CC BY
281
УДК 623.462
Д.Р. Степанов, асп., (4872) 35-33-87, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ ВЗВЕДЕНИЯ ВЗРЫВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ БЭ И РАЗДЕЛЕНИЯ РЕАКТИВНЫХ СНАРЯДОВ СЗО
Одним из перспективных направлений решения задачи совершенствования механизмов взведения взрывательных устройств и разделения реактивных снарядов СЗО является использование твердотопливных газогенераторов.
Ключевые слова: боеприпас, снаряд, кассетная головная часть, вышибной за-ряд,огневой импульс.
1. Источники энергии механизмов разделения
Одним из основных направлений повышения эффективности боевого применения боеприпасов реактивной и ствольной артиллерии является разработка боеприпасов, обеспечивающих отделение или вскрытие головных частей в заданной точке траектории [1,2]. При этом в случае применения головных частей сосредоточенного (фугасного или осколочно-фугасного) действия используется только принцип отделения ГЧ от ракетной. При этом отрабатывается система стабилизации, обеспечивающая подход ГЧ к поверхности Земли под углом 90°. В этом случае за счет горизонтального движения продуктов детонации и осколков реализуется наибольшая эффективность действия боеприпаса сосредоточенного действия по площади цели.
Другой вариант повышения эффективности действия боеприпаса связан с разработкой головных частей кассетного типа, обеспечивающих разброс боевых элементов (БЭ) различного целевого назначения по площади цели за счет вскрытия ее в заданной точке траектории. Этот путь позволяет значительно улучшить боевые свойства существующих реактивных комплексов, при этом эффективность КГЧ по многим целям многократно превосходит эффективность соответствующей головной части обычной конструкции.
Процесс разделения зависит от функционального назначения и конструктивного исполнения разделяющегося реактивного снаряда. Для сложных конструкций он носит многоступенчатый характер и включает три основных этапа: взведение взрывательных устройств боевых элементов, разделение снаряда и вскрытие головной части.
Известны конструктивные схемы разделения РС, в которых отделение ГЧ от ракетной осуществляется либо за счет использования сил сопротивления внешней среды, либо за счет внутренних сил, создаваемых в снаряде механическими, пневматическими или пиротехническими устройствами. Наибольшее распространение получили механизмы отделения, в которых используется энергия продуктов сгорания пороховых зарядов. Такие
механизмы отличаются конструктивной простотой, допускают возможность длительного хранения, имеют сравнительно невысокий пассивный вес, не требуют подготовительных операций при стыковке и могут обеспечивать надежное разделение РРС в любом диапазоне дальности стрельбы.
Особенностью процессов разделения снарядов залпового огня является отделение головной части в плотных слоях атмосферы при высоких сверхзвуковых скоростях, порождающих мощное аэродинамическое воздействие. Поэтому в качестве источников энергии, используемых в РРС различного целевого назначения, широкое применение нашли заряды с зернеными порохами марки ДРП, формирующие мощные силовые воздействия в процессе разделения
Однако практика отработки КГЧ в стендовых условиях показала, что дымные пороха имеют недостатки, связанные, в первую очередь, с высокой начальной интенсивностью газообразования. Это особенно ярко проявляется при высоких параметрах заряжания, характерных, например, для малогабаритной запоршневой зоны. Указанный недостаток усугубляется тем, что процесс в запоршневой полости определяет напряженность процесса разделения, зависящую от величины требуемой скорости разделения.
Одним из возможных направлений ликвидации рассмотренных недостатков является использование других типов составов, обладающих высокой воспламенительной способностью и значительно меньшей скоростью газоприхода с единицы массы заряда. Характеристики таких составов приведены в таблице.
Характеристики составов, используемых в качестве источников энергии в разделяющихся реактивных снарядах (РРС)
Состав Энергетические свойства Баллистические свойства Удельная тепло- Относительная мощ- Относительная стои-
Бв, Дж/кг Та, К Диапазон давлений, МПа Скорость газоприхода при Р=5МПа отдача, Вт/м2 ность дымооб- ра- зования мость, руб/кг
ДРП-2 6.105 2400 0,1... 5,0 390 16,5 250 1,0
ВТМ 10.105 2800 2,0...20 125 4,2 25 2,5
ИКГ 10.105 2800 2,0.20 40 3,0 15-25 3,0
Анализ характеристик трех воспламенительных составов, указанных в таблице, позволяет сделать следующие выводы:
- составы ВТМ и ВКГ могут использоваться только в воспламени-тельных устройствах форкамерного типа, а ДРП можно использовать во всех конструкциях ( Р = 0,1.. .5,0 МПа);
- несмотря на пониженные энергетические характеристики, ДРП по уровню теплоотдачи практически равноценен составам ВТМ и ВКГ;
- ДРП имеет наименьшую стоимость и широкую сырьевую базу.
