Внутренняя баллистика ствольных систем и ракетных двигателей на твёрдом топливе

1.

ВНУТРЕННЯЯ БАЛЛИСТИКА
ст вольных сист ем
и
ракет ных двигат елей нат вёрдом т опливе
Доцент кафедры ТПМП, к.т.н. Новоточинова Екатерина Алексеевна
89800358774, [email protected]

2.

Порох является лучшим метательным средством для производства
выстрела из артиллерийских орудий, минометов и стрелкового оружия, а
также для движения ракет.
Двадцатое столетие, особенно вторая его половина, сопровождалась
бурным развитием ракетной техники. Созданы многочисленные конструкции:
от небольших реактивных снарядов до многотонных межконтинентальных
баллистических ракет и носителей, способных выводить на околоземную
орбиту и космическое пространство аппараты различного назначения.
Из числа известных и широко используемых видов энергии в реактивных
двигателях в настоящее время практическое применение нашла только
химическая энергия. Применение для этих целей других видов энергии –
ядерной, электрической, механической находиться в стадии
теоретической или опытной проработки.
Формально заряд представляет собой некое техническое устройство,
позволяющее в составе двигателя организовывать управляемый процесс
преобразования запасённой в топливном элементе химической энергии в
кинетическую энергию реактивной струи.
2

3.

В ракетном двигателе и в ствольных системах запасённая в топливном
элементе химическая энергия реализуется за счёт интенсивных экзотермических окислительных реакций – горения, сопровождающихся выделением
большого количества тепла и газообразных продуктов.
При этом природа или компоновка порохов, таковы, что необходимые для
организации окислительного процесса горения горючие и окислители уже
изначально содержатся в составе и не требуют их подвода извне.
Разнообразие областей применения вызывает необходимость в
создании большого количества топливных систем, различающихся
внутрибаллистическими характеристиками (ВБХ).
ВБХ - тип характеристик заряда, к которым можно отнести температурный
диапазон работ двигателя, внутренний диаметр камеры, марка пороха, размер
пороховой шашки, диаметр критического сечения сопла, максимальное
давление, единичный импульс тяги, сила пороха, скорость горения, закон
скорости горения, время работы двигателя.
Решение задачи получения заданных ВБХ в любой системе, использующей
горение пороха, можно представить в виде иерархической структуры с тремя
основными уровнями.
3

4.

На первом уровне, к которому относятся технологические процессы, происходит
формирование геометрической формы и размеров заряда и его элементов, а также
обеспечиваются заданные физические, энергетические, баллистические свойства.
Ко второму уровню отнесены процессы, протекающие в заряде при хранении до
боевого применения, вызывающие изменение эксплуатационных свойств порохов и
твёрдых ракетных топлив.
Третий уровень включает в себя процессы горения и совершения работы продуктами
горения, которые определяют ВБХ ствольной системы и ракетного двигателя.
Внутренняя баллистика — наука о движении снаряда в канале ствола орудия под
действием пороховых газов, а также закономерности других процессов, происходящих
при выстреле в канале ствола или камере пороховой ракеты.
Вместе с внешней баллистикой составляет науку о движении снарядов, пуль, мин,
неуправляемых ракет, авиабомб — баллистику. Внутренняя баллистика — важный
предмет для конструкторов и пользователей огнестрельного оружия.
Внешняя баллистика основывается на законах механики, тесно связана с аэродинамикой, гравиметрией и теорией фигуры Земли. Баллистический расчет дает все основные
данные о траектории и характеристиках движения пули, исходя из которых можно
судить о необходимых параметрах оружия.
Баллистика* – военно-техническая наука, основывающаяся на комплексе физикоматематических дисциплин, изучающий движение снарядов, мин, пуль, авиабомб и т.п.
вплоть до взаимодействия их с целью, а так же процессы, закономерности, явления,
сопровождающие это движение.
_________________________________________________
* Баллистика - нем. Ballistik, от греч. ballo — бросаю.
4

5.

5

6.

Внутренняя баллистика на её современном уровне развития состоит из
следующих основных разделов:
1. Пиростатика – изучение горения пороха и образование газов при сгорании пороха
в постоянном объёме. Изучается влияние формы, размеров, природы пороха, условий
заряжания, давления газов на интенсивность газообразования в простейших условиях,
когда пороховые газы не совершают работу при расширении.
2. Физическая пиродинамика – изучение физических основ явления выстрела из
орудия как термодинамического и газодинамического процесса, исследование других
явлений, сопровождающих выстрел.
3. Теоретическая пиродинамика – решение основной задачи внутренней баллистики
– установление изменения давления пороховых газов и скорости снаряда как функции
пути снаряда и времени.
4. Баллистическое проектирование орудий – обратная задача внутренней баллистики – определение конструктивных данных канала ствола и условий заряжания,
при которых снаряд данного калибра d и веса q получит при вылете из канала ствола
заданную дульную скорость - Vд при допустимом максимальном давлении газа – Рmax
на снаряд (орудие). Из многих решений выбирается вариант, который наиболее полно
удовлетворял бы тактико-техническим требованиям (ТТТ) и условиям производства
орудия. Результаты расчётов выбранного варианта проверяются решением прямой
задачи внутренней баллистики и кривые давления Р=Р(t) и скорости V=V(t) ,а также
Р(l) и V(l) являются исходными данными для проектирования ствола, лафета,
порохового заряда и т.д.
6

7.

