Главная
страница 1страница 2страница 3страница 4


ФедеральнОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

имени И.И. Ползунова»

Бийский технологический институт (филиал)

С.А. Светлов

ПИРОТЕХНИЧЕСКИЕ СОСТАВЫ И ИЗДЕЛИЯ
Учебное пособие для студентов специальности 240706 «Автоматизированное производство химических предприятий»

Бийск 2006

УДК 662.1(075.8)

Светлов, С.А. Пиротехнические составы и изделия: учебное пособие для студентов специальности 240706 «Автоматизированное производство химических предприятий».

Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2006. – 38 с.

В учебном пособии приведены сведения о компонентах и технологии получения пиротехнических составов, рассмотрены свойства пиротехнических составов (осветительных, сигнальных, зажигательных), а также конструкции изделий, снаряженных пиротехническими составами.

Учебное пособие предназначено для студентов очной и очно-заочной форм обучения специальности 240706, изучающих дисциплину «Машины и агрегаты для переработки и изготовления смесей».




Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры технологии химического машиностроения. Протокол № 2 от 23 ноября 2006 года.

Рецензент: к.т.н., доцент, зав. лаб. ИПХЭТ СО РАН Василишин М.С.

 БТИ АлтГТУ, 2006

ВВЕДЕНИЕ


Вещества и смеси, дающие при горении световые, тепловые, дымовые, звуковые и реактивные эффекты, называют пиротехническими составами. Пиротехнические составы представляют собой механические смеси. Они состоят в основном из окислителей и горючих веществ и содержат добавки, придающие составам дополнительные специальные свойства: окрашивающие пламя, образующие цветной дым, уменьшающие чувствительность состава (флегматизаторы), увеличивающие механическую прочность полученного состава (связующие).

1 ИСПОЛЬЗУЕМОЕ СЫРЬЁ


В качестве окислителей в пиротехнических составах применяются нитраты, хлораты, перхлораты, окислы и перекиси металлов и некоторые хлорпроизводные. Из нитратов чаще всего применяются нитраты бария, калия, натрия и стронция. Из хлоратов применяют соль калия, из перхлоратов применяют соли натрия, калия и аммония. Из кислородных соединений металлов применяют те, которые способны сравнительно легко отдавать кислород: перекись бария, двуокись марганца, двуокись свинца, сурик, окись-закись железа (окалина) и окись железа. Кроме кислородсодержащих веществ, в качестве окислителя применяют гексахлорэтан.

В качестве горючих в пиротехнике применяются как неорганические, так и органические вещества. Из неорганических горючих чаще применяют высококалорийные металлы – алюминий, магний, сплавы алюминия с магнием и др. К органическим горючим относятся углеводороды (бензин, керосин, нефть, мазут, бензол, скипидар и др.), углеводы (крахмал, сахар, древесные опилки и др.) и смолы (бакелит, идитол, олифа). Роль горючих также выполняют некоторые дымообразователи, например, нафталин и др. Горючее выбирается с учетом задачи получения наибольшего специального эффекта, требуемого от данного пиротехнического состава.

Пиротехнические составы в изделиях должны гореть медленно, равномерно и устойчиво. Они должны обладать большой механической прочностью, чтобы при хранении или применении не происходило растрескивания, отколов и других повреждений изделия. Увеличение прочности достигается введением в состав связующих веществ, например, искусственных смол (идитола, бакелита, поливинилхлорида) и естественных смол (канифоли, шеллака), каучука, стеарина, парафина и других органических веществ. Органические связующие выполняют одновременно роль горючего и замедляют горение состава. В качестве связующего применяют олифу, декстрин.

К веществам, окрашивающим пламя в красный цвет, относятся соединения стронция, в зеленый цвет – соединения бария, в синий цвет – соединения меди. При использовании солей натрия происходит атомарное излучение паров натрия, которое используется для получения желтого пламени.

К флегматизаторам относятся смолы, парафин и масла.

2 ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ СОСТАВЫ И СРЕДСТВА


При современном состоянии боевой техники возросло значение действий войск ночью. Ночная темнота, хотя и затрудняет ведение наступательных и оборонительных операций, но позволяет более безопасно, чем днем, сосредоточивать силы и средства для атаки или для обороны, а также способствует нанесению внезапного удара по противнику.

