книги / Физико-химические свойства взрывчатых веществ, порохов и твердых ракетных топлив

мируется или разрушается, что приводит также к деформации разрывного заряда, но без его разрушения. Вследствие этого увеличивается площадь контакта ВВ с поверхностью цели и повышается эффективность ее поражения. При значительной толщине брони применение пластичных ВВ существенно увеличивает откольное действие боеприпасов (образование поражающих осколков с тыльной стороны брони без ее сквозного пробития).

Аммонийно-селитряные ВВ (аммониты). Аммониты

(АСВВ) представляют собой механические смеси аммонийной селитры NH4NO3, являющейся окислителем, с различными горючими, в качестве которых могут быть использованы как взрывчатые, так и невзрывчатые вещества.

Применение аммонитов обусловливается причинами чисто экономическими, так как аммонийная селитра производится для нужд народного хозяйства в огромных количествах и является дешевым веществом.

По составу аммониты делятся на классы:

1)аммотолы: МН4 NO3 + тротил;

2)шнейдериты (динафтиты): МН4 NO3 + динитронафталин;

3)беллиты: МН4 NO3 + динитробензол;

4)аммоналы: МН4 NO3 + ВВ + алюминий;

5)динаммоны: МН4 NO3 + невзрывчатое горючее и др. Наибольшее применение в военном деле имеют аммотолы,

вменьшей степени – шнейдериты.

Аммонийная селитра – основной компонент аммонитов, содержание ее в смесях составляет от 40 до 90 %. В связи с этим свойства аммонитов в значительной степени определяются свойствами аммонийной селитры, которая представляет собой белое кристаллическое вещество с температурой плавления 169,9 °С.

Аммиачная селитра существует в виде нескольких кристаллических модификаций; из них наибольшее значение по влиянию на свойства АСВВ имеют четыре, переходящие одна другую при температурах –16, +32 и +87 °С. При переходе изменяется не только форма кристаллов, но их величина и удельный объем вещества.

51

Аммиачная селитра весьма гигроскопична. Водяные пары, поглощаемые из атмосферы, конденсируются на поверхности отдельных кристаллов и растворяют поверхностные слои соли с образованием насыщенного раствора. При испарении влаги (в случае уменьшения относительной влажности воздуха) из насыщенного раствора выделяются кристаллы, которые скрепляют соприкасающиеся частицы селитры. В результате повторного увлажнения и высыхания кристаллы селитры все прочнее связываются, происходит процесс уплотнения, слеживания аммиачной селитры. После длительного хранения при переменной влажности селитра превращается в монолит, с трудом поддающийся дроблению.

Чувствительность аммиачной селитры к детонации очень мала; соответственно, устойчивая детонация ее имеет место только при большом диаметре заряда или при помещении его в массивную оболочку. Чувствительность АСВВ к детонации уменьшается по мере их слеживания. Поэтому нельзя готовить АСВВ для длительного (многолетнего) хранения, а боеприпасы снаряжают ими только в военное время, когда они быстро расходуются.

Состав аммонитов определяется главным образом их конкретным назначением и способом снаряжения. Еще задолго до Первой мировой войны были известны многочисленные составы АСВВ и некоторые ценные их качества. Во время Первой мировой войны, после того как обнаружился острый недостаток во взрывчатых веществах, быстро подобрали подходящие составы АСВВ и освоили снаряжение ими боеприпасов. Наибольшее значение приобрели с самого начала и сохранили до Второй мировой войны смеси аммиачной селитры с тротилом, получившие название амматолов. Эти смеси содержали от 40 до 80 % селитры и от 20 до 60 % тротила. Из-за высокой гигроскопичности аммониты не рассчитаны на длительное хранение и для снаряжения артиллерийских боеприпасов применяются лишь в военное время. При этом обязательна надежная герметизация разрывных зарядов, например, тротиловой «пробкой».

52

Состав предохранительных ВВ, применяемых для работы в угольных шахтах, опасных по газу и пыли, подобран таким образом, чтобы при взрыве не происходило воспламенение газо- и пылевоздушных смесей. Это достигается понижением бризантного и фугасного действия и температуры взрыва путем введения в состав ВВ хлористого натрия или калия. (Например, предохранительный водоустойчивый аммонит АП-5ЖВ имеет 70 % аммиачной селитры + 18 % тротила + 12 % хлористого натрия или калия). От предохранительных, как и от других ВВ, допущенных для подземных работ, требуется, чтобы количество образующихся при взрыве ядовитых газов (NО2 и СО) не превосходило установленных норм.

Хлоратные и перхлоратные ВВ. Хлоратные и перхлорат-

ные взрывчатые вещества состоят из смеси солей хлорноватой или хлорной кислоты с горючими. Преимущественно применя-

ют КСlO3, КСlO4 и NH4ClO4.