Ствольные системы
Ствольные системы представляют собой тепловую машину для метания снаряда
на определенное расстояние в заданном направлении.
Основные элементы стрелкового
оружия является:
- воспламенитель
- затвор
- ствол
7

8.

Ствол придает пуле направленное поступательное движение.
Ствол состоит из дульной части, заканчивающейся с одной стороны дульным срезом, а с
другой – зарядной каморой (патронником), которая, в свою очередь, заканчивается
казённой частью с затворным гнездом.
По поверхности канала оружие
подразделяется на гладкоствольное
и нарезное.
Отличие нарезного оружия:
Для сообщения пуле вращения,
ведущая часть канала выполняется
в виде нарезов. Они выглядят как
полосовидные углубления,
вьющиеся вдоль стенок канала.
Расстояние между нарезами
обозначает калибр оружия.
Затвор запирает канал ствола и создает начальный импульс для воспламенителя.
Воспламеняющие механизмы инициируют выстрел. По принципу действия они
подразделяются на термические, искровые, курковые, ударниковые, затворные,
электроискровые.
8

9.

Снарядом можно считать любое метаемое тело: пулю для стрелкового оружия,
осколочно-фугасный снаряд, агитационный снаряд, химический снаряд и другие
снаряды, мину для миномета и т.п. Энергия движения сообщается снаряду силой
давления пороховых газов, развиваемого в стволе.
Снаряд — средство поражения, выстреливаемое из артиллерийского или иного
боевого орудия. По назначению снаряды разделяются на:
• Бронебойный снаряд,
• Бетонобойный снаряд,
• Фугасный снаряд,
• Кумулятивный снаряд,
• Осколочный снаряд,
• Картечь,
• Шрапнель
• Ядерный снаряд,
• Химический снаряд,
• Биологический снаряд,
• Термобарический снаряд,
• Зажигательный снаряд,
• Дымовой снаряд,
• Осветительный снаряд,
• Трассирующий снаряд,
• Агитационный снаряд,
• Учебный снаряд .
Большинство типов современных снарядов представляют
собой осесимметричное металлическое тело с плоским
днищем, на которое давят пороховые газы. Это тело может
быть сплошным или пустотелым, обтекаемой или
стреловидной формы, нести полезную нагрузку или
нет. Артиллерийские орудийные снаряды конической формы
были впервые применены итальянцем Кавалли для
изобретённого им в 1845 году нарезного орудия, которые
полностью вытеснили прежние пушечные ядра. Ещё
несколько десятилетий снаряды подразделялись на «бомбы» и
«гранаты», однако уже со времён Первой мировой
войны термин «граната» закрепился за ручными гранатами и
снарядами для гранатомёта, «бомба» — за авиационными
бомбами, а артиллерийские снаряды стали называть просто
«снарядами».
9

10.

• Бронебойный снаряд — боеприпас, предназначенный для борьбы с бронетехникой противника. По
своему устройству бронебойные снаряды подразделяются на калиберные, подкалиберные с
постоянным или отделяющимся поддоном и стреловидные оперённые снаряды.
Бетонобойный снаряд — боеприпас, предназначенный для разрушения железобетонных
долговременных фортификационных сооружений.
Фугасный снаряд — боеприпас, предназначенный для разрушения полевых и фортификационных
сооружений, проволочных заграждений, зданий.
Кумулятивный
снаряд — боеприпас, предназначенный для уничтожения бронетехники
и фортификационных сооружений путём создания узконаправленной струи продуктов взрыва с
высокой пробивной способностью.
Осколочный снаряд — боеприпас, предназначенный для уничтожения живой силы противника
осколками, образующимися при разрыве снаряда. Разрыв происходит при ударе о препятствие или
дистанционно в воздухе.
Картечь — боеприпас, предназначенный для уничтожения живой силы противника. Представляет
собой уложенные в легкосгораемый каркас пули, при выстреле разлетающиеся от ствола орудия.
Шрапнель — боеприпас, предназначенный для уничтожения живой силы противника пулями,
находящимися внутри его корпуса. Разрыв корпуса и выбрасывание из него пуль происходит в полёте.
Ядерный снаряд — боеприпас для нанесения тактического ядерного удара по крупным целям.
Наиболее эффективное и разрушительное средство, доступное артиллерии.
Химический снаряд — боеприпас, содержащий сильнодействующее отравляющее вещество
(слезоточивые, психотропные и т. п.) для уничтожения живой силы противника.
Термобарический снаряд — боеприпас, содержащий рецептуру для образования взрывчатой
газообразной смеси. Исключительно эффективен против укрытой живой силы противника.
Трассирующий снаряд — боеприпас, оставляющий за собой яркий след.
Учебный снаряд — сплошной боеприпас, предназначенный для обучения личного состава
артиллерийских частей.

11.

11

12.

