Газогенерирующий пиротехнический состав
Владельцы патента RU 2634023:
Акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт прикладной химии" (RU)
Изобретение относится к газогенерирующим пиротехническим составам, которые служат для получения газообразного рабочего тела в силовых машинах импульсного действия и может быть использовано в качестве приводных, исполнительных устройств автоматики управления летательных аппаратов, в микродвигателях, в подушках безопасности автомобилей и др. Газогенерирующий пиротехнический состав включает горючее - нитрогуанидин, окислитель - селитру калиевую, алюминиево-магниевый сплав АМД, пятиокись ванадия и целлюлозосодержащее горючее связующее в виде 15%-ного раствора нитропленки в ацетоне в количестве 5-9 мас.% на сухое вещество. При этом связующее покрывает твердые частицы композиции легковоспламеняемым слоем. Состав характеризуется увеличением газопроизводительности при сгорании состава с повышенной скоростью при температуре, сопоставимой с прототипом, а также существенным облегчением воспламеняемости негигроскопичных зарядов из него, длительно сохраняющих функциональность при открытом содержании. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 пр.
Изобретение относится к пиротехнике, а более конкретно к газогенерирующим при горении составам, содержащим неорганические соли кислородных кислот азота и нитроцеллюлозу, которые служат для получения газообразного рабочего тела в силовых машинах импульсного действия и может быть использовано в качестве приводных, исполнительных устройств автоматики управления летательных аппаратов, в микродвигателях, в подушках безопасности автомобилей и др.
Уровень данной области техники характеризуют газообразующие пиротехнические составы, описанные в патентах US №0248062, US №0228254, RU №2540669, которые содержат окислитель, органическое горючее и связующее с различными технологическими и функциональными добавками.
Указанные составы характеризуются низкой температурой горения, большой газопроизводительностью, малым содержанием в рабочем теле конденсированной фазы.
Однако эти составы практически непригодны для использования в качестве генерирующих рабочее тело импульсных приводных устройств средств автоматического управления, где требуется высокая температура горения заряда с повышенной скоростью, при минимальной молекулярной массе продуктов сгорания.
Из патентной литературы известен газогенерирующий пиротехнический состав, отвечающий вышеотмеченным требованиям, для создания высокого удельного импульса силы, который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному составу по патенту US №6497774 В2, С06В.
Известный газогенерирующий пиротехнический состав, который используется в газогенераторах надувных подушек безопасности автомобиля, включает горючее - нитрогуанидин, окислитель - нитрат стронция (селитру) и Na-карбоксиметилцеллюлозу в качестве органического горючего связующего, которые содержатся в следующем соотношении, мас. %:
| нитрогуанидин | 30-40 |
| селитра стронциевая | 40-65 |
| целлюлозосодержащее связующее | 3-12 |
С учетом возможных диапазонов содержания структурных компонентов в известном составе рассчитаны его термодинамические характеристики, которые составляют: температура сгорания 1670-2520 K, газопроизводительность не более 0,6 м3/кг, молекулярная масса продуктов сгорания 26-30 и содержание конденсированной фазы до 23%. В продуктах горения состава не содержатся токсичные и вредные вещества, что определяет применяемость по назначению.
Недостатками известного газогенерирующего пиротехнического состава является затруднительная воспламеняемость без дополнительных специальных средств, обязательное капсюлирование заряда из-за его гигроскопичности, чтобы длительное время обеспечить функциональность, и относительно низкие газопроизводительность и скорость горения, необходимые в приводах импульсного действия.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение показателей назначения газогенерирующего пиротехнического состава, образующего рабочее тело силовых механизмов импульсного действия.
Требуемый технический результат достигается тем, что известный газогенерирующий пиротехнический состав, включающий горючее нитрогуанидин, окисляющую селитру и целлюлозосодержащее горючее связующее, согласно изобретению содержит селитру калиевую, алюминиево-магниевый сплав АМД, пятиокись ванадия, а горючее связующее введено в виде 15%-ного раствора нитропленки в ацетоне в количестве 5-9 мас. % на сухое вещество при следующем соотношении компонентов (мас. %):
| нитрогуанидин | 53-57 |
| селитра калиевая | 32-28 |
| сплав АМД | 4-6 |
| пятиокись ванадия | 2-4 |
| нитропленка | 5-9 |
при этом твердые частицы состава покрыты легковоспламеняемым слоем связующего.
Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили увеличение газопроизводительности при сгорании состава с повышенной скоростью при температуре, сопоставимой с прототипом, существенное облегчение воспламеняемости негигроскопичных зарядов из него, длительно сохраняющих функциональность при открытом содержании.
При этом в продуктах сгорания с молекулярной массой не выше 27, которые не содержат токсичных и вредных веществ, конденсированная фаза снижена до 14%
Введение в газогенерирующий пиротехнический состав в качестве окислителя селитры калиевой, которая химически разлагается при пониженной температуре, в сочетании с калорийным и активным металлическим горючим - сплавом АМД, облегчило воспламенение зарядов при высокотемпературном и высокоскоростном горении состава.
Использование в качестве горючего связующего нитропленки, готового кислородсодержащего продукта технологии получения нитроцеллюлозы, который способен самостоятельно гореть, поддерживая температуру горения состава на уровне прототипа, заметно снижает потребительскую стоимость состава в целом.
Функциональная добавка - пятиокись ванадия способствует увеличению скорости горения состава, сравнительно с прототипом, на 60%.
Содержание в газообразующем пиротехническом составе нитрогуанидина больше 57 мас. % приводит к нестабильному воспламенению и неустойчивому горению в результате сопутствующего уменьшения доли горючего связующего компонента и металлического горючего.
При содержании в газообразующем пиротехническом составе нитрогуанидина меньше 53 мас. % снижается эффективность газообразования из-за уменьшения доли газообразующего вещества.
При содержании в газообразующем пиротехническом составе селитры калиевой больше 32 мас. % значительно повышается температура горения состава, появляются нежелательные примеси в рабочем теле и увеличивается в нем содержание конденсированной фазы.
Содержание в газообразующем пиротехническом составе селитры калиевой менее 28 мас. % приводит к нестабильному воспламенению и неустойчивому горению в результате значительного уменьшения кислородного баланса состава.
Алюминиево-магниевый сплав АМД представляет собой комплексное металлическое горючее, которое характеризуется удовлетворительной прочностью и высокой пластичностью. Выполнение сплава АМД в форме дисперсионного порошка обеспечивает высокую технологичность составу при формировании заряда.
При содержании в предложенном пиротехническом составе сплава АМД меньше 4 мас. % ухудшается воспламеняемость уплотненного заряда из него.
При содержании в газообразующем пиротехническом составе сплава АМД больше 6 мас. % значительно увеличивается содержание конденсированной фазы в генерируемых газах, что создает дополнительные трудности использования по назначению.
Пятиокись ванадия в газообразующем составе служит активатором горения, оптимизированное содержание которой в диапазоне 2-4 мас. % гарантированно обеспечивает необходимый уровень скорости горения зарядов не ниже 16 мм/с.
При содержании в газообразующем пиротехническом составе нитропленки меньше 5 мас. % не обеспечивается необходимая прочность зарядов из-за неравномерного распределения в объеме связующего компонента.
Содержание в газообразующем пиротехническом составе нитропленки больше 9 мас. % делает полученную в результате мешки пиротехническую смесь нетехнологичной из-за длительного времени ее сушки провяливанием для удаления растворителя (ацетона).
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Сравнение предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники не определило идентичного совпадения совокупности существенных признаков изобретения.
Предложенные отличия газогенерирующего пиротехнического состава, которые прямо не следуют из постановки технической задачи не являются очевидным для специалиста по пиротехнике.
Изготовление функционального состава по изобретению во взаимосвязи совокупности структурных компонентов возможно осуществлять на действующем пиротехническом производстве.
Из вышесказанного можно сделать вывод о соответствии изобретения условиям патентоспособности.
