Способ испытаний боеприпасов на медленный нагрев Российский патент 2024 года по МПК F42B35/00 G01N7/16 G01N25/50 

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, конкретно к способам определения стойкости боеприпасов к внешним тепловым воздействиям.

Разработка боеприпасов (БП), обладающих повышенной стойкостью к опасным внешним воздействиям, в настоящее время является одной из важнейших, задач, стоящих перед оборонно-промышленным комплексом [1]. БП разрабатываемых конструкций, а также используемые для их снаряжения взрывчатые вещества (ВВ) и метательные составы наряду с химической стойкостью, обеспечивающей длительное хранение, должны обладать определенной стойкостью к быстрому и медленному нагреву, удару пули, осколка, веера осколков, кумулятивной струи, симпатической детонации и сбросу с высоты.

Испытание БП на стойкость к медленному нагреву моделирует, в частности, их поведение при наличии источника высокой температуры за определенной преградой, например пожара вблизи носителя, - танка, боевой машины пехоты, летательного аппарата, орудийной башни судна, за стеной хранилища и т.п.

Медленный нагрев БП, продолжающийся длительное время, несмотря на возникающие относительно низкие градиенты температуры в нем, может привести к инициированию экзотермической самоподдерживающейся реакции не только за счет непосредственного нагрева заряда ВВ/метательного состава до высокой температуры, но также и за счет сопутствующего нагреву процесса термического разложения.

Достаточно широко используемые в настоящее время методы математического моделирования /2/ не в состоянии полностью описать процессы внешних воздействий на БП, поведение элементов его конструкции под соответствующими «нагрузками». Поэтому в любом случае наряду с математическим моделированием необходимо проведение конкретных натурных испытаний БП с использованием соответствующих методов, технических устройств и измерительной техники.

В настоящее время известен ряд способов и конструкций устройств для осуществления медленного нагрева БП при испытаниях. Например, способ /3/ определения характеристик самопроизвольного срабатывания пиротехнических изделий включает тепловое воздействие на корпус изделия с заданным темпом нагрева до момента его самопроизвольного срабатывания и фиксацию температуры корпуса пиротехнического изделия, при которой произошло самопроизвольное срабатывание. Устройство для реализации способа содержит нагреватель с рабочей камерой, средство измерения температуры, установленное на корпусе испытываемого объекта и подключенное к регистратору температуры, источник питания регулируемой мощности, подключенный к нагревателю, который выполнен в виде теплового излучателя и размещен по внешнему контуру рабочей камеры. Рабочая камера выполнена из прозрачного электроизолирующего материала и вместе с нагревателем помещена в изолирующий кожух. Устройство обеспечивает возможность определения времени самопроизвольного срабатывания объекта испытаний в зависимости от темпа нагрева его корпуса.

К недостаткам этого технического решения следует отнести следующие:

1) Способ применим преимущественно для пиротехнических изделий, срабатывание которых не приводит к разрушению конструктивно относительно сложного испытательного устройства.

2) Способ и устройство не обеспечивают измерений температуры состава заряда внутри корпуса испытываемого объекта, а также не учитывают предшествующую срабатыванию интенсивность термического разложения пиротехнического состава. Фиксация самопроизвольного срабатывания изделия осуществляется только по косвенному «конечному результату» - внешней температуре корпуса. Т.е. непосредственное тепловое состояние заряда, химическая стойкость состава заряда при нагреве здесь не подконтрольны.

3) Конструктивная сложность устройства.

Установка для исследования объектов при высоких температурах /4/ содержит рабочую бронекамеру и практически пригодна для испытания на медленный нагрев БП, снаряженных ВВ. Однако вышеперечисленных недостатков она не лишена. Кроме того, в ней для нагрева БП используется горение жидкого топлива, требующее достаточно сложных устройств для регулирования теплового поля внутри бронекамеры, а также приводящее к экологическому загрязнению окружающей среды.