Таким образом, выбор ДРП в качестве источника энергии для разделяющихся РС является оправданным. Поэтому в последнее время усилия разработчиков направлены на создание механизмов вскрытия ГЧ, обеспечивающих выполнение требований технического задания при значительном снижении действующих нагрузок. Это особенно важно для разработки ГЧ, имеющих боевые элементы, чувствительные к нагрузкам ударного типа.
Одним из перспективных направлений решения этой задачи является использование твердотопливных газогенераторов, к которым предъявляются следующие эксплуатационные требования:
- относительно высокий уровень расходных параметров при невысоких массогабаритных характеристиках;
- малое время работы;
- высокая чувствительность твердотопливного заряда газогенератора к тепловому воздействию, обеспечивающая надежное задействование ТГГ при низких уровнях давлений и малых временах теплового воздействия в рабочих зонах кассеты.
Для решения поставленной задачи были осуществлены проектирование и отработка малогабаритного ТГГ, ориентированного на доказательство принципиальной возможности и практической полезности использования в разделяющихся кассетных боеприпасах. В процессе разработки ТГГ прорабатывались в основном вопросы, связанные с выбором марки топлива и крепления заряда в рабочей камере.
При выборе марки топлива анализировались:
- высокоазотистый пироксилиновый порох ПВА;
- нитроглицериновый малоградиентный порох ВБС-МГ;
- высокоазотистый пироксилиновый порох РПМ-2, работающий при пониженном давлении;
- нитроглицериновые пороха повышенной прочности БСМ-13, АПЦ-29-10. В результате анализа с использованием критерия экономической эффективности был сделан вывод о том, что из отечественных составов наиболее предпочтительными для применения в ТГГ являются составы марки ВБС-МГ и ПВА. Учитывая, что гигроскопичность ПВА значительно
превышает гигроскопичность ВБС-МГ, последний был рекомендован для применения в конструкции ТГГ.
Что касается узла крепления заряда в корпусе ТГГ, то в отечественной практике применяются в основном два типа узлов крепления. В случае использования вкладных зарядов применяются опорные диафрагмы, а «щеточный» вид крепления служит для удержания пороховых элементов в специальном переднем узле крепления.
В результате была разработана конструкция ТГГ и проведены стендовые испытания КГЧ с размещением газогенератора в центральной трубе кассеты (вместо вышибного заряда), которые подтвердили работоспособность разделяющейся головной части. По отношению к штатной конструкции наблюдалось снижение силовых нагрузок на разделяемые элементы в 1,25 - 1,30 раза с одновременным увеличением скорости разделения в 1,4 -1,6 раза.
Таким образом, теоретически и экспериментально подтверждена возможность создания малогабаритных ТГГ для отделения головных частей, обеспечивающих «мягкость» процесса разделения при высоких параметрах заряжания. Наиболее предпочтительно использовать газогенераторы давления на основе тонкосводных топливных элементов, позволяющих в условиях резкого увеличения рабочего объема головной части осуществлять эффективный разгон кассеты за счет широко развитой поверхности горения и высокой плотности заряжания.
2. Источники энергии механизмов взведения взрывательных устройств боевых элементов
Важной и ответственной стадией функционирования кассетной головной части является этап взведения взрывательных устройств боевых элементов.
Для большинства конструкций кассетных БЧ РС к СЗО в качестве источников энергии, необходимых для взведения взрывателей БЭ, используется энергия одного или нескольких пороховых зарядов, размещенных в рабочих полостях КГЧ. Благодаря хорошей воспламенительной способности, высокой скорости горения при относительно невысоких уровнях рабочих давлений и минимальной зависимости ее от начальной температуры заряда широкое применение в головных частях различного целевого назначения получили дымные пороха.