Основными средствами освещения поля боя являются прожекторы, осветительные артиллерийские снаряды и авиабомбы (САБ), а также общевойсковые осветительные средства. Пиротехнические осветительные средства по сравнению с прожекторами имеют следующие преимущества: простота в обращении, быстрота приведения в действие, внезапность действия, возможность применения их на значительно больших, чем прожекторы, расстояниях, отсутствие громоздких электрических генераторов.

Пиротехнические осветительные средства могут использоваться при разведке и наблюдении, бомбометании с самолетов, для указания целей. Осветительные средства должны давать максимальную силу света в течение заданного промежутка времени. Минимальные освещенность и время освещения, необходимые для ориентировки на местности, составляют 1…2 лк и 5…6 секунд. Для получения отчетливого представления о расположении войсковых частей и огневых средств противника требуется время освещения не менее 10 секунд. При проведении каких-либо операций продолжительность освещения должна быть значительно больше, например, при ночном бомбометании с использованием САБ время освещения должно быть не меньше 4…5 минут.

Основными требованиями, предъявляемыми к осветительным средствам, являются сила света и время горения. В зависимости от назначения боеприпасов эти требования могут изменяться в довольно широких пределах. Кроме этого, задаются ограничения по размеру и весу боеприпасов, иногда указывается необходимый спектральный состав излучения пламени.

Осветительные средства классифицируются на группы следующим образом:

– средства артиллерии – осветительные снаряды (ОС) и осветительные мины (ОМ), реактивные осветительные снаряды (РОС);

– средства авиации – авиабомбы (САБ), посадочные осветительные авиабомбы и факелы;

– общевойсковые средства – осветительные патроны (ОП), выстреливаемые из пистолета-ракетницы, реактивные и осветительные бомбы, выстреливаемые из специальной мортиры, и осветительные гранаты, выстреливаемые из специального гранатомета;

– инженерные осветительные мины.

В зависимости от конструкции осветительные средства бывают парашютные и беспарашютные. В беспарашютных средствах время свечения ограничивается временем свободного падения звездки или факела и обычно не превышает 20…25 с. Осветительные элементы, снабженные парашютом, снижаются значительно медленнее, и потому их время горения может быть во много раз больше.

Осветительные составы делятся на быстро и медленно горящие. Первые, имеющие скорость горения 10 мм/с и больше, применяют обычно в относительно мелких изделиях (звёздки для пистолетных патронов и гранат). Эти составы имеют большую силу света с единицы горящей поверхности, чем медленно горящие составы. Для крупных изделий (факелы авиабомб, снарядов и мин), где время горения исчисляется минутами, пользуются медленно горящими составами, имеющими скорость горения 1…2 мм/с.

Осветительные составы также подразделяются на твердые и пластичные или гелеобразные. Практическое применение получили твердые осветительные составы, получаемые либо прессованием порошкообразной смеси компонентов, либо отверждением при нормальной или повышенной температуре.

Наиболее массовое применение нашли осветительные средства в артиллерии. Беспарашютный осветительный снаряд по устройству сходен с зажигательным термитно-сегментным снарядом, в котором вместо зажигательных элементов имеется до 16 осветительных элементов (по 3–4 в каждом ряду). Осветительный элемент представляет собой стальную оболочку в форме сегмента, в которую запрессовываются осветительный и воспламенительный составы. Воспламенение элементов и вышибного заряда обеспечивается лучом огня от дистанционной трубки.

Время горения элементов в зависимости от калибра снаряда составляет от 15 до 25 с, сила света одного элемента 20103 до 40103 св. Преимуществами беспарашютных снарядов по сравнению с парашютными являются простота конструкции, большой коэффициент заполнения камеры составом, большая суммарная поверхность горения и, следовательно, большая суммарная сила света, незначительный относ горящих элементов ветром в сторону от освещаемой цели. Основной недостаток беспарашютных снарядов – большая скорость падения элементов до 50 м/с, из-за этого для обеспечения освещения в течение 20…25 с снаряд вскрывается на высоте от 800 до 1000 м. Это приводит к тому, что освещенность местности в начале горения элементов получается небольшой, а затем быстро увеличивается по мере приближения элементов к земле.