Устройство зарядов и назначение отдельных элементов
Зарядом для стрельбы из ствольной системы называют количество пороха, собранное в
определенном порядке и предназначенное для проведения одного выстрела.
В общем случае заряд может содержать следующие
элементы:
- навеску пороха;
- дополнительный воспламенитель;
- вспомогательные элементы (пламегаситель);
- обтюрирующее (уплотняющее) устройство.
Форма заряда зависит от формы пороховых элементов, способа и условий заряжания,
конструкции каморы. Марку пороха и вес заряда подбирают баллистическим расчётом,
задаваясь требуемой начальной скоростью и максимально допустимым для данного оружия
давлением пороховых газов.
Начальная скорость – это скорость движения пули у дульного среза ствола. Величина
начальной скорости пули указывается в боевых характеристиках оружия. При увеличении
начальной скорости для одной и той же пули увеличивается дальность полёта пули,
дальность прямого выстрела, убойное и пробивное действие пули, а также уменьшается
влияние внешних условий на её полет.
Величина начальной скорости пули зависит от:
-
длины ствола;
веса пули;
веса, температуры и влажности порохового заряда;
формы и размеров зёрен пороха;
плотности заряжания.
12

13.

Форма и размеры пороха оказывают существенное влияние на скорость горения
порохового заряда, а следовательно, на начальную скорость пули.
Плотностью заряжания ∆ (кг/м3) называется отношение веса заряда к объёму гильзы
при вставленной пуле.
При увеличении начальной скорости пули увеличивается и убойная сила и пробивное
действие пули.
Убойная сила пули характеризуется кинетической энергией (Ес ) в момент встречи с
целью и измеряется в килограммометрах (кг·м).
При стрельбе из автомата (АК) начальная энергия равна 207 кг·м,
а на дальности 800 м составляет 29 кг·м.
Для ручного пулемета соответствующие величины равны 225 кг·м и 31 кг·м.
Для того чтобы вывести человека из строя, достаточна энергия, равная 8 кг·м.
13

14.

Навеска пороха может помещаться в гильзе россыпью или в мешочке (картузе), при
безгильзовом заряжании – только картузе. Для полного сгорания ткань картуза
изготовляли из натурального шелка. В настоящее время разработаны рецептуры на
основе пластифицированных производных целлюлозы жёстких сгорающих картузов
(ЖСК) для безгильзового заряжания.
По типу оружия и способу заряжания заряды подразделяются:
- к орудиям унитарного заряжания (а)
- к орудиям раздельного гильзового заряжания (б)
- к орудиям картузного (безгильзового) заряжания (в)
- для минометов (г)
1 – капсюль, 2 – основной заряд, 3 – дополнительный заряд, 4 – гильза, 5 – снаряд.
14

15.

Камора заряжания
Зарядная камора, зарядник — полость в казённой части канала ствола артиллерийского
орудия, в которой помещаются запоясковая часть снаряда и пороховой заряд при
заряжании. В ранних орудиях для перезаряжания могли использоваться съёмные
каморы.
Цилиндрический канал в револьверном барабане, служащий для размещения патрона.
Г-образный отвод на стволе автомата (АК) для отвода газов в газовую трубку.
В русском языке то, что в артиллерии и револьвере называется каморой, в прочем
стрелковом оружии именуется патронником.
15

16.

Лафет
Лафет (нем. Lafette, фр. l'affut) — специальное приспособление, опора (станок), на котором
закрепляется ствол орудия с затвором. Лафеты бывают:
- подвижные (у полевых орудий — на колёсном и гусеничном ходу)
- полустационарные (на подвижной основе — у корабельных, танковых, железнодорожных,
авиационных и других орудий)
- стационарные (на неподвижной основе — у береговых, крепостных орудий).
Лафет у орудия включает в себя нижний станок (опора и ходовая часть) и верхний станок с
механизмом наведения. На лафете устанавливаются противооткатные устройства, щит,
уравновешивающий механизм.
Различают 2 варианта отдачи (отката) при неподвижном стволе:
1. Свободный затвор, который прижимается к казенному срезу пружиной возврата. Канал жестко
не запирается. Откат происходит под давлением газов на донце гильзы. Такой тип применяется в
пистолетах Макарова, Браунинг, Вальтер и др.
2. При полусвободном варианте
откат затвора вначале замедляется
за счет трения (пистолет-пулемет
Томпсона). Торможение может
также вызываться отведенными
пороховыми газами (принцип
Барницке в пистолете Хеклер).
16

17.

Существует до настоящего времени традиция провожать на лафете
в последний путь выдающихся исторических личностей

18.

18

19.

19

20.

Выст рел из ст вольного оружия
20

21.

Выст рел из ст вольного оружия
Под выстрелом из ствольного оружия понимают сложный термодинамический и
газодинамический процесс очень быстрого, почти мгновенного, превращения химической
энергии пороха сначала в тепловую, а затем в кинетическую энергию пороховых газов,
приводящих в движение снаряд, ствол и лафет.
Этот процесс характеризуется очень высокой напряженностью:
Выстрел длится тысячные или сотые доли секунды, при этом достигается максимальное
давление Рmах = 300...400 МПа, температура газов Т=2500...3500 К; снаряд из ствола вылетает
со скоростью Vд ~ 700...1000 м/с, приобретая ускорение 15...20 тысяч g.
Явление выстрела из орудия включает в себя следующие основные процессы:
1. Горение пороха и образование газов, нагретых до очень высокой температуры и
обладающих большим запасом внутренней энергии.
2. Преобразование тепловой энергии пороховых газов в кинетическую энергию движения
системы: газы заряда - снаряд - ствол - лафет.
3. Движение газов заряда, снаряда
и ствола.
Все эти процессы связаны и
протекают одновременно.
21

22.