В странах-участниках НАТО в соответствии с соглашением STANAG 4382 (slow heating, munition test procedure) испытание на медленный нагрев БП проводится преимущественно в специальных одноразовых и достаточно сложных по конструкциям электронагревательных установках [5]. В связи с тем, что исходом испытаний считается обязательная реакция БП на нагрев в виде горения или взрыва его снаряжения, в результате чего установка разрушается, наряду с недостатками вышеописанных устройств /3, 4/ реализация способа испытаний с осуществлением его на подобных установках, требует высоких материальных затрат.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ испытаний боеприпасов на медленный нагрев, включающий помещение боеприпаса в нагревающее устройство, последующий нагрев с заданной скоростью прироста температуры и сопутствующий ему контроль температуры внутри нагревающего устройства, на поверхности и в полости боеприпаса /6/.

Данный способ осуществляется с применением достаточно простой по конструкции установки медленного нагрева БП, содержащей заполняемый песком контейнер, в центре которого в песок помещен испытываемый БП, размещенный по внутренним стенкам корпуса и сверху огнестойкий теплоизоляционный материал, установленный под БП в песке трубчатый электрический нагреватель (ТЭН), соединенный с расположенным вне установки регулятором, три термопары, связанные с контрольно-измерительным/регистрирующим устройством за пределами корпуса установки, установленные соответственно на внешней поверхности БП, на торце разрывного заряда под холостой пробкой, и непосредственно в песке, а также комплект фото- и видеоаппаратуры.

В отличие от способов медленного нагрева - аналогов /3…5/, практическая реализация этого способа более проста в конструктивном обеспечении, дешева и требует малых временных затрат на сборку соответствующей установки. Кроме того, предложенное техническое решение позволяет регистрировать не только температуру внешней стенки БП, но и поверхности взрывчатого состава со стороны холостой пробки.

Начало реакции заряда БП на медленный нагрев, приводящей к его срабатыванию (взрыву), проявляется в резком возрастании разницы температур стенки снаряда (торца заряда) и температуры песчаной засыпки, что и фиксируется соответствующим контрольно-измерительным регистрирующим устройством.

Однако, контроль только теплового состояния заряда по мере медленного нагрева не учитывает предшествующие срабатыванию процессы термического разложения как самого ВВ, так и иных, входящих в состав БП материалов и конструкционных компонентов.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений и безопасности проведения испытаний, с одновременным сохранением используемого оборудования.

Решение задачи достигается тем, что в известном способе испытаний БП на медленный нагрев, включающем помещение БП в нагревающее устройство, последующий нагрев с заданной скоростью прироста температуры и сопутствующий ему контроль температуры внутри нагревающего устройства, на поверхности и в полости БП, в соответствии с изобретением дополнительно осуществляют контроль давления в полости БП, а в случае унитарного БП - в его гильзе.

Сущность изобретения может быть пояснена следующим образом.

В случае неизменного состава, состояние находящейся в полости БП (гильзе унитарного БП) газовой среды (воздуха), при относительно низких температурах, описывается уравнением Клапейрона-Менделеева:

где Р - давление газовой среды, Па;

V - объем полости, м³;

М - масса газа, кг;

μ - молекулярная масса воздуха, 28,96 кг/кмоль;

R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль*К

Т - абсолютная величина температуры, К.

Или же

где - количество воздуха в полости, моль.

При испытаниях БП на медленный нагрев, объем его внутренней полости V при изменении температуры остается неизменным. Т.е. процесс изохорический:

Из уравнения (2) следует, что при нагреве газовой смеси от некоторой температуры Т₁ до температуры Т₂ соотношение между исходной величиной давления Р₁ и полученной в результате нагрева величиной давления в полости БП Р_ПБ будет определяться как

Или же

Так как в случае нагрева

выражение (6) можно представить в виде:

Величина ΔT, естественно, является некоторой функцией от времени нагрева, ΔT=ƒ(t_H), где t_H - время нагрева. В случае же условий проведений испытаний БП на медленный нагрев, эта функция по определению является линейной, т.е.:

где С - заданная условиями испытаний скорость нагрева БП, К/мин.