1 – корпус; 2 – верхняя диафрагма; 3 – полуцилиндры факела; 4 – оболочка факела; 5 – осветительный состав; 6 – полуцилиндры для парашюта; 7 – парашют; 8 – войлочная прокладка; 9 – свинцовое обтюрирующее кольцо; 10 – дно; 11 – вышибной заряд; 12 – привинтная головка; 13 – втулка 14 – вертлюг; 15 – дистанционная трубка


Рисунок 1 – Осветительный парашютный снаряд калибром 122 мм

Большое распространение получили парашютные осветительные снаряды с выбрасыванием осветительного факела с парашютом через донную часть в направлении, обратном полету снаряда (рисунок 1) При полете снаряда газы вышибного заряда выбрасывают и воспламеняют факел. Факел и парашют помещены каждый в отдельности в пару стальных полуцилиндров, защищающих их от повреждения в момент выстрела и при выбрасывании из корпуса снаряда. По вылете из корпуса полуцилиндры расходятся в стороны и освобождают факел и парашют. При поступательном движении факел натягивает стропы, парашют наполняется воздухом и горящий факел опускается к земле со скоростью от 10 до 15 м/с. Для предотвращения закручивания строп парашют прикрепляется к факелу при помощи вращающегося на шарикоподшипниках вертлюга. Факел 122 мм осветительного снаряда имеет силу света около 5105 кд и при разрыве на высоте от 400 до 500 м освещает площадь диаметром до 1000 м в течение 50…55 с.

Парашютные снаряды имеют ряд преимуществ по сравнению с беспарашютными, но в то же время они более сложны по конструкции и в снаряжении. Для размещения осветительного состава в них используется лишь половина или 1/3 объема каморы, а остальное пространство занято парашютом. При длительном хранении парашют может слеживаться и не раскрываться при полете. Кроме того, горящий факел парашютных снарядов может уноситься ветром довольно далеко в сторону от освещаемой цели. Наибольшие трудности, встречающиеся при создании парашютных снарядов, связаны с опасностью разрушения внутреннего снаряжения в момент выстрела и при вышибании из корпуса, а также с возможностью скручивания парашюта при его раскрывании.

Осветительные авиабомбы кроме целей освещения местности используются для ослепления противовоздушной обороны противника, в качестве мишени при учебных стрельбах зенитной артиллерии. Воспламенение факела бомбы осуществляется при помощи терочного воспламенителя, срабатывающего в момент раскрытия парашюта. Факел состоит из картонной или металлической оболочки, в которую запрессованы основной и воспламенительный составы.

Наиболее массовыми из общевойсковых осветительных средств являются осветительные патроны (беспарашютные и парашютные, выстреливаемые из пистолета-ракетницы, и реактивные). На рисунке 2 показано устройство 26 мм беспарашютного патрона. При ударе бойка воспламеняется капсюль, поджигающий вышибной заряд дымного пороха, горячие газы воспламеняют осветительный элемент (звёздку) и одновременно выбрасывают его вместе с пыжами и металлическим кружком. При выстреле под углом от 45 до 50 градусов звёздка поднимается на высоту от 50 до 60 м, дальность полета составляет 120 м, время горения от 7 до 9 с, сила света не менее 50103 кд, радиус освещаемой площади 100 м. При нормальной работе звёздка полностью разгорается в наивысшей точке траектории и сгорает в воздухе, не долетая до земли.

На рисунке 3 показан парашютный патрон, отличающийся тем, что из пистолета выстреливается металлическая или бумажная оболочка с замедлителем, снаряженная дополнительным вышибным зарядом, звёздкой и прикрепленным к ней парашютом. В верхней точке траектории замедлитель прогорает и поджигает дополнительный вышибной заряд. Давлением образующихся газов звёздка с парашютом выбрасывается из оболочки и одновременно воспламеняется. При медленном спуске на парашюте звёздка равномерно освещает местность. При стрельбе под углом 45° звёздка поднимается на высоту 40 м и горит в течение 16 с.