В явлении выстрела различают следующие периоды:
- предварительный период, протекает от начала горения до начала движения снаряда;
- первый / основной период, охватывает горение пороха и движение снаряда в канале ствола
до полного сгорания заряда;
- второй период после полного сгорания заряда продолжается до вылета снаряда из канала
ствола;
- третий период - период последействия газов на снаряд после вылета его из ствола.
При горении заряда в канале ствола давление Р пороховых газов и скорость V снаряда
изменяются по вполне определенным законам в функции пути/снаряда (а) и времени t (б).
Несмотря на высокую интенсивность протекающих
при выстреле процессов, они, тем не менее, закономерны,
в определенных пределах управляемы и при
сохранении одних и тех же условий заряжания
стабильны от выстрела к выстрелу.
Особенности процесса выстрела непосредственно
зависят от свойства порохов гореть закономерно
параллельными слоями со сравнительно небольшой
скоростью. Что позволяет управлять явлением выстрела,
т.е. так регулировать приток газов при горении пороха
в канале ствола в зависимости от условий горения,
чтобы получать нужный закон развития давления и
требуемую скорость при вылете его из канала ствола.
22

23.

23

24.

ПОРОХА
Виды порохов и ТРТ, требования к ним
Порохами и твёрдыми ракетными топливами называются
многокомпонентные системы, способные к закономерному горению
параллельными слоями без доступа кислорода извне с выделением
значительного количества энергии и газообразных продуктов.
Пороха и твёрдые топлива представляют группу метательных веществ.
К порохам предъявляют следующие основные требования:
- достаточная работоспособность (мощность), обеспечивающая надлежащее
метательное действие при приемлемых весах зарядов;
- определенные пределы чувствительности к механическим и тепловым
импульсам;
- физическая и химическая стойкость и стабильность во времени;
- достаточная механическая прочность пороховых элементов;
- способность устойчиво и закономерно гореть;
- однообразие физико-химических и баллистических свойств в большой массе
пороховых элементов;
- беспламенность, бездымность при стрельбе;
- возможно меньшее коррозионное и эрозионное действие продуктов горения
пороха на накал ствола, камору заряжания/камера сгорания и сопло реактивного
двигателя;
- широкая сырьевая, желательно отечественная база;
24

25.

Из числа известных и широко используемых видов энергии в
реактивных двигателях в настоящее время практическое
применение нашла только химическая энергия.
Применение для этих целей других видов энергии – ядерной,
электрической, механической находиться в стадии
теоретической или опытной проработки.
Порох изобретён около 3500 лет назад и до сих пор является лучшим метательным
средством в артиллерийских орудиях, минометах, стрелковом и ракетном вооружении.
По общепринятому мнению порох был изобретен в Средние века в Китае, в результате опытов
алхимиков, которые искали эликсир бессмертия. Изобретение пороха привело к появлению
фейерверков и использованию пороха в военных целях, в виде огнеметов, бомб, примитивных
гранат и мин. В течение долгого времени китайцы применяли порох для изготовления
зажигательных снарядов, называемых «пао хо», что в переводе означает «огненный шар».
Из Китая секрет изготовления пороха попал через Индию к арабам, которые
усовершенствовали технологию его изготовления и уже мамлюки Египта стали использовать
порох в своих пушках на постоянной основе.
Первое появление пороха в Европе связывают с именем византийца Марка Грека, который в
своем манускрипте описал состав пороха, произошло это в 1220 году. Английский ученый
Роджер Бэкон в 1242 году первым упомянет порох в Европе в своем научном трактате.
Вторичное изобретение пороха в Европе связано с именем монаха алхимика Бертольда
Шварца, который получил смесь из селитры, угля и серы, смесь воспламенилась от случайно
попавшей на нее искры. Шварцу приписывают создание первого артиллерийского оружия.
В России порох впервые появился в 1389 году. В XV веке в России появились первые
пороховые заводы. Большое развитие пороховое дело произошло во времена правления Петра I,
который уделял большое внимание развитию военного дела и промышленности, при нём были
построены три крупных пороховых завода в Петербурге, Сестрорецке и на Охте.

26.

В 1346 году в битве при Креси англичане применили против французов литые
бронзовые пушки, стреляющие залпами. В пушку помещался заряд пороха, запал выводился
наружу, в пушку помещалось ядро в виде обычного камня или сделанного из свинца или
железа. Запал поджигался , порох внутри пушки воспламенялся, пороховые газы выбрасывали
ядро наружу.
В 1884 году французским ученым П. Вьелем был изобретен первый бездымный
порох – пироксилиновый. В 1888 году в Швеции А. Нобель изобрел баллиститный порох,
кордитный порох был впервые получен в Великобритании Ф. Абелем и Д. Дьюаром в 1889
году. Д. И. Менделеев в 1887-1891 годах создал пироколлодийный порох.
Двадцатое столетие, особенно вторая его половина, сопровождалась бурным
развитием ракетной техники. С становлением промышленного получения синтетических
каучуков, получило развитие и новое направление в пороходелии: создание рецептур и
технологии производства смесевых твёрдых топлив. В созданном в Перми пороховом центре в
1950…1960 годах была изготовлена первая твердотопливная ракета.
К настоящему времени созданы многочисленные
конструкции: от небольших реактивных снарядов до
многотонных межконтинентальных баллистических
ракет и носителей, способных выводить на
околоземную орбиту и космическое пространство
аппараты различного назначения.
____________
Русское слово ПОРОХ произошло от слова «прах».
Хотя возможно роль сыграло и созвучное китайское
название «пао хо».

