Искрофорсовый пиротехнический состав

Изобретение относится к пиротехнике, а именно к пиротехническим составам для снаряжения реактивных летательных игрушек. Предложен искрофорсовый пиротехнический состав, содержащий калий хлорнокислый, калий бензойнокислый, фенолформальдегидную смолу и порошок алюминия, титана, алюминиево-магниевого сплава или их смесь в качестве металлического горючего. Изобретение направлено на повышение энергетики и газообразования при горении пиротехнического состава. 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к термическим составам, а более конкретно к пиротехническим составам для снаряжения реактивных летающих игрушек.

Пиротехнические летающие изделия с реактивной тягой (ракеты, фейерверки, патроны и т.п.) широко используются для создания зрелищных эффектов, сигнализации. Средством перемещения служит реактивный двигатель, снаряженный пиротехническим зарядом, при горении которого образуются газообразные продукты, выбрасываемые через сопло.

В зависимости от назначения изделия двигатель помимо создания реактивной тяги может формировать форсовое и/или звуковое сопровождение полета, что определяется выбором пиротехнического состава для реактивного заряда.

Уровень данной области техники характеризуют следующие составы, способные создавать при горении форсовый или звуковой эффекты.

Пиротехнический искрофорсовый состав для фейерверков по патенту RU 1740359, содержащий, мас.%: 30-47 неорганического нитратного окислителя, 11-22 перхлората аммония, 2-8 магния, 8-18 алюминия, 6-15 сополимера ВА-15, 1-3 нитропленки и 7-19 ферросилиция, создает при горении яркий форсовый след на полете изделия. Однако при этом отсутствует звуковой эффект, что снижает эмоциональную восприимчивость потребителя, а также из-за малой скорости горения развивается очень низкая тяга, что ограничивает использование состава для летающих игрушек.

Более совершенным является состав по патенту RU 2176231, который содержит, мас.%: 70-93 дымного пороха, 5-23 искрообразующей металлической добавки, 1,5-4,5 фенолформальдегидной смолы и 0,5-2,5 нитропленки. Этот термический состав при горении развивает более высокое значение тяги и создает сильный форсовый эффект, но звуковое сопровождение полностью отсутствует.

Известны составы, горение которых сопровождается сильным звуковым (свистящим) эффектом, описанные в книге А.А.Шидловского «Основы пиротехники, М., «Машиностроение, 1973 г., которые включают 75% хлората калия и 25% галловой кислоты (вместо последней могут быть использованы резорцин, флороглюцин, пикриновая кислота, салициловая или бензойная кислоты или их смеси.

Эти составы имеют высокие скорости горения и дают высокие значения тяги, однако имеют очень слабый форсовый эффект. Кроме того, указанные составы характеризуются повышенной чувствительностью к механическим воздействиям и поэтому опасны при изготовлении и переработке.

По числу совпадающих существенных признаков в качестве наиболее близкого аналога выбран искрофорсовый состав цветного огня для фейерверков по патенту RU 2192406, С06В 33/06, 2002 г., который содержит, мас.%: 28-37 калия хлорнокислого, 13-17 калия бензойнокислого, 9-14 магния, 6-9 титана, 1,99-2,95 алюминиево-магниевого сплава, 0,01-0,05 нитропленки в виде покрытия на частицах металла и сплава, 4-6 фенолформальдегидной смолы и 14-38 нитрата щелочного или щелочно-земельного металла.

Известный состав при горении дает хороший искрофорсовый эффект, имеет невысокую чувствительность к механическим воздействиям и технологичен в серийном производстве зарядов для фейерверков.

Состав образует красочный и объемный шлейф искр длиной не менее 40 см насыщенного цвета ядра пламени.

Однако недостатком известного состава является то, что из-за относительно малого количества газообразующих продуктов при горении он не может использоваться в летающих игрушках с реактивной тягой. Это объясняется, в частности, тем, что относительно низкая температура газообразных продуктов уменьшает их объем, следовательно, и развиваемую тягу, в результате чего высота подъема реактивной ракеты с фейерверком или протяженность дистанции летающей игрушки ограничены.

Тяга определяется расходом и термодинамическими характеристиками продуктов сгорания состава, поэтому для получения максимальных тяговых параметров необходимо стремиться к увеличению скорости горения пиротехнического состава и обеспечению наибольшего количества газообразных продуктов сгорания с низкой молекулярной массой и повышенной температурой горения.

Форсовый эффект создается за счет неполного окисления частиц металла и органического горючего в камере двигателя и догорания их в атмосфере. При этом неизбежно снижаются энергетические характеристики состава, что приводит к некоторому падению тяги.

Звуковой эффект определяется расходом и составом продуктов сгорания.

