Пиротехническая композиция, создающая инфракрасное излучение Российский патент 2024 года по МПК C06D3/00 C06B33/00 

Изобретение относится к методам индивидуальной защиты летательных аппаратов от высокоточных средств поражения, оснащенных головками самонаведения.

Для защиты самолетов и вертолетов от ракет с инфракрасной (ИК) головкой самонаведения в настоящее время широко используются запускаемые с самолетов авиационные помеховые патроны (АПП) - источники оптической ложной тепловой цели (ЛТЦ), содержащие пиротехнические композиции, создающие при горении излучение с ИК характеристиками, аналогичными характеристикам излучения двигателя самолета. ЛТЦ являются одним из наиболее эффективных, надежных и экономичных средств защиты от самонаводящихся ракет.

Известные источники оптических ложных целей обычно содержат пиротехнические составы, содержащие органический связующий компонент, спрессованные в брикеты или таблетки или нанесенные на фольгу, пленку или тонкие пластинки. При обнаружении приближающейся к цели ракеты из пускового устройства защищаемого объекта вылетает источник с пиротехнической композицией (ПК), воспламеняется и образует оптическую ложную тепловую цель. Горение происходит по всей поверхности брикета ПК, создавая интенсивный инфракрасный источник в требуемом диапазоне длин волн, который может увести инфракрасную систему самонаведения ракеты от цели.

Наиболее распространенными в настоящее время и применяемые в различных странах в качестве источника ЛТЦ являются составы на основе магния, политетрафторэтилена и витона, так называемые MTV-композиции, изготавливаемые в виде таблеток, тонких пластинок с нанесенными на них композициями из этих материалов. В настоящее время на основе MTV композиций для защиты различных типов самолетов создано целое семейство АПП, например, MJU-7A/B, MJU-8A/B, MJU-53/B (США), PPI-50-1, PPI-50-3, PPI-26 (РФ), FG-3,FG-5 (Израиль), М-206, М-211 и др.

MTV-композиции получают прессованием при высоком давлении и последующей термообработкой при высокой температуре или в ряде случаев экструзией при давлении до 34 МПа и температуре до 177 °C (патенты США № 6675716, № 9000560). Эти композиции довольно широко и детально исследовали E.-Ch. Koch с сотрудниками (пат. США № 6635130, 6675716, № 7404867).

Проблема MTV-композиций состоит в том, что они очень чувствительны к трению, удару и электростатическому разряду. Они требуют серьезной защиты оператора во время разгрузки смесителя, загрузки в сушильный шкаф и операций по разделению материала на части. Для изготовления композиций требуются дорогие компоненты: связующие (полиароматические соединения, полистирол, каучуки, нитроцеллюлоза) и сферический магний (пат. США 6312625). Кроме того, новые поисковые системы антиавиационных ракет противника способны распознавать спектральные характеристики давно используемых MTV-ловушек и игнорировать их.

Для устранения этих недостатков было предложено заменить в MTV-композициях часть витона, используемого в качестве технологической добавки, на полиароматические термопласты (пат. США № 6312625, № 6432231). Композицию можно получить экструзией. Кроме того, при пиролизе полиароматических термопластов во время горения образуются частицы углерода, что повышает радиантное излучение в ближнем (2,0-2,6 мкм) и среднем (3,2-4,8 мкм) ИК диапазоне длин волн.

В последнее время исследуются пиротехнические композиции с ИК излучением, в которых магний заменен на алюминий, так называемые ATV-композиции. Пиротехнические реакционные ATV-композиции на основе алюминия и фторполимеров - политетрафторэтилена (ПТФЭ), полимонофторуглерода, поливинилиденфторида для создания ложных целей описаны в патентах США US № 6635130, № 6312625, № 6432231. Как следует из публикаций [Elsaidy A. et al. Infrared Spectra of Aluminum Fluorocarbon Polymer Compositions to Thermal Signature of Jet Engine. Journal of Material Sciences. 2018. v. 6. № 3. pp. 189-197; Elbasuney S. et al.. Infrared Signature of Novel Super-Thermite (Fe₂O₃/Mg) Fluorocarbon Nanocomposite for Effective Countermeasures of Infrared Seekers Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. 2018. v.28, № 5. - pp. 1718-1727], реакционные композиции, описанные в патентах US № 6547993, № 6593410, могут быть использованы в качестве источника ЛТЦ. В европейских патентах ЕР № 1090895, № 1129054 и № 0948735. В патентах US № 10173944 и US № 11014859 предложены литьевые композиции для создания ЛТЦ на основе 20-30 % перфторполиэфиров с концевыми гидроксильными группами, 50-70 % алюминия или сплава алюминия с магнием с добавкой отвердителя - диизоцианата и ароматических соединений. Основная реакция протекает по схеме 4Al + 3(CF₂-CF₂) → 4AlF₃ + 6C.