Хлоратные взрывчатые вещества привлекают к себе внимание потому, что содержащийся в них окислитель – бертолетова соль может быть легко получен в больших количествах из недефицитного сырья.

Однако возможность их применения для снаряжения боеприпасов сильно ограничена из-за большой чувствительности к механическим воздействиям. Их применяли во время Первой мировой войны во Франции, Англии и Германии только для снаряжения минометных и бомбометных снарядов, для которых характерны малые начальные скорости и соответственно низкие напряжения в разрывном заряде в момент выстрела.

и смеси на основе двуокиси азота или дымящей азотной кислоты. Оксиликвиты представляют собой патроны из горючего компонента-поглотителя, пропитанные жидким кислородом. Пропитывание оксиликвитных патронов для военно-инже- нерных или промышленных взрывных работ производится не-

53

посредственно перед их применением. Такие патроны в результате энергичного испарения жидкого кислорода сравнительно быстро теряют взрывные свойства. В зависимости от размеров патрона и условий применения «продолжительность жизни» его составляет от нескольких минут до 1–1,5 ч. Эта особенность оксиликвитов исключает их применение в боеприпасах.

Взрывчатые смеси на основе двуокиси азота обладают значительной мощностью, но вследствие высокой чувствительности, летучести и сильной ядовитости двуокиси азота их применение ограничено: они применялись во Франции во время Первой мировой войны для снаряжения авиабомб. В качестве горючего применяли нитробензол, жидкие углеводороды и другие органические вещества. Оба компонента располагали раздельно, а смешивали их с помощью специального механизма после сбрасывания бомбы с самолета.

1.4. Метательные ЭКС

Метательные ЭКС являются источниками энергии движения снарядов ствольных систем и ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ). Другое их общепринятое название – пороха и твердые ракетные топлива (ТРТ). Порохами и твердыми ра-

кетными топливами называются многокомпонентные твердые системы, способные к закономерному горению параллельными слоями без доступа кислорода извне с выделением значительного количества энергии и газообразных продуктов.

Пороха и ТРТ представляет собой уникальный вид энергии, сконцентрированный в виде твердого тела. Основными энергетическими характеристиками порохов являются удельная теплота их сгорания Q и удельное количество газообразных продуктов горения W0, приведенное к нормальным условиям. Работоспособность порохов, используемых в артиллерии и стрелковом оружии, оценивают силой пороха f. Энергетика ракетных порохов характеризуется величиной единичного импульса I1.

54

Одним из основных направлений повышения тактикотехнических характеристик ракетного и ствольного вооружения является создание твердых ракетных топлив и порохов с повышенными энергетическими характеристиками. Повышение значений силы пороха и удельного импульса типа ТРТ возможно за счет использования в их составах новых, более эффективных компонентов, обладающих повышенными энергетическими характеристиками с одновременной оптимизацией составов порохов и топлив.

1.4.1. Классификация современных порохов и ТРТ

В настоящее время находит практическое применение весьма большое количество порохов и ТРТ, разнообразных по природе и составу компонентов. Классификация современных порохов и ТРТ приведена на рис. 1.

55

Рис. 1. Классификация порохов и твердых топлив

Нитроцеллюлозные пороха и ТРТ представляют собой уплотненные (в процессе производства) нитраты целлюлозы, содержащие также пластификаторы и различные добавки. В отличие от порохов – механических смесей – они являются гомогенными системами.

1.4.2. Нитроцеллюлозные пороха

Пороха на основе нитратов целлюлозы, пластифицированных легколетучим спиртоэфирным растворителем, с добавками, называются пироксилиновыми (одноосновными). Существует несколько разновидностей пироксилиновых порохов.

Обыкновенный пироксилиновый порох изготавливается в виде зерен или трубок и применяется для изготовления артиллерийских зарядов (табл. 7).

Пористый пироксилиновый порох в отличие от обыкновенного имеет пористую структуру и вследствие этого большую массовую скорость горения. Беспламенный пироксилиновый порох отличается от обыкновенного лишь тем, что содержит специальные органические добавки, обеспечивающие получение беспламенной стрельбы.

Малогигроскопический пироксилиновый порох содержит гидрофобные добавки. Применяется в выстрелах раздельногильзового заряжания и в минометных выстрелах.

Кроме рассмотренных существуют пламегасящий, малоэрозионный, флегматизированный и некоторые другие пироксилиновые пороха.

56

Пороха на основе нитратов целлюлозы, пластифицированных нитроэфирами или их смесями, называются баллиститными (двухосновными).

Баллиститные пороха (табл. 8) состоят из коллоксилина (нитратов целлюлозы с содержанием азота 11,5...12,1 %) – 50...60 %, труднолетучего или нелетучего растворителя – 25...40 %, стабилизатора химической стойкости (1...3 %), гигроскопической влаги (до 0,7 %) и некоторых других компонентов.