27.

История пороходелия в Перми
1928 год Решение о начале строительства на Каме комбината «К».
К 1 октября 1932 года здесь планировалось ввести в строй мощности по производству 5 тыс.
тонн пороха в год
20 июня 1934 года Сдан в эксплуатацию первый цех по производству промышленной
взрывчатки для горнорудных работ
2 июля 1941 года Поставлена задача в течение июля-октября завершить первую очередь
строительства производства баллиститных порохов
Осень 1941 года Прибыли специалисты, работавшие в предвоенные годы в НИИ-6
20 января 1950 года Приказ Министра сельхозмашиностроения СССР об организации на
территории завода № 98 научно-исследовательского института НИИ-130 с опытным
производством.
В ракетном двигателе и в ствольных системах запасённая в топливном элементе
химическая энергия реализуется за счёт интенсивных экзотермических окислительных
реакций – горения, сопровождающихся выделением большого количества тепла и
газообразных продуктов. При этом природа или компоновка порохов, таковы, что
необходимые для организации окислительного процесса горения горючие и окислители
уже изначально содержатся в составе и не требуют их подвода извне.

28.

Запасённая в топливном элементе химическая энергия реализуется за счёт
интенсивных экзотермических окислительных реакций – горения,
сопровождающихся выделением большого количества тепла и
газообразных продуктов. При этом компоновка порохов, такова, что
необходимые для организации процесса горения горючие и окислители уже
изначально содержатся в составе и не требуют их подвода извне.
В настоящее время находит практическое применение большое количество
порохов и ТРТ, разнообразных по природе и составу компонентов.
Пороха традиционно принято разделять на дымные и бездымные.
Классификация современных порохов и ТРТ приведена на схеме:
МЕТАТЕЛЬНЫЕ ЭКМ
ГОМОГЕННЫЕ
На
летучем
растворителе
На
труднолетучем
растворителе
На
смешанном
растворителе
ГЕТЕРОГЕННЫЕ
Эмульсионные
Дымные
пороха
Смесевые
твёрдые
топлива
Гибридные
ракетные
топлива
28

29.

Гомогенные пороха
Главной основой всех гомогенных порохов является нитроцеллюлоза НЦ.
Гомогенные пороха и ТРТ представляют собой уплотнённые в процессе
производства пластифицированные нитраты целлюлозы. НЦ характеризуют по
содержанию в ней азота.
В зависимости от содержания азота НЦ, разделяют на:
- Пироксилин № 1
Сама НЦ, представляющая собой рыхлую массу, легко
- Пироксилин № 2
воспламеняется и может гореть в инертной среде.
Скорость горения очень велика, горение легко переходит во
- Коллоксилин
взрыв. Для предотвращения нежелательных эффектов НЦ
- Пироколлодий,
желатинируют (пластифицируют), растворяя в
- Смесевые пироксилины.
растворителях.
В зависимости от летучести растворителей и особенностей производства
могут быть выделены следующие разновидности гомогенных порохов:
- на летучем,
- на труднолетучем,
- на нелетучем,
- на смешанном растворителе.
Максимальная степень нитрации НЦ составляет 14,14%.
29

30.

Пироксилиновые пороха (ПП)
Пороха на основе НЦ, пластифицированные легколетучим спиртоэфирным
растворителем называются пироксилиновыми (одноосновными).
Классический состав ПП: пироксилин 96%; 1,2…5% летучих веществ (спирт, эфир, вода);
1,0…1,5 % СХС; 2…6% флегматизатор; 0,2…0,3% графита и пламегасящие присадки.
ПП изготавливают в виде зёрен с одним или несколькими каналами, трубок, пластин,
лент, колец.
Пористый ПП в следствие структуры имеет значительную массовую скорость
горения.
Беспламенный ПП отличается наличием специальных органических добавок, обеспечивающих беспламенную стрельбу.
Малогигроскопичный ПП содержит соответственно гидрофобные* добавки.
______________
Гидрофобность (от др.-греч. ὕδωρ
«гидро»-вода + φόβος «фобос»- боязнь,
страх) — характеристика молекул химических веществ, отражающая отсутствие у
них склонности к взаимодействию с водной
средой. Сами вещества (или их фрагменты),
а также образуемые ими поверхности
называются гидрофобными.
Гидрофильность (φιλία «филия» - любовь) — характеристика интенсивности
молекулярного взаимодействия вещества с водой, способность хорошо впитывать воду
и смачиваемость поверхностей водой.
30

31.

