательный состав, содержащий порошок алюминиево-магниевого сплава, графит, окислитель - железную окалину, оксид меди и оксид никеля, связующее - низкомолекулярный фторопласт. Состав выполнен в виде сферических гранул, 30-40% которых имеют диаметр менее 250 мкм, а 20-30% - диаметр 800-1000 мкм. Изобретение направлено на увеличение времени горения состава, обеспечение образования необходимого количества крупных, имеющих высокие значения объемной теплоемкости частиц конденсированных продуктов сгорания. 4 табл.

Зажигательный состав, содержащий порошок алюминиево-магниевого сплава, окислитель, связующее и графит, отличающийся тем, что он выполнен в виде сферических гранул, 30-40% которых имеют диаметр менее 250 мкм, а 20-30% - диаметр 800-1000 мкм, при этом в качестве окислителя он содержит железную окалину, оксид меди и оксид никеля, а в качестве связующего - низкомолекулярный фторопласт при следующем содержании компонентов, мас.%:

порошок алюминиево-магниевого сплава20,5-24,5железная окалина59,5-63,5оксид меди2,0-5,0оксид никеля2,0-5,0низкомолекулярный фторопласт6,0-12,0графит (сверх 100%)0,5-3,0