1 – бумажная гильза; 2 – металлическая крышка; 3 – наковаленка; 4 – капсюль; 5 – вышибной заряд дымного пороха; 6 – картонный пыж; 7 – марлевый кружок; 8 – войлочный пыж; 9 – осветительная звёздка; 10 – пыж; 11 – металлический кружок; 12 – опознавательные знаки


Рисунок 2 – 26 мм осветительный патрон

Реактивные патроны отличаются тем, что осветительные элементы (парашютные или беспарашютные) доставляются на вершину траектории при помощи миниатюрного порохового ракетного двигателя. К общевойсковым осветительным средствам относятся также осветительные гранаты.

Работы по усовершенствованию осветительных средств ведутся в направлении увеличения силы света и времени горения, дальности полета и высоты подъема. Предложен ряд способов сообщения звёздке вращательного движения: при помощи разного рода направляющих, раскручивающих звёздку в канале пистолета, за счет реакции истекающей струи продуктов сгорания и т.п.

При сгорании единицы массы состава должно выделяться максимальное количество световой энергии, причем желательно, чтобы основная часть ее выделялась в спектральной области, к которой наиболее чувствителен человеческий глаз. Достаточное количество лучистой энергии получается только при сгорании пламенных составов, выделяющих не менее 1,5 ккал/г (6,3 кДж/г). Это число служит критерием для проверки правильности подбора компонентов осветительного состава.

Значение светового коэффициента полезного действия определяется многими факторами: излучающей способностью продуктов горения; спектральным составом излучения; размерами и оптическими свойствами пламени; скоростью горения состава и др. Для получения наибольших значений светового кпд следует путем подбора рецепта состава и конструкции изделия стремиться к тому, чтобы образующееся при горении составов пламя имело максимальную температуру, содержало в себе достаточное количество твердых или жидких частичек, хорошо излучающих свет в накаленном состоянии, имело наибольшую поверхность излучения.






1 – бумажная гильза; 2 – капсюль-воспламенитель; 3 – вышибной пороховой заряд; 4 и 5 – пыжи; 6 – бумажная гильза, снаряженная звёздкой и парашютом; 7 – замедлитель; 8 – дополнительный вышибной заряд; 9 – пыж; 10 – звёздка; 11 – парашют ; 12 – опознавательный пыж


Рисунок 3 – 26 мм осветительный парашютный патрон

Одним из важнейших факторов, определяющих силу света, является температура пламени. Температура пламени, в свою очередь, тем выше, чем больше калорийность состава. Продукты горения должны быть устойчивыми при высоких температурах с тем, чтобы не затрачивалось большое количество тепла на их диссоциацию.

Основой каждого состава является смесь горючего и окислителя. Суммарное количество других компонентов в осветительных составах редко превышает 10…15 %, поэтому качество состава в основном определяется выбором горючего и окислителя и установлением оптимального соотношения между ними.

При рассмотрении горючих веществ принимается во внимание не только количество тепла, выделяющееся при их сгорании, но и другие свойства, как самого горючего, так и продуктов его окисления. В качестве горючих для осветительных составов выбирают простые вещества (элементы), теплота образования 1 г оксида которых составляет не менее 8,4 кДж. К числу таких горючих относятся следующие вещества: металлы Be, Мg, А1, Са, Тi, Zr и неметаллы Н, С, В, Si, Р.

При выборе горючего необходимо учитывать, что значительная часть продуктов его окисления должна плавиться при высокой температуре, не испаряться и не диссоциировать при температуре горения, чтобы в пламени находилось значительное количество твердых и жидких частиц. Продукты окисления горючего должны быть высокоплавящимися и труднолетучими веществами. Водород, углерод и фосфор не удовлетворяют этому требованию и потому не применяются в качестве основных горючих, кроме того, температура горения фосфора на воздухе не превышает 1500 °С.

Наибольшее количество тепла получается при сгорании в осветительных составах магния или алюминия. Оксиды этих металлов обладают, кроме того, хорошей излучающей способностью. Всё это, вместе взятое, является достаточным основанием для применения в осветительных составах главным образом алюминия или магния, а также их сплавов или смесей. Применение кальция или его сплавов ввиду их большой коррозионной способности не представляется возможным. Световая отдача титана при сгорании его в кислороде получается несколько меньшей, чем магния и алюминия, испытанных в тех же условиях. Количество тепла, выделяющееся при сгорании титана, также меньше, чем для магния или алюминия.