К недостаткам этих композиций можно отнести относительно большое время задержки воспламенения (ВЗВ), а также меньшее содержание фтора по сравнению с содержанием фтора в ПТФЭ и недостаточную продолжительность горения. Это снижает теплоту реакции и уменьшает интенсивность ИК излучения.

Наиболее близким к сущности данного изобретения и выбранные нами в качестве прототипа являются ЛТЦ на основе термитов из смеси алюминия с оксидами железа, кальция, вольфрама, магния, изготовленных в виде тонких пластинок (US 7441503 B1, опубл. 28.10.2008). Преимущество таких композиций состоит в том, что после окончания реакции в термитах образовавшийся горячий металл испускает, главным образом, вторичное ИК излучение и незначительное излучение в видимом и УФ-диапазонах спектра. Кроме того, облако из нагретых пластинок имеет относительно продолжительное существование, поэтому нет необходимости в использовании композиций с медленной скоростью горения.

Недостаток термитных композиций для ЛТЦ заключается в том, что прессованные тонкие пластинки имеют недостаточную прочность и при выстреле, вероятно, дробятся на мелкие фрагменты, в результате чего быстро остывают и прекращают создавать ИК излучение в заданное время. Введение связующих (политетрафторэтилен, бутилкаучук, поливинилацетат) для повышения прочности приводит к снижению скорости реакции. Кроме того, при сгорании термитов появляется слабое УФ-излучение, и головка самонаведения ракеты может селектировать цель.

Целью данного изобретения является создание блоков пиротехнической композиции с ИК-излучением с малым ВЗВ и большим временем горения, чем в существующих MTV- и ATV-композициях и ИК-характеристиками, близкими к ИК-характеристикам защищаемых объектов.

Поставленная цель достигается тем, что предложена пиротехническая композиция, являющаяся источником инфракрасного излучения для создания ложной тепловой цели, на основе алюминия и оксида железа, характеризующаяся тем, что дополнительно содержит фторопласт Ф-42 и графит при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Фторопласт Ф-42 30-40 Алюминий фракции от 0,2 до 10 мкм 35-45 Оксид железа (III) 15-25 Графит 6, свыше 100 % основной композиции

Новизна изобретения заключается в том, что добавление термитной смеси позволяет увеличить скорость и интенсивность горения ПК, что обеспечивает выход на режим в течение 0,5 с и увеличивает время горения ПК до 4 с. Кроме того, использование фторопласта Ф-42, имеющего температуру размягчения около 150 °С вместо ПТФЭ, который не плавится и блоки которого с алюминием и другими металлами получают спеканием при температуре 370-380 °С, позволило снизить температуру горячего прессования до 200 °С.

Для проведения испытаний и выбора оптимальной композиции были изготовлены таблетки пиротехнических композиций диаметром 9 мм и высотой 6 мм с разным содержанием компонентов. Способ получения композиций приведен в примере 1.

Пример 1

Соотношение компонентов Ф-42В: Fe₂O_3: алюминий АСД-4 = 35: 22,5: 42,5 мас. %.

В чашу шаровой планетарной мельницы загружают предварительно взвешенные

компоненты в расчете на 10 г композиции и добавляют 30 мл гексана. Смесь интенсивно перемешивают при 180 об/мин в течение 60 мин. После чего композиция извлекается из чаши и выдерживается до постоянной массы в сушильном шкафу при 50 °С. 1 г высушенного порошка помещают в пресс-форму диаметром 9 мм, и нагревают при температуре 200 °С в течение 180 мин, после чего нагретый порошок прессуют при 0,8 МПа и получают таблетку диаметром 9 мм и высотой 6 мм.

Аналогично получали таблетки при других соотношениях компонентов одинаковой массы, но в зависимости от состава с небольшими отклонениями по высоте. Состав композиций приведен в табл. 1. Состав композиций 10-12 находятся за пределами заявляемого диапазона соотношений компонентов.

Проведены эксперименты с различными вариантами разработанных композиций и прототипа (табл. 1) с определением параметров времени задержки самовоспламенения (ВЗВ), времени горения и температуры горения.

ВЗВ определяли по времени самовоспламенения таблетки после ее помещения в муфельную печь, нагретую до 550 °С и до момента вспышки. Время и продолжительность горения определялось с помощью тепловизора Flir SC660. Инициирование горения осуществлялось с помощью нагретой нихромовой проволоки.

В табл. 1 приведены результаты испытания ПК различного состава, полученных по разработанной технологии.