С учетом выражения (8) зависимость (7) можно представить в виде

откуда можно вычислить скорость изменения давления в полости БП (гильзе):

Вышеприведенная расчетная величина скорости изменения давления справедлива для случая отсутствия термического разложения заряда ВВ БП или метательного состава, находящегося в гильзе.

Однако, при нагреве заряда ВВ БП до температуры относительно близкой к температуре плавления и выше, начинается предшествующее взрыву интенсивное его термическое разложение [7, 8], сопровождаемое быстрым накоплением в свободной полости преимущественно газообразных продуктов.

Например, термический распад тротила (тринитротолуола), имеющего температуру вспышки 290°С, в интервале температур 220…270°С идет с самоускорением, которому при низких температурах иногда предшествует значительный по длительности индукционный период. Чем выше температура, тем больше максимум скорости и тем быстрее он достигается. Скорость газообразования растет пропорционально количеству образовавшихся продуктов распада, а их давление Р_ПР возрастает по времени t (от начала данного процесса) по показательному закону:

где А - предэкспоненциальный множитель - константа, соответствующая для данного ВВ давлению продуктов термического распада в начальный момент времени t=0, Па;

е=2,71828 - основание натуральных логарифмов;

k - константа ускорения, 1/с, определенная для тротила как

Аналогичным образом описываются процессы термического разложения как иных ВВ и их смесей, используемых для снаряжения БП, так и размещаемых в гильзах метательных составов (в случае унитарных БП, и выстрелов раздельно-гильзового заряжания).

Таким образом, скорость прироста давления продуктов термического разложения dP_ПР/dt будет определяться по зависимости:

Тогда, в силу действия закона Дальтона, в соответствии с которым общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений всех входящих в нее газов, начиная с момента начала термического разложения ВВ заряда давление газовой смеси в полости БП будет определяться с учетом зависимостей (9) и (11) как сумма:

А скорость его изменения, соответственно:

Следует отметить, что выражения (14, 15) не учитывают термическое разложение лакокрасочного покрытия внутренних полостей БП, а в случае гильзы - воспламенительного состава, пламегасителя, флегматизатора и других, находящихся внутри ее полости материалов. Поэтому в случае начала термического разложения, т.е. появления в полости БП (гильзе) дополнительных газовых компонентов, по закону Дальтона давление Р_Σ будет иметь величину большую, чем определяемую выражением (14). И, соответственно, скорость его изменения будет выше, чем определенная по зависимости (15).

В соответствии с вышеприведенным уравнением Клапейрона-Менделеева (1) при изохорическом процессе прирост давления в полости БП за счет появления газообразных продуктов термического разложения приведет к повышению температуры газовой смеси вне зависимости от внешнего теплового источника. Это, в свою очередь, ускорит скорость термического разложения описываемую зависимостью (11) и сопутствующий ему прирост температуры, - т.е. будет осуществляться саморазвивающийся процесс вплоть до соответствующего взрыва заряда ВВ БП, или возгорания метательного состава в гильзе унитарного БП. Именно поэтому давление газовой смеси в полости БП (гильзе), генерируемое за счет термического разложения его конструктивных компонентов, является при определенных условиях основным фактором, определяющим условия безопасности при медленном нагреве БП.

Величина давления газовой смеси Р_Σ в полости БП и скорость его изменения dP_Σ/dt_H, наряду с тепловыми условиями процесса, могут быть измерены, зафиксированы с помощью контрольно-измерительной/регистрирующей аппаратуры, и служить дополнительными факторами, уточняющими способность БП выдерживать условия медленного нагрева в течении определенного безопасного промежутка времени.

Для проведения испытаний может использоваться установка [6] с небольшими доработками.

Для пояснения работы способа изобретение дополнено следующей графической информацией:

На фиг. 1 в качестве примера представлен вариант возможной схемы реализации способа на примере БП раздельно-гильзового выстрела.

На фиг. 2 - вариант возможной схемы реализации способа на примере унитарного БП.

Для упрощения изображений комплект фото- и видеоаппаратуры на фиг. 1, а также контрольно-измерительное/регистрирующее устройство и отдельные элементы измерительных цепей на фиг. 2 условно не показаны.