Таким образом, для создания звукового искрофорсового состава со значительными тяговыми характеристиками для пиротехнических летающих изделий необходимо учитывать качественный и количественный состав реактивного заряда, то есть необходим целевой и функциональный выбор компонентов, а также оптимизация их соотношения.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является усовершенствование пиротехнического состава для значительного повышения газообразования при горении, увеличивающего тяговые параметры реактивного заряда, и получения комплексного потребительского эффекта летающих игрушек: одновременно стабильного форсового следа и устойчивого звука на большей дистанции полета игрушечных изделий.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном искрофорсовом пиротехническом составе, содержащем калий хлорнокислый, калий бензойнокислый, металлическое горючее, порошок алюминия, титана, алюминиево-магниевого сплава или их смеси (металлическое горючее) и фенолформальдегидную смолу, согласно изобретению металлическое горючее он содержит в виде порошка с размером частиц от 5 до 150 мкм, а калий бензойнокислый - с удельной поверхностью 2000-12000 см²/г, при этом компоненты содержатся в следующем соотношении, мас.%:

калий хлорнокислый	51-86
калий бензойнокислый	10-25
металлическое горючее	2-16
фенолформальдегидная смола	2-8

Отличительные признаки обеспечили составу заметное повышение энергетики и газообразования при горении, а также дополнительный к форсовому звуковой эффект.

Значительное увеличение долевого содержания калия хлорнокислого определено необходимостью повышения газообразования состава при горении, что обеспечивает повышение тяги в реактивном летающем изделии и, следовательно, большую протяженность траектории его полета.

Содержание калия хлорнокислого в выбранном диапазоне является оптимальным, при котором достигается максимальная энергетичность состава.

В связи с увеличением доли калия хлорнокислого относительно снизилось количественное содержание металлической добавки, но в количестве, достаточном для устойчивого искрообразования - не менее 2 мас.%, иначе не происходит выраженного форсового следа.

При содержании в составе металлического порошка более 16 мас.% пропадает звуковой эффект, а также снижается газообразование при горении реактивного заряда из него.

Удельная поверхность калия бензойнокислого лимитирована в пределах оптимизированного диапазона содержания с целью достижения дополнительного звукового эффекта.

За пределами заявленного диапазона содержания калия бензойностойкого нет устойчивого звука при горении состава, скорость горения которого снижается, а также падает газообразование, то есть ухудшаются основные показатели назначения летающего фейерверочного реактивного изделия.

При использовании крупных фракций порошка калия бензойнокислого (с удельной поверхностью менее 2000 см²/г) резко падает скорость горения состава, в результате чего пропадает звук и падает реактивная тяга изделия.

Очень мелкие фракции порошка калия бензойнокислого (с удельной поверхностью более 12000 см²/г) увеличивают скорость горения пиротехнического состава, но при этом звуковой эффект становится слабым и неустойчивым.

Выбранные пределы содержания фенолформальдегидной смолы как связующего определены необходимостью сформировать прессованием пиротехнический заряд для реактивного двигателя летающей игрушки, имеющий высокие тяговые параметры, а также для получения стабильного форсового и устойчивого звукового эффектов.

Более высокое, сравнительно с прототипом, относительное содержание связующего обеспечивает формирование пиротехнического реактивного заряда повышенной плотности, который характеризуется стабильными служебными характеристиками (постоянство скорости горения состава, увеличение тяги и дистанции полета изделия), достигаемыми за счет исключения внутренних микротрещин и технологических дефектов несплошности заряда после прессования состава, имеющего больший коэффициент уплотнения.

Селекция фракционности металлического порошка в составе оптимизирована из условия создания максимального и стабильного искрофосфорного следа на траектории полета реактивного изделия, без потери газообразования при его горении с дополнительным звуковым эффектом.

При использовании в составе металлического порошка с размером частиц более 150 мкм последние не успевают прогреться при горении реактивного заряда для воспламенения, поэтому образуется слабовыраженный искрофорсовый след на траектории полета.

Распределенные в составе металлические частицы размером менее 5 мкм практически полностью сгорают в двигателе и не образуют стабильного форсового следа, то есть при этом не обеспечивается требуемый зрелищный эффект фейерверка от летающих игрушек.

Состав, в котором содержится менее 2 мас.% фенолформальдегидной смолы, из-за неравномерного распределения связываемых компонентов характеризуется нестабильной насыпной плотностью, в результате чего снижается коэффициент уплотнения заряда, а работа реактивного двигателя нестабильна, особенно при высоких давлениях в камере сгорания.

Увеличение содержания в составе фенолформальдегидной смолы более 8 мас.% нецелесообразно из-за снижения скорости горения, но, главное, при этом неустойчив звуковой эффект.