При выборе окислителя целесообразно выбирать такой окислитель, на разложение которого требуется минимальное количество тепла. Однако, хотя хлораты совсем не требуют тепла для своего разложения, хлоратные составы обычно весьма чувствительны к механическим воздействиям и потому на практике в осветительных изделиях не используются. В меньшей мере те же соображения относятся к окислителям – перхлоратам, однако перхлораты чрезвычайно гигроскопичные вещества.

Наиболее часто в качестве окислителей для осветительных составов применяют нитраты. Из нитратов в осветительных составах чаще других применяется нитрат бария (соль негигроскопичная) и нитрат натрия (соль гигроскопичная). Нитрат натрия имеет то преимущество, что при введении его в состав в пламени возникает интенсивное излучение в желтой части спектра.

В качестве окислителей применяются соли металлов, имеющих малый атомный вес. Эти соли содержат большее количество кислорода, а изготовленные с их участием составы содержат больший процент горючего и поэтому выделяют при сгорании большое количество тепла.

Введение в составы натриевых солей, наоборот, повышает световые показатели составов. Нитрат натрия является одним из лучших окислителей, обеспечивающих высокие светотехнические показатели составов. Значения удельной светосуммы составов, окислителями в которых являются нитраты бария и стронция, могут быть признаны удовлетворительными. Нитрат бария придает пламени слегка зеленоватый оттенок; нитрат стронция сообщает пламени бледно-розовую окраску. Однако нитрат стронция редко применяется в осветительных составах, так как соль эта более гигроскопична, чем нитрат бария.

В двойных смесях для осветительных составов часто дается некоторый избыток горючего с таким расчетом, чтобы горючее могло сгорать за счет кислорода воздуха. Так, например, содержание магния в двойных смесях может составлять до 50…70 %. Но не всегда можно употреблять двойные смеси с большим содержанием в них металлических порошков, так как скорость горения составов значительно возрастает с увеличением содержания в них металлического горючего. Световые характеристики двойных смесей нитрата натрия с магниевым порошком приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Световые характеристики смесей

состава


Состав, %

Плотность, кг/м3

Скорость горения, мм/с

Удельная свето-сумма,

св с/г


Свето-отдача,

лм/вт


нитрат натрия

магний

1

70

30

1900

4,7

9800

22,6

2

60

40

1700

11,0

15200

25,0

3

50

50

1700

14,3

20000

23,0

В таблице 2 показана зависимость светотехнических показателей смесей от содержания в них алюминия. Составы 2–5 содержат избыток горючего, который частично сгорает за счет кислорода воздуха, а частично образует нитрид.

Таблица 2 – Светотехнические характеристики смесей нитрата бария с алюминиевой пудрой

№ состава

Содержа-ние алюминия, %

Плотность, кг/м3

Скорость горения, мм/с

Сила света, св (кд)

Удельная светосумма, св с/г

1

26

2700

3,0

51000

13800

2

36

2700

5,0

86000

14500

3

39

2600

5,5

87000

13300

4

45

2600

6,6

82000

10700

5

51

2600

5,9

60000

8600

Как видно из таблицы 2, скорость горения состава увеличивается с увеличением содержания алюминия, но только до определенного предела (45%); лучшими световыми показателями обладают составы 2 и 3 с умеренным превышением состава горючего.

Реальный состав создают исходя из заданной линейной скорости горения, стремясь при этом получить значение удельной светосуммы не менее 20000 св с/г. К рассмотренным выше двойным смесям с целью замедления горения состава, придания ему прочности в спрессованном виде и увеличения его химической стойкости добавляют различные органические вещества: смолы, минеральные масла, олифу, парафин, стеарин и др.

Многокомпонентные составы обычно имеют меньшую скорость горения, чем соответствующие двойные смеси, но вместе с тем и меньшую силу света. Удельная светосумма составов с магниевым порошком снижается от введения органических веществ гораздо меньше, чем это наблюдается для составов, содержащих алюминиевую пудру или алюминиевый порошок.