В настоящее время в связи с развитием РСЗО в направлении повышения боевой эффективности разработана номенклатура новых взрывателей, удовлетворяющих достаточно жестким требованиям по надежности работы и безопасности. С целью повышения безопасности эксплуатации головных частей, снаряженных кумулятивно-осколочными боевыми элементами (КОБЭ), разработаны взрыватели с тремя ступенями предохране-
ния взведения. При этом снятие последней ступени должно происходить на траектории движения РС за несколько секунд до вскрытия БЧ.
Новый механизм взведения взрывателя КОБЭ на траектории требует создания в свободном объеме ГЧ импульса давления требуемой амплитуды и длительности при относительно низкой температуре инертного газа. Одним из направлений решения этой задачи является использование в качестве энергетического устройства для снятия ступени предохранения взрывателей боевых элементов специального газогенератора, к которому с учетом характерных особенностей функционирования ГЧ на траектории предъявляются особые эксплуатационные требования:
- газогенератор не должен содержать электрическую систему инициирования и должен срабатывать от воздействия огневого импульса порохового устройства с навеской ДРП, при этом последнее не должно иметь механического контакта с корпусом газогенератора и должно быть удалено от него на определенном расстоянии; отказ от применения в конструкции электрической системы инициирования должно обеспечивать повышенную безопасность газогенератора при изготовлении и эксплуатации, а также увеличить его стойкость к внешним воздействиям;
- при срабатывании газогенератор должен обеспечивать в рабочей полости КГЧ давление газовой смеси не более 0,98 МПа;
- температура газовой смеси должна быть не более 1500 °С;
- выход на режим с обеспечением давления 0,98 МПа должен протекать в течение времени не более 1 с, при этом максимальное давление должно быть не более 1,96 МПа;
- поддержание величины давления не менее 0,98 МПа должно быть в течение времени не менее 3 с;
- продукты горения не должны содержать пары воды, которые будут конденсироваться при минусовых температурах;
- при наддуве рабочей полости в газовой смеси не должны содержаться высокотемпературные твердые частицы шлака, которые при осаждении могли бы повредить матерчатые ленточные стабилизаторы БЭ.
Представляется, что максимально возможно удовлетворить всем вышеприведенным противоречивым требованиям сможет конструкция в виде источника газогенерации, устройства для очистки и охлаждения генерируемого газа, устройства запуска на основе не электрического способа задействоваеия.
Достаточно часто в качестве источников газа применяются пороховые аккумуляторы давления (ПАД), в которых химическая энергия твёрдого топлива преобразуется в энергию сжатого газа. В качестве твёрдого топлива могут быть использованы либо низкотемпературные пороха с температурой продуктов горения 1100.1500 °С, либо газогенерирующие пиротехнические составы, имеющие температуру горения ~ 1000 °С. Серьёз-
ными недостатками порохов являются: высокая температура горения и, следовательно, высокая температура продуктов горения; сильная зависимость скорости горения от давления, что затрудняет поддерживать требуемый закон генерации газа; наличие в продуктах горения воды, которая будет конденсироваться при минусовых температурах.
По этим причинам предпочтение было отдано пиротехническим га-зогенерирующим составам, которые лишены многих выше приведённых недостатков, поскольку имеют меньшую зависимость скорости горения от давления, меньшую температуру горения, не содержат в продуктах горения воду, а в качестве рабочего газа выделяют при горении азот.
Существует много различных химических соединений, которые можно использовать в качестве носителей азота в пиротехнических устройствах. К ним можно отнести, например: аммиак, гидроксиламин, гидразин, нитриды, нитраты, азиды, карбамид, тетразол и много других, в т.ч. их производные. Из перечисленных выше различного класса химических соединений в пиротехнических целях используют чаще всего порошки веществ, обладающих удовлетворительной термической стабильностью и содержащих относительно высокий процент азота.
Если рассматривать имеющийся к настоящему времени экспериментальный материал по газогенерирующим составам, то большинством исследователей отдается предпочтение составам пиротехнического типа, в которых в качестве источника инертного газа (азота) используются азиды щелочных и щелочно-земельных металлов.
Интерес к этим соединениям обусловлен значительным содержанием азота и легкостью их разложения. Вместе с тем подавляющее большинство азидов обладает высокими взрывчатыми свойствами и являются инициирующими ВВ.