Баллист ит ные пороха (БП)
Пороха на труднолетучем растворителе получили название баллиститов.
Для изготовления баллиститов используют коллоксилин. Пороховые элементы - в виде
пластинок, лент, трубок или сложных фигур.
БП состоят из коллоксилина – 50…60%, труднолетучего растворителя (НГ) – 25…43%
(43% - предел совместимости), который остаётся в составе, увеличивает энергетику), СХС –
1…3%, гигроскопической влаги – до 0,7% и специальных и технологических добавок.
БП широко применяются для изготовления артиллерийский, миномётных и
ракетных зарядов. В орудийные пороха вводятся добавки, понижающие температуру
горения, например, нитрогуанидин, что способствует повышению живучести ствола.
_____________________________________________________________________________________________
В 1884 году Поль Вьель изобрёл бездымный порох, названный Poudrе В , который был
основан на желатинизированной НЦ (68%), растворимой в диэтиловом
эфире тринитроцеллюлозы с добавкой 2% парафина, с дальнейшим образованием пороховых
элементов и последующей сушкой зёрен пороха. Примерно в одно время с Вьелем в 1887 году в
Великобритании Альфред Нобель разработал баллистит один из первых нитроглицериновых
бездымных порохов, состоящий из равных частей пороха и нитроглицерина, и получил на него
британский патент. Баллистит был модифицирован Фредериком Абелем и Джеймсом Дьюаром в
новый состав, названный кордит. Кордит также состоит из НГ и НЦ, но использует самую
нитрированную её разновидность, нерастворимую в смесях эфира и спирта, в то время как Нобель
использовал растворимые формы. Кордит стал основным видом бездымных взрывчатых веществ
на вооружении британской армии в течение XX века.
Кордит стал предметом судебных исков между Нобелем и британским правительством в 1894 и
1895 гг. Нобель считал, что его патент на баллистит также включает и кордит, на практике
невозможно приготовить одну из форм в чистом виде, без примеси второй.
Суд вынес постановление не в пользу Нобеля.
31

32.

Пороха на смешанном (летучем и труднолетучем) растворителе называются
кордит ными изготовляются из пироксилине №1, пластифицированного спиртоацетоновым растворителем. Кордитные пороха состоят из пироксилина - до 70%, НГ 15…50%, остаточного спиртоэфирного растворителя - 1…3%, СХС - до 3%, гигроскопической
влаги - до 0,8% и различных присадок.
Пороха эмульсионного приготовления состоят из НЦ - 89%, НГ - 9%,
СХС - 1,0%, влаги и добавок -1,0%. Эмульсионные пороха для стрелкового оружия
получают обработкой НЦ эмульсией смешанных растворителей в воде.
Кроме того, могут использоваться НЦ пороха без растворителя, получаемые
нитрованием с последующей стабилизацией.
При длительном хранении порохов происходит разложение НЦ с выделением
окислов азота, которые ускоряют разложение и делают её взрывоопасной. В качестве
СХС применяют оксиды металлов ипроизводные мочевины. Стабилизирующее
действие основано на взаимодействии с первичными продуктами разложения НЦ –
окислами азота, азотистой и азотной кислотами с образованием химически стойких
нитрозо- и нитросоединений.
_____________________________________________________________________________
Поль Мари Эжен Вьель (фр. Paul Marie Eugène Vieille; 1854 —1934) - французский инженер,
механик, химик и изобретатель. Наиболее известен как изобретатель (вместе с М. Бертло)
бездымного пороха.
Альфред Бернхард Нобель (швед. Alfred Bernhard Nobel 1833 —1896) - шведский химик,
инженер, изобретатель, предприниматель, филантроп. Нобелю принадлежало 355 патентов,
динамит является самым известным. После прочтения преждевременного некролога, где его
осудили его за прибыль от продажи оружия, завещал своё состояние на учреждение премии.
32

33.

Сравнительная оценка порохов: • ПП в большей мере, чем БП, способны изменять
содержание влаги и терять часть остаточного растворителя, что снижает баллистическую стабильность.
• Стоимость БП ниже стоимости пироксилиновых порохов.
• Некоторые БП и все кордиты вызывают повышенный разгар канала ствола.
• НГ при некоторых условиях способен выпотевать из пороха (экссудация), что
вызывает изменение баллистических свойств и увеличивает опасность обращения.
Экссудация НГ в кордите протекает легче и сильнее, чем в БП.
• Производство БП более опасно, чем ПП, взрывоопасны операции нитрования
глицерина и прессования массы, вальцевание - пожароопасно.
• Нормальный цвет ПП – серовато-зелёный;
БП - коричневый. Добавки окрашивают его в разнообразные цвета: чёрный,
красный, жёлтый. Поверхность пороха может быть шероховатой, матовой или
полированной, мелкие пороха для ручного оружия часто графитуют, поэтому их
поверхность имеет блестящий чёрный цвет.
______________________
Фредерик Август Абель (англ. Frederick Augustus Abel; 1827— 1902) — английский химик.
Изучил свойства пироксилина, а также существенно усовершенствовать способ его
фабричного производства. Благодаря этому пироксилин снова стал применяться для
военных целей.
Джеймс Дьюар (англ. James Dewar, 1842 — 1923) — шотландский физик и химик. Занимал
посты президента Лондонского химического общества (1897 г.) и Британской ассоциации
содействия развитию науки (1902 г.), а также служил в Комитете по взрывчатым веществам, где вместе с Ф. Абелем разработал альтернативу бездымного пороха— кордит.
33

34.