Составы с алюминием при употреблении грубо измельченного алюминия или при введении в них большого количества органических связующих часто при горении сильно искрят. Явление искрения заключается в том, что частицы несгоревшего металла и раскаленные шлаки выбрасываются из пламени. При внимательном наблюдении можно заметить, что раскаленные частицы металла имеют большую яркость и по окраске своей сильно отличаются от темно-красных частиц шлака. Выбрасывание из пламени несгоревших частиц металла называется форсовым искрением в отличие от другого вида – шлакового искрения.

Понижение световых характеристик составов с алюминием при введении в них органических связующих, возможно, объясняется тем, что при наличии форсового искрения не происходит полного сгорания металла, вследствие чего значительно понижается температура пламени. Кислородный баланс составов при введении в них значительного количества органических веществ обычно становится резко отрицательным. Следует полагать, что введение в осветительные составы органических связующих в количестве, превышающем 5…6 %, в большинстве случаев нецелесообразно. Тем более, что известны и другие способы замедления горения составов, а именно: изменение степени дисперсности металлических порошков; добавление в алюминиевые составы легкоплавкого вещества – серы. Составы, содержащие серу, при горении сравнительно мало искрят даже при использовании грубозернистого алюминия. Добавление серы в алюминиевые осветительные составы вполне целесообразно, но введение более 10 % серы уже снижает их световые показатели.

Для повышения световых показателей составов в них часто вводят небольшое количество так называемых пламенных добавок. Чаще других для этой цели употребляются негигроскопичные, плохо растворимые в воде натриевые соли, например, фтористый натрий, криолит, а также фтористый барий и др.

С целью уменьшения пыления составов, содержащих тонкоизмельченные компоненты (алюминиевую пудру), в некоторых случаях к ним добавляют жирующие вещества. В качестве таких технологических добавок применяют различные масла. Введение жирующих веществ способствует также увеличению стойкости составов при хранении. Для защиты металлических порошков от коррозии и замедления горения в составы вводят иногда и такие вещества, как стеариновую кислоту или стеараты металлов.

Светотехнические показатели изделия определяются прежде всего, содержанием компонентов состава, степенью измельчения компонентов, степенью уплотнения состава. Известное влияние оказывает также материал оболочки факела. Наряду с этим большое значение имеют и условия, при которых происходит горение состава: начальная температура изделия, температура и давление окружающей среды, наличие и направление обдува при горении, положение пламени по отношению к горизонту (вниз или вверх, горизонтальное или наклонное положение). Размер и форма частиц порошков металлов, а также их удельная поверхность влияют на степень уплотнения состава и на скорость его горения. С уменьшением размера сферических частиц порошка, а значит, с увеличением удельной поверхности сила света и скорость горения увеличиваются.


следующая страница >>
Смотрите также:
Учебное пособие для студентов специальности 240706 «Автоматизированное производство химических предприятий»
484.57kb.
4 стр.
Учебное пособие для магистрантов и студентов гуманитарных специальностей Павлодар
2151.47kb.
9 стр.
Методическое пособие для студентов специальности 1  70 01 01 «Производство строительных изделий и конструкций»
487.32kb.
4 стр.
Учебное пособие для студентов металлургических специальностей Павлодар
1618.77kb.
9 стр.
Учебное пособие для студентов четвертого курса специальности 032301. 65 Регионоведение Чита 2011 (075)
558.84kb.
8 стр.
Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Социально-культурный сервис и туризм»
1816.45kb.
18 стр.
Методическое пособие по дисциплине «Пакеты прикладных программ в экономике» для студентов заочного обучения (бакалавр) 1 курса специальности 08010062 «Экономика предприятий и организаций», «Финансы и кредит»
684.88kb.
2 стр.
«техническое регулирование в кинематографии» учебное пособие
2360.88kb.
15 стр.
Учебное пособие по практической грамматике английского языка для студентов II курса
761.8kb.
7 стр.
Учебное пособие для студентов всех форм обучения специальности 080801 Прикладная информатика в экономике Разработчик
973.13kb.
13 стр.
Методическое пособие для студентов специальности 080507 "Менеджмент организации" по дипломному проектированию
1258.72kb.
13 стр.
Учебное пособие Санкт-Петербург 2012
3455.98kb.
18 стр.