Для проведения испытаний БП 1 помещают в центральной части нагревающего устройства 2, коробчатый контейнер которого 3 по внутренним стенкам и сверху защищен огнестойким теплоизоляционным материалом 4, и заполнен песком 5. В нижней части корпуса в песке установлен ТЭН 6, соединенный с расположенным вне установки в безопасной зоне регулятором 7. Необходимые для контроля тепловых процессов в ходе испытаний три термопары 8 имеют электрическую связь с контрольно-измерительным/регистрирующим устройством 9, также расположенным в безопасной зоне за пределами корпуса установки. Внутри установки термопары 8 располагаются соответственно на внешней поверхности боеприпаса, на торце разрывного заряда БП под холостой пробкой 10, и непосредственно в песке 5. Датчик давления 11 монтируется на холостой пробке или на корпусе гильзы 12 унитарного БП (фиг. 2), с помощью предварительно выполненного резьбового отверстия, сообщающегося с полостью БП или гильзы, и также соединен электрической связью с контрольно-измерительным/регистрирующим устройством.

Подготовка к испытаниям и реализация процесса испытаний БП на медленный нагрев по предлагаемому способу осуществляются следующим образом.

Контейнер 3 нагревающего устройства 2 собирается из легкодоступных дешевых материалов типа древесностружечной плиты или фанеры. Размер его подбирается исходя из возможности размещения испытываемого БП 1 и ТЭНа 6. При этом в качестве донного элемента корпуса может быть использован выровненный участок грунта испытательной площадки.

По внутренним стенкам контейнера 3 и на дне размещается огнестойкий теплоизоляционный материал 4, например маты из стекло- или минеральной ваты, после чего корпус частично заполняют песком 5 (порядка 0,25 его высоты), на который укладывается ТЭН 6. Провода линии электропитания нагревателя выводятся наружу к регулятору 7 и источнику напряжения или через отверстие в стенке корпуса, или через его верхнюю часть, после чего ТЭН 6 равномерно засыпается песком 5 с толщиной слоя, приблизительно равной ранее засыпанному.

На торцовой части разрывного заряда БП 1 закрепляют одну из термопар 8. Провод ее измерительной цепи пропускают через отверстие холостой пробки 10, пробку аккуратно ввинчивают в очко корпуса БП 1, отверстие в пробке герметизируют, например силиконовым герметиком. Датчик давления 11 ввинчивают в предварительно выполненное отверстие в холостой пробке.

Вторую из термопар 8 закрепляют на внешней поверхности корпуса БП 1, а для контроля температуры песчаной засыпки в процессе нагрева третью из термопар 8 размещают в песке 5 без контакта с корпусом БП и теплоизолирующим материалом 4.

Корпус БП 1 укладывают на слой песка 5 горизонтально над ТЭНом 6 и частично присыпают песком.

Провода измерительных цепей от термопар 8 и датчика давления 11, выводятся из корпуса наружу и по соответствующим линиям связи соединяются со входами контрольно-измерительного/регистрирующего устройства 9, а один из его выходов соединяют с регулятором 7 для обеспечения управления работой ТЭНа 6 и соответствующей условиям испытаний скорости нагрева БП 1.

Подготовленный таким образом к испытаниям БП 1 аккуратно засыпается песком 5 вплоть до почти полного, с учетом толщины теплоизоляционного материала, заполнения контейнера 3, после чего песок накрывается верхним слоем теплоизоляционного материала 4.

Проверяется целостность измерительных цепей, электрических цепей питания аппаратуры, связь регулятора с контрольно-измерительным/регистрирующим устройством.

По завершению сборки установки на ТЭН 6 через регулятор 7 подается напряжение питания, вследствие чего осуществляется нагрев песчаной засыпки 5 корпуса 3 и размещенного в ней БП 1 с заданной интенсивностью (от 3,3°С/ч по отечественным методикам, до 6°С/ч по методике STANAG 4382).