Гет ерогенные пороха и ТРТ
Гетерогенные ЭКМ это механическая смесь, состоящая из:
окислителя, горючего связующего и различного рода добавок.
Классическим примером такой смеси являются дымные пороха.
Это – самый старый из используемых видов порохов, состоит
из селитры (в основном калиевой КNО3) - 75% в качестве
окислителя; древесного угля - 15% в качестве горючее вещества;
сера - 10% в качестве связующего.
Порошкообразный чёрный порох прессуют в пороховые зёрна определённых размеров
(плотность зёрен 1,5…1,93 г/см3, гравиметрическая плотность ружейного пороха 0,9…0,98
г/см3) и используют в настоящее время в качестве воспламенителей средств для передачи
огня, замедлителей, дистанционных составов, вышибных зарядов и для снаряжения в
патронах охотничьих ружей.
Цвет дымного пороха аспидно-синий с матовым глянцем. Удовлетворительно
приготовлен-ный порох не пачкает рук, не оставляет пыли на бумаге и сопротивляется
раздавливанию между пальцами.
Содержание влаги не более 1%, при
влагосодержании более 2% порох трудно
воспламеняется.
Попадание пули в ящик с порохом вызывает взрыв.
Скорость горения порохового зерна 4 мм/с,
при давлении 3 МПа возрастает до 9 мм/с.
34

35.

СМЕСЕВОЕ ТВЁРДОЕ РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО (СРТТ)
Основные требования к окислителям: • высокое значение энтальпии образования,
• максимальное содержание свободного кислорода или окислителей, • высокая
плотность, • отсутствие полиморфных превращений при температурах производства,
хранения и эксплуатации, • достаточная термическая стойкость, • низкая чувствительность к механическим воздействиям.
Наибольшее распространение в качестве окислителя СТРТ получил перхлорат
аммония, который практически полностью удовлетворяет обозначенным требованиям.
В качестве металлического горючего практическое применение нашли алюминий,
реже магний.
Связующее (горючее) является дисперсионной средой, в которой распределены энергетические порошкообразные компоненты, оно обеспечивает сплошность заряда, его
реологические и механические свойства. Полимерное связующее СТРТ состоит из
органического полимера (олигомера), пластификаторов, элементов системы отверждения, катализаторов отверждения, модификаторов скорости горения, антиоксидантов.
Пластификаторы модифицируют полимерное связующее, обеспечивая технологичность, структурные свойства (склонность к кристаллизуемости, температура
стеклования), не редко выступают ещё и в качестве катализаторов скорости горения.
Цвет металлизированных СРТТ (содержащих алюминий) – серый, безметальных – от
бежево-жёлтого до светло-коричневого.
Современные СРТТ представляют собой механическую смесь
из 10…15 компонентов, вводимых в количествах от 85 до 0,1%.
35

36.

По назначению (видам оружия) обычно пороха и ТРТ разделяют на
четыре группы:
1. Орудийные пороха
2. Пороха для стрелкового оружия
3. Миномётные пороха
4. Ракетные пороха.
Форма порохов чрезвычайно разнообразна: лента, пластинка, брусок,
пруток, кубик, сфера, трубка, чечевица, зерно с одним и многими каналами и др.
Форма пороха связана с типом оружия.
Пороха и ТРТ – твёрдое вещества, способные закономерно гореть
параллельными слоями без доступа кислорода воздуха, выделяя при этом большое
количество газообразного рабочего тела, нагретого до высокой температуры.
В целом протекающие процессы горения порохов и топлив должны удовлетворять
следующим требованиям:
1. Экзотермичность;
2. Образование большого количества газообразных продуктов;
3. Высокая скорость протекания реакций;
4. Способность к самораспространению.
36

37.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОХОВ
1. Удельный вес пороха (плотность) - ρ зависит от состава пороха и условий технологии.
У ПП плотность колеблется от 1,56 до 1,6 г/см3, у БП - от 1,60 до 1,62 г/см3.
Пористые ПП (пистолетный) ρ =1,3-1,4 кг/дм3. Плотность смесевых ρ =1,70-1,90 кг/дм3.
2. Гравиметрическая плотность пороха - это отношение веса пороха, свободно
насыпанного в сосуд определенного объема и формы (гравиметре), к объёму этого сосуда.
Она зависит от плотности пороха, размеров и формы зерен
Гравиметрическая плотность зерненных ПП 0,6....0,9 г/см3.
Незернённые пороха (ленточные, трубчатые) не обладают сыпучестью,
для них определяют предельную вместимость, т.е. наибольшую массу
пучка трубок или лент, без усилия помещаемую в единицу объема гильзы.
Предельная вместимость порохов 0,8 кг/дм3.
Плотность заряжания (∆, кг/м3 ) представляет собой отношение массы
заряда ко всему объёму зарядной камеры, включая все незаполненные
пустоты. Если заполнить весь объём W0, то плотность заряжания
обратится в гравиметрическую плотность.
3. Температура горения Т1 - температура пороховых газов в момент их образования. Чем
большую температуру имеют газы, тем большую работу они смогут совершить при
выстреле.
4. Удельный объём пороховых газов – W1 дм3/кг – это объём газов, образовавшихся при
сгорании 1 кг пороха. Чем больше объем W1, тем большую механическую работу могут
совершить газы в стволе.
37

38.

