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 аммиака или раствор или эмульсия борана в жидком аммиаке. 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 аммиак сжижаются примерно одинаково, хотя диборан имеет меньшую температуру кипения, но он имеет и меньшее критическое давление.

Рассмотрим реакцию диборана с аммиаком.

При инициации реакции источником тепла происходит сначала экзотермическое разложение диборана (до 300 градусов С) с выделением тепла 38,5 кДж/моль, после чего выделившийся бор взаимодействует с двумя молекулами аммиака:

В2Н6+2NH3=2BN+6Н2+451 кДж/моль

То есть удельное выделение тепла составляет 7,27 кДж/г, это примерно вдвое больше, чем у пороха и примерно как у твердых ракетных топлив. Приблизительные расчеты показывают, что температура реакции будет при постоянном давлении - 1800 градусов С, а при постоянном объеме - 2180 градусов С. Так как выше 1200 градусов бор реагирует с аммиаком и получающимся в результате его термического разложения азотом, то вся реакция идет лавинообразно, то есть со взрывом.

Образование нитрида 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 выделение двух молекул водорода и углерода в виде сажи, которая и будет катализатором реакции образования нитрида бора.

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 аммиаком), например фосфин в том же количестве 0,01-99%.

Но важно следить, чтобы замедлители не выделяли газообразные при рабочей температуре вещества с большим молекулярным весом - фосфор, литий. Иначе скорость звука в этой смеси газов существенно снизится. Правда, легкокипящий литий можно связать добавочным количеством аммиака в более термостойкий гидрид лития. Но для этого потребуется увеличить процентное содержание аммиака.

Замедлителем может быть любое термостойкое и пассивное к компонентам пороха вещество в мелкодисперсном состоянии, например аэросил (мелкодисперсная окись кремния), сухой оксид железа, цинка и т.п. А также почти все молотые сухие минералы - тальк, молотая слюда и т.п.

Желательно применить тот метод регулирования скорости реакции, который в наименьшей степени снизит удельное тепловыделение 7,27 кДж/г.

Как видно из реакции, стехиометрическое соотношение диборана и аммиака должно быть 27,67:34,06 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 44,8:55,2, и при этом выделится 19,6% водорода по отношению к исходной массе.

Активироваться заряд может капсулем, электроспиралью или искрой.

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, способный пробить гильзу.

Работает заряд так: заряд может быть приведен в действие внутренним источником тепла достаточной температуры - 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 3850 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 14 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 аммиак или раствор борана в аммиаке 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 аммиака или раствора борана в аммиаке, 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 аммиак в стехиометрическом соотношении 44,8±10% и 55,2±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.7, отличающийся тем, что замедлителем является термостойкое и пассивное к реагирующим компонентам вещество в мелкодисперсном состоянии, например, аэросил - мелкодисперсная окись кремния, сухой оксид железа, цинка.