Баллиститные пороха широко применяются для изготовления артиллерийских, минометных и ракетных зарядов.

Таблица 8

Химический состав и основные свойства низкотемпературных баллиститных ракетных топлив

57

горения от давления

Продолжение таблицы 8

Физико-механические характеристики при растяжении при Т=293 К

Пороха на смешанном (летучем и труднолетучем) растворителе называются кордитными. Кордитные пороха состоят из пироксилина № 1 (до 70 %), нитроглицерина (15...50 %), остаточного спиртоацетонового растворителя (1 ... 3 %), стабилизатора химической стойкости (до 5 %), гигроскопической влаги (до 0,8 %) и некоторых других компонентов.

Нитроцеллюлозные пороха без растворителя представляют собой взрывчатые системы, полученные нитрованием предварительно уплотненной и ориентированной целлюлозы. Поскольку в них отсутствует растворитель, они совершенно не обладают термопластичными свойствами.

58

Пороха эмульсионного приготовления состоят из нитратов целлюлозы (89 %), нитроглицерина (9 %), дифениламина

(1,0 %), влаги и добавок (l,0 %).

1.4.3. Смесевые твердые ракетные топлива

Смесевые твердые ракетные топлива (СТРТ) представляют собою гетерогенные высоконаполненные полимерные систeмы, состоящие из твердых порошкообразных наполнителей (окислителей, металлических горючих) и жидких компонентов: горючих связующих, технологических, баллистических и др. добавок.

Основу СТРТ составляет окислитель, который входит в его состав в количестве до 90 %. Основные требования, предъявляемые к окислителю, – высокие значения энтальпии образования, максимальное содержание свободного кислорода, высокая плотность, отсутствие полиморфных превращений при температурах технологического процесса изготовления и эксплуатации топлив, термическая и гидролитическая стабильность, низкая чувствительность к механическим воздействиям. Наибольшее распространение в качестве окислителя получил перхлорат аммония, который более полно удовлетворяет вышеперечисленным требованиям. В некоторых видах СТРТ используются в качестве окислителей также нитраты щелочных металлов и др.

В1971 году в ИОХ РАН синтезирован новый высокоэнергетический окислитель аммонийдинитрамид (АДНА), который позволил повысить удельный импульс и создать высокоэффективные СТРТ с экологически чистыми продуктами сгорания. Для повышения энергетического уровня СТРТ применяются также органические ВВ – гексоген и октоген, которые вводятся

вколичестве до 26 % за счет уменьшения содержания перхлората аммония. Дальнейшее увеличение количества ВВ нецелесообразно (в связи с существенным ухудшением взрывчатых характеристик СТРТ).

Вкачестве металлического горючего практическое применение нашли алюминий, который вводится в состав до 21 %, и гидрид алюминия. Конденсированные продукты сгорания

59

уменьшают удельное газообразование топлив, но высокие тепловые эффекты при горении металлов приводят к повышению энергии топлив. Гидриды металлов являются также источниками и легкого газа – водорода.

Полимерное горючее-связующее состоит из органического полимера, пластификатора, отверждающих добавок и по- верхностно-активных веществ. Полимерное горючее-свя- зующее является дисперсионной средой, в которой распределены порошкообразные компоненты. Полимерное горючеесвязующеe обеспечивает реологические и механические характеристики СТРТ. Полимеры подразделяются на низкомолекулярные (непредельныe с концевыми карбоксильными, гидроксильными, эпоксидными группами, без функциональных групп) и высокомолекулярные (полибутадиеновые, полиуретановые, нитрильные и другие каучуки). Пластификаторы бывают полярными (эфиры, нитрилы органических кислот и др.), неполярными (углеводороды) и активными (с высокой энергонасыщенностью, содержащие нитро-, нитратные, азидо-, нитраминные и другие группы). Помимо названных основных компонентов в состав СТРТ входят технологические добавки – различные поверхностно-активные вещества, сажа, графит, аэросил и др. Для регулирования скорости горения СТРТ в широких пределах (примерно от 2 до 150 мм/с) в них вводят катализаторы и ингибиторы горения. В качестве катализаторов горения наибольшее распространение получили элементоорганические соединения и окислы поливалентных металлов, а также сложные комплексные соединения. Для замедления скорости горения, в частности, используется фтористый литий. Показатель степени в законе скорости горения для большинства СТРТ не превышает 0,4.

Стремительное развитие СТРТ обусловлено более высокими энергомассовыми и другими характеристиками их по сравнению с баллиститными порохами. По сравнению с баллиститными ТРТ смесевые топлива имеют существенные преимущества:

60