Кроме того, при увеличении доли связующего повышается вязкость композиции, смешивание которой трудоемко.

Целостность реактивного заряда для летающих изделий из предложенного состава и стабильность его основных технических характеристик назначения сохраняются при транспортировке, хранении и эксплуатации.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи является достаточной для получения новизны качества, не присущего признакам в разобщенности, то есть поставленная техническая задача решается не суммой эффектов, а эффектом суммы признаков.

Количественный состав выбранных структурных составляющих пиротехнического материала определялся расчетным путем для оптимизации композиции с многими переменными по математической модели планирования эксперимента.

Исключение из структуры пиротехнического материала нитролака и нитрата щелочного или щелочно-земельного металла упростило качественный состав и технологию его приготовления.

Для приготовления состава по изобретению калий хлорнокислый, калий бензойнокислый и металлическое горючее используют в полидисперсном порошкообразном состоянии, а фенолформальдегидную смолу - в виде раствора в спирте или ацетоне.

Все компоненты предложенного состава недефицитны.

Состав изготавливается по принятой в пиротехническом производстве технологии, смешиванием на лопастном смесителе. Одновременно перемешивают калий хлорнокислый, калий бензойнокислый и металлическое горючее, затем добавляют фенолформальдегидную смолу в виде раствора в спирте или ацетоне. Такая схема способствует более равномерному распределению частиц компонентов в составе, что обеспечивает стабильную скорость горения и тягу.

Результаты расчетов количественного содержания структурных компонентов состава были проверены на опытных образцах пиротехнических зарядов лабораторными измерениями и натурными летными испытаниями.

Испытания составов производились в фотокамере малой модели по ГОСТ 2389. При испытаниях определяли длину форса искр и призводили зрелищную оценку насыщенности ядра пламени искрами с фиксацией звукового сопровождения.

Составы по изобретению имеют среднюю чувствительность к трению и удару, технологичны в изготовлении и снаряжении.

Характерные составы и их эксплуатационные показатели приведены в таблице.

Показатели назначения искрофорсовых пиротехнических составов.
Наименование компонентов и характеристики составов	Исследуемые составы	Состав-прототип
№1	№2	№3	№4	№5
Калий хлорнокислый	45	51	68	86	89	28-37
Калий бензойнокислый	28	25	18	10	9	13-17
Алюминий	6	-	9	-	1	-
Титан	6	16	-	-	-	6-9
Алюминиево-магниевый сплав	6	-	-	4	-	1,99-2,95
Магний	-	-	-	-	-	9-14
Фенолформальдегидная смола	9	8	5	2	1	4-6
Нитропленка	-	-	-	-	-	0,01-0,05
Нитрат щелочного или щелочно-земельного металла	-	-	-	-	-	14-38
Скорость горения (мм/с) при Р=0,1 МПа	3,0	4,1	5,0	3,3	2,5	1,5-2,0
Содержание газообразных продуктов горения при нормальных условиях, м3/кг	290	420	430	330	190	220-280
Коэффициент уплотнения при Рпресс.=200 МПа	0,89	0,92	0,93	0,92	0,90	0,86-0,89
Тяга двигателя (⊘ 18 мм)
пиковая	16,7	29,0	35,5	20,9	6,4	4,0-4,5
рабочая	3,9	7,6	10,2	5,7	1,1	0,3-0,5
Наличие зрелищного эффекта:
форсового	есть	есть	есть	есть	нет	есть
звукового	нет	есть	есть	есть	нет	нет
Высота подъема, м	50	80	90	65	30	10

Из таблицы следует, что предложенный пиротехнический состав качественного и количественного содержания компонентов гарантированно обеспечивает стабильный форсовый и устойчивый звуковой эффекты при горении заряда с более высокой скоростью и повышенном газообразовании для увеличения высоты полета изделия, что обеспечивает улучшение показателей назначения реактивных игрушек, повышая их потребительскую ценность и востребованность.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения и выявленных аналогов уровня техники, из которого изобретение не следует явным образом для специалиста по пиротехнике, показал, что оно не известно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления искрофорсового пиротехнического состава можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.

Искрофорсовый пиротехнический состав, содержащий калий хлорно-кислый, калий бензойно-кислый, металлическое горючее и фенолформальдегидную смолу, отличающийся тем, что он содержит в качестве металлического горючего алюминий, титан, алюминиево-магниевый сплав или их смесь в виде порошка с размером частиц от 5 до 150 мкм, а калий бензойно-кислый с удельной поверхностью 2000-12000 см²/г при следующем содержании компонентов, мас.%:

калий хлорно-кислый	51-86
калий бензойно-кислый	10-25
металлическое горючее	2-16
фенолформальдегидная смола	2-8