ПОРОХОВОЙ ЗАРЯД К ЛЕГКОГАЗОВОМУ ОРУЖИЮ Российский патент 2013 года по МПК C06B27/00 C06D5/00 C10L3/00 

Изобретение относится к артиллерии - к легкогазовым орудиям с большой начальной скоростью и к огнестрельному оружию - к снайперским винтовкам.

Известны орудия, в которых пороховой заряд сжимает легкий газ (водород), который затем и разгоняет снаряд. Так как скорость звука в легком газе больше, чем в пороховых газах, достигается большая начальная скорость снаряда, см. Интернет, Википедия.

Недостатком такого орудия является конструктивная сложность, большой вес, большая стоимость выстрела, очень малая скорострельность.

Между тем можно было бы стрелять из обычных или почти обычных орудий снарядами с начальной скоростью около 3000 м/сек, если бы порох в результате реакции выделял бы пусть меньшее количество тепла, зато выделял бы только водород и твердые вещества. Даже при обычной температуре скорость звука в водороде составляет 1330 м/сек, а при небольшом нагреве она соответственно увеличивается.

Таким порохом, можно даже назвать его газовым порохом или жидким порохом, может быть газовая смесь под давлением боранов и фосфинов или раствор или эмульсия жидких борана и фосфина. Из боранов наибольшим содержанием водорода обладает диборан. Хотя тетраборан обладает лучшей сжижаемостью (кипит при 18 градусах С), но он содержит меньший процент водорода. Диборан и фофин сжижаются примерно одинаково - хотя диборан имеет меньшую температуру кипения, но он имеет и меньшее критическое давление.

Рассмотрим реакцию «горения» такого пороха на примере диборана и фосфина (моно). При инициации реакции источником тепла (капсулем) происходит сначала экзотермическое разложение диборана (до 300 градусов С) с выделением тепла 38,5 кДж/моль, после чего выделившийся бор взаимодействует с двумя молекулами фосфина:

В2Н6+2РН3=2ВР+6Н2+842,5 кДж/моль

То есть удельное выделение тепла составляет 8,77 кДж/г, это примерно вдвое больше, чем у пороха. Доля водорода от массы реагирующих веществ 12,5%. Условный эквивалентный показатель «К», равный произведению энерговыделения на долю водорода равен 1,10. Приблизительные расчеты показывают, что температура реакции будет при постоянном давлении - 2000 градусов С, а при постоянном объеме - 2400 градусов С. Так как выше 1200 градусов бор реагирует с фосфором, то вся реакция идет лавинообразно, то есть очень быстро.

Образование фосфида бора идет интенсивнее в присутствии восстановителя. Таковым может быть выделяющийся водород. Для увеличения скорости реакции желательно присутствие мелкодисперсного угля, сажи, графита или небольшого количества метана (0,0001-1% от массы реагирующих веществ), или их смеси. Метан при температуре выше 1100 градусов С экзотермически разлагается с выделением двух молекул водорода и углерода в виде сажи, которая будет катализатором реакции образования фосфида бора.

Как видно из реакции, стехиометрическое соотношение диборана и фосфида должно быть 27,67:68,00 и при этом выделится 12,1 г/м водорода. В реальности из-за разности скоростей реакций возможны отклонения в ту или иную сторону до 10%. То есть стехиометрическое соотношение в процентах 28,92:71,08, и при этом выделится 12,5% водорода по отношению к исходной массе.

Если реагенты находятся в заряде в газообразном состоянии, следует следить за температурой заряда, так как при низкой температуре может образоваться жидкая фаза, что приведет к разделению компонентов заряда и. возможно, к уменьшению скорости реакции (требуется серия экспериментов). Для диборана критическая температура 16,7, а для фосфина (моно) 51,3 градуса С.

Возможна другая реакция компонентов, например тетраборана с дифосфином:

В4Н10+2Р2Н4=4ВР+9Н2+1641,6 кДж

То есть энерговыделение 8,86 кДж/г, водорода 9,79%, К=0,87. Как видим, водорода выделится меньше, но он будет иметь более высокую температуру. Жидкие компоненты должны находиться в растворенном виде или в виде эмульсии.

Инициируется заряд расположенным внутри оболочки источником тепла в виде электроспирали, искры, капсуля, или же взрывным или кумулятивным зарядом, расположенным снаружи или внутри гильзы.

Скорость реакции может оказаться слишком большая, поэтому ее можно регулировать содержанием угля, сажи, графита или метана. Уменьшая или исключая их наличие можно добиться нужной скорости реакции.

Но, если она окажется слишком велика даже при отсутствии катализаторов, то следует применить замедлители реакции, каковыми в данном случае могут быть гидриды или их смесь, имеющие отрицательную энтальпию образования, то есть эндотермическую реакцию разложения в количестве 0,01-99%, или большое количество метана (гораздо больше, чем необходимо для катализа), или их смесь в количестве от 1 до 99% (для каждого орудия этот процент свой). Из гидридов отрицательной энтальпией образования обладают гидриды бериллия, лития, алюминия, кальция. Наибольший процент водорода содержит гидрид бериллия.