Оптимальный количественный состав предложенного газогенерирующего пиротехнического состава был рассчитан по математической модели планирования эксперимента и проверен испытаниями опытных образцов зарядов для силовых установок, изготовленных из составов с различным массовым соотношением компонентов.
Правильность выбора массового соотношения компонентов состава подтверждена опытными результатами огневой проверки функционирования зарядов по назначению, которые показали достижение лучших показателей по газообразованию при повышенных скорости и температуре горения зарядов, компоненты составов которых содержатся в пределах заявленных диапазонов.
При этом испытания показали, что в продуктах горения предложенного состава с молекулярной массой не выше 27 содержание конденсированной фазы не превышает 14%, что в полтора раза ниже, чем в аналогах.
Сущность изобретения поясняется примером приготовления газогенерирующего пиротехнического состава.
Состав по изобретению приготавливается по принятой в пиротехнической отрасли технологии смешивания компонентов в промышленном смесителе.
В смеситель последовательно загружают все порошкообразные компоненты мерными дозами (мас. %): 55±2 нитрогуанидин, 30±2 селитру калиевую, 5±1 алюминиево-магниевый сплав марки АМД и 3±1 пятиокись ванадия, которые перемешивают в течение 10-12 минут для равномерного распределения в объеме.
Затем в смеситель вводят заранее приготовленный 15%-ный раствор нитропленки в ацетоне в количестве 5,75-10,35 мас. % и вновь перемешивают в течение 7-10 минут, чтобы твердые частицы композиции покрыть липким слоем легковоспламеняемого коллоксилина.
После этого пластифицированную смесь выгружают на лотки слоем 1-2 см и сушат до содержания летучих компонентов и влаги не выше 0,6 мас. %.
Приготовленный состав направляют на прессование газогенерирующих зарядов.
В таблице приведены характерные составы испытанных зарядов, в которых компоненты находятся в пределах заявленных диапазонов, на его границах и за границами оптимизированных диапазонов содержания.
Как показали испытания опытных образцов, заряды из составов 2-4 при горении полностью обеспечили требуемые показатели назначения (в среднем): газопроизводительность 0,73 м3/кг, температура стабильного горения 2478 К со скоростью 5,7 мм/с. При этом в продуктах сгорания состава с молекулярной массой 24 содержание конденсированной фазы составляет меньше 14%.
Заряд из состава 1 не обеспечивает необходимую газопроизводительность из-за уменьшения доли газообразующего компонента, а также характеризуется высоким содержанием конденсированной фазы в результате повышенной доли металлического горючего.
Заряд из состава 5 имеет неудовлетворительную прочность из-за малой доли нитропленки (коллоксилина), вследствие чего наблюдалось неустойчивое горение, а уменьшение доли металлического горючего привело к нестабильному воспламенению.
Газогенерирующий пиротехнический состав по изобретению характеризуется температурой горения, сопоставимой с максимальными значениями по прототипу, молекулярная масса продуктов горения соответствует минимуму по известным составам, при этом газопроизводительность поднялась на 20%, скорость горения зарядов увеличилась на 60%, а содержание конденсированной фазы в генерированных газах не превышает 14%, что практически вдвое ниже, чем по прототипу.
Достигнутые показатели назначения газогенерирующего пиротехнического состава позволяют рекомендовать его на серийное производство для поставок заказчикам.
1. Газогенерирующий пиротехнический состав, включающий горючее - нитрогуанидин, окисляющую селитру и целлюлозосодержащее горючее связующее, отличающийся тем, что он содержит селитру калиевую, алюминиево-магниевый сплав АМД, пятиокись ванадия, а горючее связующее введено в виде 15%-ного раствора нитропленки в ацетоне в количестве 5-9 мас. % на сухое вещество, при следующем соотношении компонентов (мас. %):
| нитрогуанидин | 53-57 |
| селитра калиевая | 32-28 |
| сплав АМД | 4-6 |
| пятиокись ванадия | 2-4 |
| нитропленка | 5-9 |
2. Состав по п. 1, отличающийся тем, что твердые частицы состава покрыты легковоспламеняемым слоем связующего.