Азид натрия - одно из соединений, не способных к взрывчатому превращению, что наряду с освоенностью технологии изготовления в промышленности предопределило использование его в качестве компонента азотогенерирующего состава для разрабатываемого газогенератора.
Азид натрия (№N3) наиболее часто используется в пиротехнических составах как горючее. Это связано с тем, что азид натрия содержит до 64,6 % массовых азота, является достаточно устойчивым при нагреве соединением (температура начала разложения ~ 400 °С, интенсивное разложение без взрыва происходит при ~ 410 °С). Энтальпия образования азида натрия А Н0298 = - 21,3 кДж/моль, он мало поглощает влаги, по сравнению с другими азидами металлов. Азид натрия для технических целей производится в промышленных масштабах согласно требованиям технических условий.
Окислителями в пиротехнических составах на основе азида натрия могут быть различные оксиды металлов, у которых слабое сродство метал-
ла к кислороду (А Н0298), которое находится в пределах 209.544 кДж/моль 02. У металлов с большим сходством с кислородом, к которым относится натрий, эта величина (энтальпия образования) лежит в пределах ~544... 836 кДж/моль 02 (А Н0298 = -831 кДж/моль 02 для N20).
Из широкого спектра кислород - хлор - и фторсодержащих соединений наибольший интерес в качестве окислителя для азотогенерирующих составов представляет оксид железа. Несмотря на то, что в ряде работ, кроме оксида железа, даются рекомендации по использованию оксидов кобальта или никеля, авторами остановлен выбор на оксиде железа, поскольку ранее нами был проведен большой комплекс исследований по изучению физико-химических свойств оксида железа.
Как показали исследования, оксид железа ( Fе20з), для которого сродство к кислороду составляет А Н0298 = -534 кДж/моль 02, является наиболее эффективным окислителем. Его применение обеспечивает получение конденсированных продуктов сгорания в виде прочного шлакового остатка, сохраняющего форму исходного образца. Отечественной промышленностью налажено крупномасштабное производство различных порошков оксида железа.
Анализ имеющихся к настоящему времени экспериментальных данных по горению композиции «азид натрия - окись железа» показывает, что желательно использовать от 5 до 15 % избытка оксида, чтобы свести к минимуму образование свободного натрия. Можно использовать большие избытки, но это экономически нецелесообразно, т.к. оксид сверх реакции ведет себя как инертный твердый разбавитель и ухудшает га6аритно-весовые характеристики газогенератора.
Проведенный комплекс исследований позволяет рекомендовать для дальнейших работ состав с избытком окиси железа ЖАН-1,15 с рецептурой: 32 % массовых оксида железа; 68 % массовых азида натрия.
Исследованы различные марки порошков оксида железа. Было показано, что оптимальной рецептурой азотогенерирующего пиротехнического состава на основе азида натрия и оксида железа является состав ЖАН-1,15 (1,15Fе20з + 6№№). В настоящее время отработана технология изготовления состава ЖАН-1,15, изучены закономерности его горения, физико-химические свойства, характеристики безопасности.
Пиротехнический состав ЖАН-1,15 имеет следующие основные характеристики: скорость горения - 5,0.6,5 мм/с по методике А0Д60.201 удельное газовыделение - 340.350 см3 /г по методике А0Д60.201; максимальная (кристаллическая) плотность 2,33 г/смЗ; температура горения 1000 °С; температура воспламенения - 340 °С; удельная калорийность состава - 966 Дж/г; класс относительной опасности ручных работ при воздействии ударом по ГОСТ 13802 - 79 - 20, степень относительной опасности ручных работ - низкая; класс относительной опасности ручных работ при воздействии трением по ГОСТ 13803 - 80 - 15, степень относительной
опасности ручных работ - средняя; степень чувствительности к электрической искре по ОСТ В84 - 1909 - 81 - низкая.
Композиция «азид натрия - окись железа» прессуется (уплотняется) достаточно хорошо. Для сравнения можно указать, что такие составы, как БТ, БТД, ТАБ, при удельном давлении прессования 600 МПа уплотняются до относительной плотности 0,7, в то время как уплотняемость при этом же давлении для смеси «азид натрия - окись железа» существенно выше: (0,87 - 0,95).
В соответствии с требованиями задействование ГГ должно осуществляться не электрическим способом, а огневым импульсом от порохового устройства с навеской ДРП, при этом последнее не должно иметь механического контакта с корпусом ГГ и удалено от него на определенном расстоянии.