Но в качестве замедлителей могут быть применены и гидриды с небольшой положительной энтальпией образования (меньшей, чем тепловой эффект основной реакции между дибораном и фосфином), например боргидрид бериллия или те же боран или фосфин в количестве, большем, чем это необходимо для основной реакции.

Желательно применить тот метод регулирования скорости реакции, который в наименьшей степени снизит удельное тепловыделение.

Но важно следить, чтобы замедлители не выделяли газообразные при рабочей температуре вещества с большим молекулярным весом - фосфор, хлористый калий, литий. Иначе скорость звука в этой смеси газов существенно снизится.

К орудию предъявляется добавочное требование - полная герметичность зарядной каморы и затвора (если он есть). Также герметично в ствол должен вставляться снаряд, для чего он может иметь заднее уплотнительное кольцо с обращенной назад юбкой и/или эластичной манжетой (это отдельное мое изобретение). Подача газообразного или жидкого пороха в камору может осуществляться через одно-два отверстия в каморе. А может быть осуществлена с помощью гильзы в виде прочного металлического или композитного баллона. Для активирования заряда с такой гильзой на переднем торце гильзы изнутри или снаружи ее должен быть крестообразный или звездообразный перфорирующий миниатюрный кумулятивный заряд.

Работает заряд так: заряд может быть приведен в действие внутренним источником тепла достаточной температуры - капсулем, электроспиралью, искрой и т.п. а если заряд в гильзе, он может быть активирован небольшим взрывным или кумулятивным зарядом, расположенным снаружи или внутри гильзы.

В варианте с гильзой перфорирующий заряд вскрывает передний торец гильзы-баллона и поджигает реагенты пороха. Образующийся водород имеет скорость звука 3900 м/сек. Снаряд получит начальную скорость около 3700 м/сек. А так как кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости, то пробивная сила снаряда будет примерно в 15 раз выше.

Единственный недостаток такого пороха - сильное демаскирующее действие - вылетевший водород загорится на воздухе, а так как он содержит твердые частицы нитрида, то это пламя будет хорошо заметно.

Изобретение относится к области стрелкового вооружения, а именно к пороховому заряду для легкогазового орудия или огнестрельного оружия. Пороховой заряд содержит газообразные боран и фосфин или раствор жидких борана и фосфина и предназначен для размещения под давлением в зарядной каморе или гильзе в виде металлического или композитного баллона, срабатывание которого инициируется источником тепла, расположенным в казенной части оружия или на переднем торце гильзы изнутри или снаружи ее. Возможно применение катализаторов в виде угля, сажи, графита или метана, а также замедлителей реакции, таких как гидриды, имеющие отрицательную энтальпию образования, то есть эндотермическую реакцию разложения, например гидриды бериллия, лития, алюминия, кальция или их смесь. Источник тепла представляет собой капсюль, электроспираль, искру или взрывной или кумулятивный заряд, расположенный внутри или снаружи гильзы. Изобретение обеспечивает высокую начальную скорость снаряда, конструктивное упрощение орудия, повышение скорострельности, снижение веса орудия и стоимости выстрела. 8 з.п. ф-лы.

1. Пороховой заряд к легкогазовому оружию, включающий реагирующие вещества в виде газообразных борана и фосфина или раствора жидких борана и фосфина, находящиеся под давлением в зарядной каморе или гильзе в виде металлического или композитного баллона, срабатывание которого инициируется источником тепла, расположенным в казенной части оружия или на переднем торце гильзы изнутри или снаружи ее.

2. Заряд по п.1, отличающийся тем, что содержит 0,0001-1% от массы реагирующих веществ мелкодисперсного угля, и/или сажи, и/или графита, и/или метана.

3. Заряд по п.1, отличающийся тем, что содержит боран и фосфин в стехиометрическом соотношении 28,92±10% и 71,08±10% соответственно.

4. Заряд по п.1, отличающийся тем, что источник тепла представляет собой взрывной или кумулятивный заряд, расположенный внутри или снаружи гильзы.

5. Заряд по п.4, отличающийся тем, что кумулятивный заряд представляет собой крестообразный или звездообразный перфорирующий кумулятивный заряд.

6. Заряд по п.1, отличающийся тем, что источник тепла представляет собой капсюль, электроспираль или искру.

7. Заряд по п.1, отличающийся тем, что содержит замедлители реакции, такие как гидриды, имеющие отрицательную энтальпию образования, то есть эндотермическую реакцию разложения, например гидриды бериллия, лития, алюминия, кальция или их смесь в количестве 0,01-99%, или метан или их смесь в количестве от 1 до 99%.

8. Заряд по п.1, отличающийся тем, что содержит гидриды с положительной энтальпией образования, меньшей теплового эффекта основной реакции.

9. Заряд по п.1, отличающийся тем, что замедлителем является термостойкое и пассивное к реагирующим компонентам вещество в мелкодисперсном состоянии, например аэросил - мелкодисперсная окись кремния, сухой оксид железа, цинка.