Таблица 1. Составы ПК и результаты испытания образцов

№ образца Содержание компонентов, % ВЗВ, относит. единицы Время горения образца, с Максималь-ная темпе-ратура горения, °С Ф-42В Fe₂O₃ АСД-4 УДА АСД-6 прототип 35 ПТФЭ - 65 - - 1,00 0,7 1760 1 30 25 45 0,58 3,0 1700 2 32 25 43 - - 0,48 3,2 1680 3 35 22,5 42,5 - - 0,48 3,6 1670 4 35 22,5 - 42,5 - 0,40 3,0 1680 5 35 22,5 - - 42,5 0,45 3,4 1670 6 35 22,5 32,5 10 - 0,44 3,4 1670 7 38 22 40 - - 0,45 3,8 1650 8 40 22 38 - - 0,50 3,9 1660 9 40 20 40 - - 0,50 3,8 1650 10 28 25 47 - - 0,54 1,7 1720 11 42 27 31 - - 0,62 2,9 1650 12 40 12 48 - - 0,60 3,1 1700

Исходя из полученных результатов выявлено, что наилучшим образом проявили себя композиции со следующим соотношением компонентов, мас. %: фторопласт Ф-42 - 30-40, алюминий - 35-45, оксид железа (III) - 15-25.

Можно сделать вывод, что при недостаточном содержании фторопласта (менее 30%), наблюдается снижение времени горения образца, вызванное его фрагментацией. В свою очередь, при избыточном содержании фторопласта (более 40%), увеличивается ВЗВ и уменьшается скорость самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Содержание оксида железа(III) менее 15% негативно сказывается на скорости горения образца и полноте реакции, что объясняется наличием свободного алюминия в продуктах реакции. Содержание оксида железа(III) выше 2 % влечет за собой увеличение скорости горения образца, что негативно сказывается на времени его жизни.

Содержание алюминия менее 35% влечет за собой снижение температуры и скорости горения, что говорит о недостаточном количестве «горючего» в системе. При избыточном содержании «горючего» (более 45% алюминия) происходит его неполное сгорание, тем самым образуется балласт в исходной системе, что негативно сказывается на времени горения образца.

Из данных таблицы следует, что варианты заявленной композиции превосходят прототип по времени задержки воспламенения, которое меньше в 1,7-2,2 раза, и по времени горения в 2,4-5,5 раза.

По результатам испытаний были выбраны наиболее перспективные композиции для изготовления АПП и определения интенсивности их излучения в ИК-диапазонах 1,8-6,0 мкм и 3,0-6,0 мкм. По отработанной технологии приготовлены смеси порошков и в специальной пресс-форме прессованием при температуре 200 °С и давлении 20 МПа изготовлены источники ЛТЦ для АПП, форма и габариты которых приведены на фиг.1 (схема источника АПП. а - вид сбоку, б - вид с торца).

Интенсивность излучения АПП в ИК-диапазоне длин волн λ₁ = 1,8-6,0 мкм и λ₂ = 3,0-6,0 мкм определяли с помощью радиометра ИКР-4. Результаты испытаний АПП с заявленными композициями, а также данные используемого в настоящее время патрона PPI-50-1 приведены в табл.2. В патроне PPI-50-1 используется MTV-композиция. PPI-50-1.

Таблица 2. Результаты испытаний АПП, снаряженными заявленными композициями

№ образца Состав ИК-источника, % I, Вт/ср·г в диапазоне длин волн, мкм Т_гор. K Ф-42В Fe₂O₃ УДА АСД-4 АСД-6 1,8-6,0 3,0-6,0 1 35 22,5 42,5 - - 240 76 2700 2 35 22,5 - 42,5 - 190 63 2500 3 35 22,5 - - 42,5 164 54 2600 4 35 22,5 10 32,5 - 216 72 2500 PPI-50-1 102 39 2000

Обозначения: I - интенсивность излучения, Т_гор. - эффективная температура горения.

Таким образом, результаты экспериментов подтверждают эффективность разработанной пиротехнической композиции с ИК-излучением и возможность ее использования в качестве тепловой ложной цели.

Изобретение относится к методам индивидуальной защиты летательных аппаратов от высокоточных средств поражения, оснащенных головками самонаведения. Пиротехническая композиция на основе алюминия и оксида железа является источником инфракрасного излучения для создания ложной тепловой цели. Композиция дополнительно содержит фторопласт Ф-42 и графит при следующем соотношении компонентов, мас. %: фторопласт Ф-42 30-40; алюминий фракции от 0,2 до 10 мкм 35-45; оксид железа (III) 15-25; графит 6, свыше 100 % основной композиции. Обеспечивается создание блоков пиротехнической композиции с инфракрасным излучением с малым временем задержки воспламенения и большим временем горения, чем в существующих MTV- и ATV-композициях, и инфракрасными характеристиками, близкими к инфракрасным характеристикам защищаемых объектов. 1 ил., 2 табл.

Пиротехническая композиция, являющаяся источником инфракрасного излучения для создания ложной тепловой цели, на основе алюминия и оксида железа, характеризующаяся тем, что дополнительно содержит фторопласт Ф-42 и графит при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Фторопласт Ф-42 30-40 Алюминий фракции от 0,2 до 10 мкм 35-45 Оксид железа (III) 15-25 Графит 6, свыше 100 % основной композиции