Одним из принципиальных решений при разработке энергетического узла механизма для снятия ступеней предохранения взрывателей кумулятивно-осколочных боевых элементов был отказ от применения в конструкции электрической системы инициирования, что должно обеспечить повышенную безопасность энергетического устройства при изготовлении и эксплуатации, а также увеличить его стойкость к внешним воздействиям.
В связи с этим обстоятельством в конструкции энергетического узла механизма взведения взрывателей КОБЭ возникла необходимость использования устройства дистанционного задействования ТГГ, включающего петарду пороховую, собственно огнепроводную трубку (трубопровод) и элементы, необходимые для приема огневого импульса от навески пороха марки ДРП и передачи его воспламенительному составу, расположенному в корпусе газогенератора. Функционирование такого устройства задействования ТГГ обладает рядом особенностей, которые необходимо учитывать при его проектировании и выборе условий заряжания: малая масса заряда; относительная длина трубопровода может составлять величину порядка 100.200; интенсивная нестационарность тепломеханических процессов, так как передача огневого импульса по трубопроводу должна быть осуществлена за достаточно короткое время, исчисляемое несколькими миллисекундами. Очевидно, что подбор условий заряжания приемной камеры устройства задействования становится важным для обеспечения надежности и стабильности срабатывания всего энергетического устройства кассетной головной части.
Для надёжного воспламенения медленногорящего азотогенери-рующего состава ЖАН-1 в газогенераторе может быть использован быст-рогорящий воспламенительный состав ПКТА-1, который, в свою очередь, задействуется от огневого импульса состава СЦ-1 огнепровода.
Воспламенительный состав ПКТА-1 разработан и изготавливается на опытном производстве и отвечает в основном требованиям АОТУ393 (при изготовлении состава ПКТА-1 используется порошок губчатого титана). Воспламенительный состав ПКТА-1 представляет собой механиче-
скую смесь порошков перхлората калия, титана и алюминия. Он имеет приемлемые характеристики: скорость горения 180.240 мм/с; температура горения 2000.2100 °С; температура воспламенения 340 °С; удельная калорийность 1505.1588 Дж/г; максимальная (кристаллическая) плотность 4,12 г/см3. Продукты горения состава ПКТА-1 находятся в конденсированной фазе. Обладая такими характеристиками, состав ПКТА-1 обеспечивает быстрое формирование развитого фронта горения относительно медленногорящего азотогенерирующего состава ЖАН-1,15.
Пиротехнический состав СЦ-l изготавливается промышленным способом в соответствии с ОСТ В84-1133-83. Представляет собой смесь свинцового сурика и циркония, обработанную раствором коллоксилина в ацетоне и гранулированную в виде зерен. Состав обладает высокой чувствительностью к тепловому воздействию (Твоспл = 180.200 °С), образует при горении высокотемпературные, жгучие продукты горения (не менее 2000 °С). Горение состава СЦ-l в условиях ограниченного объёма носит импульсный характер, что позволяет реализовать высокоскоростной (~ 100 м/с) форс пламени. Обладая такими характеристиками, состав СЦ-l позволит обеспечить эффективную работу огнепровода по передаче огневого импульса от порохового устройства с навеской ДРП-3 до воспламенитель-ного состава ПКТ А-l газогенератора за минимальное время, составляющее не более 50 мс, что чрезвычайно важно при достаточно ограниченном времени срабатывания самого ГГ.
Список литературы
1. Макаровец Н.А., Денежкин Г.А., Бобров В.П. Повышение эффективности реактивных снарядов РСЗО // Боеприпасы. 1989. № 12.
2. Семилет В.В., Макаровец Н.А., Белобрагин В.Н. Проблемы совершенствования летно-баллистических характеристик современных РСЗО // Оборонная техника. 1999. № 12.
D.R. Stepanov
DIRECTIONS OF IMPROVEMENT OF MECHANISMS OF RAISING DETONATORs ОF FIGHTING ELEMENT AND DIVISIONS OF SHELLS
One of the perspective directions of the solution of a problem of improvement of mechanisms of raising of detonators and division of shells is use of solid propellant gas generators.
Key words: ammunition, shell, cassette head part, vyshibny charge, fire impulse.
Получено 17.10.12
