Шидловский. Основы пиротехники. А. А. Шидловский основы пиротехники издание четвертое, переработанное и дополненное
 Скачать 2.26 Mb.
|
|
А. А. Шидловский ОСНОВЫ ПИРОТЕХНИКИ Издание четвертое, переработанное и дополненное Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов химико-технологических специальностей высших учебных заведений Москва «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1973 Шидловский А. А. Основы пиротехники. М, Машиностроение, Четвертое издание книги по сравнению с прежними изданиями переработано и содержит материалы, отражающие достижения пиротехники за последние годы. В книге излагаются общие теоретические основы пиротехники, описываются свойства компонентов, горючих и окислителей, современные методы составления и расчета пиротехнических составов, даются сведения о свойствах пиротехнических составов. Большое внимание уделено физической природе рассматриваемых процессов горения. Отдельно рассматриваются свойства различных видов пиротехнических составов (осветительных, зажигательных, твердого ракетного топлива и др. Книга является учебным пособием для студентов втузов. Она также представляет интерес для научных работников и инженеров, работающих в области пиротехники ив смежных с ней областях. Табл. 85. Ил. 89. Рецензенты кандидаты техн. наук Н. Н. Иванова и НА. Бильдюкевич Издательство Машиностроение, 1973 г. Александр Александрович Шидловский ОСНОВЫ ПИРОТЕХНИКИ Редактор И. А. Суворова Технический редактор В. Д. Элькинд Переплет художника В. Б. Торгашева Корректор Л. Ф. Никифорова Сдано в набор 1/XII 1972 г. Подписано к печати 21/IV 1973 г. Т Формат 60X90 1/16 Бумага № 1 Печ. л. 20 Уч. -изд. л. 20,5 Тираж 5000 экз. Заказ 2176 ПРЕДИСЛОВИЕ Многочисленные и весьма разнообразные пиротехнические средства находят широкое применение в военном деле ив различных отраслях народного хозяйства. Развитие химии и физики горения обеспечивает возможность создания новых видов пиротехнических составов. В настоящее время в этой области накоплен значительный опыт. В предлагаемом учебном пособии (е издание) авторы стремились по возможности обобщить этот опыт. При написании книги были использованы опубликованные за последние годы работы как советских, таки иностранных специалистов. Излагаемый в книге материал курса Основы пиротехники состоит из двух частей. Впервой части дана классификация составов, рассматриваются методы испытания, общие для всех видов пиротехнических составов. Особое внимание при этом уделено рассмотрению процессов горения. Авторы стремились обобщить накопленный к настоящему времени материал о факторах, определяющих скорость горения составов, показать на некоторых примерах возможный механизм их горения. Вторая часть книги посвящена описанию отдельных видов пиротехнических составов и их специфических свойств. Здесь же дается краткое описание устройств и действия некоторых пиротехнических средств. Эта часть книги написана заново (гл. XI— обновлены главы II, VII, VIII, дано много новых рисунков. Параграфы 1—2 игл. гл. XII, XIII игл написаны канд. техн. наук И. И. Вернидубом, гл. XVIII—канд. техн. наук Е. С. Шахиджановым игл. канд. техн. наук В. И. Коноваловым. Параграф 9 гл. XI и частично § 6 гл. VI написаны инж. А. В. Сметана. Автор весьма признателен кандидатам техн. наук Н. Н. Ивановой и НА. Бильдюкевич за многие ценные замечания и указания, сделанные ими при рецензировании рукописи. Все замечания и пожелания по книге автор просит направлять по адресу Москва, Б, 1- й Басманный пер, 3, издательство «Машиностроение». Часть первая ОБЩИЕ СВОЙСТВА ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ И ИХ КОМПОНЕНТОВ ГЛАВА ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ И СОСТАВАХ Слово пиротехника произошло от греческих слов пир - огонь и техне - искусство, уменье. Пиротехника - это наука о свойствах пиротехнических (огневых) составов и изделий из них и способах их изготовления. Пиротехнические составы при сжигании (или взрыве) дают световой, тепловой, дымовой, звуковой или реактивный эффекты, используемые в военной технике ив ракетах различного назначения. 2 Применению пиротехнических составов в народном хозяйстве (в промышленности, на транспорте, при научных исследованиях и др) посвящена XXI глава там же сообщаются некоторые сведения о фейерверочных составах. § КЛАССИФИКАЦИЯ Пиротехническими составами снаряжают следующие виды средств военного назначения 1) осветительные средства (авиабомбы, артиллерийские снаряды, авиационные факелы и др, используемые для освещения местности в ночных условиях 2) фотоосветительные средства (фотобомбы, фотопатроны), используемые при ночной аэрофотосъемке и для других целей 3) трассирующие средства, делающие видимой траекторию полета пуль и снарядов (и других подвижных объектов) и тем самым облегчающие пристрелку по быстро движущимся целям 4) средства инфракрасного излучения, используемые для слежения за полетом ракет ив качестве ложных целей 5) ночные сигнальные средства (патроны и др, применяемые для подачи сигналов 6) дневные сигнальные средства (патроны и др, используемые для той же цели, нов дневных условиях) зажигательные средства (бомбы, снаряды, пули и многие Др, служащие для уничтожения военных объектов противника 8) маскирующие средства (дымовые шашки, снаряды и др, употребляемые для получения дымовых завес; 9) ракеты различного назначения и дальности полета, использующие твердое пиротехническое топливо 10) учебно-имитационные средства, употребляемые