5. Теплота взрывчатого превращения или калорийность пороха Q
- это количество тепла, выделяемое при сгорании 1 кг пороха и при охлаждении
газообразных продуктов его горения до температуры 293 К.
В момент выстрела химическая энергия превращается в тепловую, а затем
тепловая – в механическую. Чем больше выделится тепла, тем большую температуру
имеют пороховые газы, и тем большую работу они могут совершить.
Если бы вся выделяемая теплота превратилась в механическую работу, то,
учитывая, что тепловая и механическая энергия равноценны, количества тепла,
выделяемое при сгорании 1 кг пороха, можно рассматривать как потенциал пороха.
Обычно по условиям горения различают теплоту горения при постоянном объёме Qw и
при постоянном давлении Qp. Связь между ними имеет вид:
Qw= Qp+ m·RT,
где m - число грамм-молей газообразных продуктов на 1 кг пороха
R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль·К;
T – температура горения пороха, К.
Q определяют из опытов в калориметрической бомбе.
Или рассчитывается, исходя из теплот образования веществ в соответствии с законом
Гесса.
38

39.

Калориметрическая бомбы Бертло
Теплота взрывчатого превращения,
теплота сгорания (калорийность
пороха) Q определяют из опытов в
калориметрической бомбе, которая
погружена в воду при температуре t=15°C.
При этом влага из жидкого состояния
превращается пар.
Фактически при выстреле вода находится в парообразном состоянии.
Qv(ж)= Qv(пар) + 620·n/100
где: n – процентное содержание воды в продуктах разложения пороха по весу.
620 – количество больших калорий, выделяемое при конденсации 1 кг водяных
паров и охлаждении их до температуры 15ºС (см. следующий слайд)
Теплота сгорания Qv ж может изменяться в пределах 600 – 1250 ккал/кг.
__________________________
Пьер Эжен Марселен Бертло (фр. Marcellin Berthelot; 1827 - 1907) — французский физикохимик. Пионер исследования кинетических реакций, один из основоположников
органического синтеза и термохимии.

40.

Уравнение для расчёта калорийности по результатам стрельб
(испытаний) в калориметрической бомбе:
Qv(ж)= Qv(пар) + 620·n/100
где: n – процентное содержание воды в продуктах разложения пороха по весу.
620 – количество больших калорий, выделяемое при конденсации 1 кг
водяных паров и при последующем охлаждении воды до температуры 15ºС
Дано:
Решение:
Масса m = 1 кг
Удельная теплоёмкость
с = 4200 Дж/кг•К
Удельная теплота конденсации
L=2,3•106 Дж/кг
Т1 = 100оС
Т2 = 15оС
Q = Qохл. + Qконд.
Qохл. = сm(T1 –T2) = 4200 • 1(100 - 15) = 357 кДж
Qконд. = L • m = 2300 • 1 = 2300 кДж
Q = 357 + 2300 = 2657 кДж ≈ 620 ккал.

41.

Обычно по условиям взрывчатого превращения различают теплоту при
постоянном объёме Qv и при постоянном давлении Qp
Определяются названные теплоты соответственно, исходя из величин
теплоёмкостей, таже определённых при постоянном объёме сv – изохорная
теплоёмкость или при постоянном давлении ср – изобарная теплоёмкость.
[Дж/кг · К]
Qv =сv· t
и Qр =ср· t
Все теплофизические характеристики материала связаны между собой выражением:
а=λ/ср·ρ,
где а- температуропроводность, м2/с и λ – теплопроводность, Вт/м · К.

42.

6. К физико-химическим характеристикам пороха относят также и содержание
летучих компонентов Н.
Различают летучие компоненты пороха, которые удаляются при 6-часовой сушке
при температуре 370 К, их обычно считают за влагу.
Неудаляемые при сушке летучие компоненты относят на счёт спиртоэфирной смеси,
оставшейся в порохе и желатинирующий его.
Основные
характеристики
порохов
ПП
БП
ρ, г/см3
1,56 - 1,60
1,54 - 1,62
Q, кДж/кг
W1, дм3/кг
2933 - 4190
910 – 970
2723 - 5477
800 – 860
Т1 ,К
2500 - 2800
3000 – 3500
H, %
2,0 - 7,0
0,5
42

43.

Баллистические и энергетические характеристики пороха
Баллистическими характеристиками пороха называют величины, от которых зависит
наибольшее давление - Рm и скорость нарастания давления при сгорании пороха в
постоянном объеме dР/dτ.
Они зависят от физико-химических характеристик пороха, технологии его изготовления и
геометрических размеров порохового зерна.
1. Сила пороха ƒ, Дж/кг – представляет собой работу, которую могли бы совершить
газообразные продукты горения 1 кг пороха, расширяясь изобарически под
атмосферным давлением при нагревании их от 0 до температуры горения Т1, К.