С помощью термопар 8 и контрольно-измерительного/регистрирующего устройства 9 осуществляется постоянный мониторинг температуры и скорости ее изменения в слое песка 5, на поверхности БП 1, на торце разрывного заряда внутри корпуса БП. Посредством датчика давления 11 непрерывно измеряется давление в полости БП (гильзы), а также скорость его изменения.

Резкое возрастание как непосредственной величины давления, так и скорости его прироста, заряда является признаком, предваряющим начало реакции взрывного разложения вещества заряда БП, что фиксируется посредством контрольно-измерительного/регистрирующего устройства 9, и с помощью комплекта фото- и видеоаппаратуры в случае доведения процесса испытаний вплоть до взрыва ВВ, или возгорания метательного состава гильзы.

Таким образом, предложенный способ позволяет получить более точные характеристики процессов, происходящих при медленном нагреве БП, т.к. наряду с контролем температуры он учитывает и явления, сопутствующие термическому разложению входящих в его конструкцию компонентов, что с помощью контрольно-измерительной/регистрирующей аппаратуры может быть измерено и зафиксировано. Причем, с необязательным доведением процесса нагрева до подрыва БП. При фиксации начала прироста давления газовой смеси в полости БП, предшествующей взрыву его заряда, процесс нагрева может быть своевременно прекращен. Наряду с повышением точности измерений это, в свою очередь, позволит повысить безопасность проведения испытаний, с одновременным сохранением используемого оборудования.

Источники информации, принятые во внимание при описании заявки:

1. Мацеевич Б.В. и др. Боеприпасы повышенной стойкости к опасным внешним воздействиям: особенности конструирования, испытаний и эксплуатации - Красноармейск: ОАО «КНИИМ», 2014, - 168 с.

2. https://www.researchgate.net/publication/322881153_Modeling_of_Ther-mal_Reactions_and_Associated_Events.

3. Патент РФ №2583979, F42B 35/00, G01N 25/50, Способ определения характеристик срабатывания пиротехнических изделий при термических воздействиях и устройство для его реализации, 2016.

4. Патент РФ №2367934 С1, F42B 35/00, G01N 25/00, F27B 17/02, Установка для исследования объектов при высоких температурах, 2009.

5. STANAG 4382. Slow Heating Survey and Historical Review. Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium - Portland, OR, USA - April 2018.

(https://ndiastorage.blob.core.usgovcloudapi.net/ndia/2018/imem/20080_Baker_Presentation.pdf).

6. Патент РФ №2691782, F42B 35/00, G01N 25/00, Установка медленного нагрева боеприпаса, 2019 - прототип.

7. Андреев К.К. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ - М: Наука, 1966, - 349 с., ил.

8. Манелис Г.Б., Назин Г.М., Рубцов Ю.И., Струнин В.А. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ и порохов - Москва: Наука, 1996, - 223 с.: ил.

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, конкретно к способам определения стойкости боеприпасов к внешним тепловым воздействиям. Способ испытаний боеприпасов на медленный нагрев включает помещение боеприпаса в нагревающее устройство, последующий нагрев с заданной скоростью прироста температуры и сопутствующий ему контроль температуры внутри нагревающего устройства, на поверхности и в полости боеприпаса. В процессе нагрева дополнительно осуществляют контроль величины давления и скорости его прироста в полости боеприпаса, а в случае унитарного боеприпаса – в его гильзе, с возможностью фиксации изменения давления, предшествующего взрыву заряда боеприпаса. Технический результат заключается в повышении точности измерений и безопасности проведения испытаний, с одновременным сохранением используемого оборудования. 2 ил.

Способ испытаний боеприпасов на медленный нагрев, включающий помещение боеприпаса в нагревающее устройство, последующий нагрев с заданной скоростью прироста температуры и сопутствующий ему контроль температуры внутри нагревающего устройства, на поверхности и в полости боеприпаса, отличающийся тем, что в процессе нагрева дополнительно осуществляют контроль величины давления и скорости его прироста в полости боеприпаса, а в случае унитарного боеприпаса – в его гильзе, с возможностью фиксации изменения давления, предшествующего взрыву заряда боеприпаса.