как на маневрах и ученьях, таки в боевой обстановке. Они имитируют действие атомных бомб, фугасных снарядов и бомба также различные явления на поле боя орудийные выстрелы, пожары и др, и могут этим дезориентировать службу наблюдения противника 11) целеуказательные средства (снаряды, бомбы и др, указывающие местонахождение объектов противника 12) пиротехнические газогенераторы, используемые для различных целей. Пиротехнические составы используются также ив различных областях народного хозяйства. К пиротехническим составам военного назначения можно отнести следующие 1) осветительные 2) фотоосветительные (фотосмеси); 3) трассирующие 4) инфракрасного излучения 3 5) зажигательные 6) ночных сигнальных огней 7) цветных сигнальных дымов 8) маскирующих дымов 9) твердое пиротехническое топливо 10) безпазовые (для замедлителей 11) газогенерирующие; 12) воспламенительные, содержащиеся в небольшом количестве во всех пиротехнических средствах 13) прочие имитационные, свистящие и др. Многие составы применяются в самых различных видах средств так, например, осветительные составы часто используют в трассирующих средствах составы маскирующих дымов могут быть использованы ив учебно-имитационных средствах и т. д. Пиротехнические составы можно также классифицировать по характеру процессов, протекающих три их горении. Пламенные составы 1. Белопламенные. 2. Цветнолламенные. 3. Составы инфракрасного излучения. Тепловые составы 1. Термитно-зажигательные. 2. Безгазовые (малогазовые). Дымовые составы 1. Белого и черного дыма. 2. Цветного дыма. Вещества и смеси, сгорающие за счет кислорода воздуха 1. Металлы и сплавы металлов. 2. Фосфор, его растворы и сплавы. 3. Смеси нефтепродуктов. 4. Различные вещества и смеси, загорающиеся при соприкосновении с водой или воздухом. § ГОРЕНИЕ СОСТАВОВ 4 В фомме горения могут протекать высокоэкзотермические химические реакции. Наблюдаемое при этом в большинстве случаев образование пламени (или свечение) не является, однако, непременным признаком горения так, например, при горении дымовых составов пламени и выделения света не наблюдается. Процесс горения характеризуется 1) наличием подвижной зоны реакции, имеющей высокую температуру (сотни и тысячи градусов) и отделяющей еще не прореагировавшие (холодные) вещества от продуктов реакции 2) отсутствием скачка давления в зоне реакции (в пламени этим процессы горения существенно отличаются от процессов взрыва. Горение пиротехнического состава — это окислительно-восстановительная реакция, в которой окисление горючих идет одновременно с восстановлением окислителей. По степени гомогенности начальной системы различают несколько видов горения: горение твердого или жидкого топлива за счет кислорода воздуха - это гетерогенное горение. Горение взрывчатых газовых (или жидких) смесей или индивидуальных взрывчатых веществ — это горение гомогенное. Пиротехнические составы — механические смеси твердых, тонко измельченных компонентов — по степени гомогенности находятся посередине между конденсированным топливом и индивидуальными веществами (или гомогенными смесями. Степенью гомогенности определяются многие свойства пиротехнических составов. Горение пиротехнических составов осуществляется теплопередачей из зоны реакции, к слоям, в которых идет подготовка к процессу горения. На том же принципе основано и воспламенение пиросоставов. Для возникновения горения, необходимо создать местное повышение температуры в составе это достигается обычно непосредственным воздействием на состав горячих пороховых газов или применением специальных воспламенительных составов. Когда пиросостав приводится в действие огневым импульсом и горние его происходит в открытом пространстве, то скорость горения его невелика (обычно несколько мм/с). Если же горение происходит в замкнутом пространстве или если в качестве инициатора используется капсюль-детонатор, то может возникнут взрыв (скорость которого измеряется сотнями, а иногда и тысячами мс. В некоторых случаях ускорение горения наблюдается и при сгорании в открытом пространстве большого количества пиротехнических составов. Для изготовления состава и снаряжения им изделия или средства проводятся следующие операции 1) подготовка компонентов (измельчение, сушка) 2) приготовление состава (смешение компонентов 3) уплотнение и формование состава (прессованием или иным способом 4) снаряжение им изделия. 5 Для нормального действия состава необходимо, чтобы компоненты его были тонко измельчены и равномерно смешаны. В хорошо изготовленном составе, за исключением термита частицы компонентов обычно уже неразличимы простым глазом. Уплотнением состава достигается замедление горения, уменьшение объема занимаемого им в изделии, и сообщение составу большой механической прочности. В большинстве изделии составы используются в уплотненном (спрессованном) виде. Подготовка компонентов чаще всего неопасна, так как взятые в отдельности компонентов составов в большинстве случаев нечувствительны к механическим воздействиям (удару, трению) и не обладают взрывчатыми свойствами. Однако этого нельзя сказать о горючих, рассеянных в воздухе в виде пыли. Известны случаи взрывов алюминиевой пыли. В некоторых случаях ударили трение могут вызвать воспламенение горючих. Так, например, наблюдалось воспламенение красного фосфора при протирании его через металлические сита. Исключением являются также окислители - перхлорат аммония, нитрат аммония и хлораты металлов, которые даже в чистом виде без горючих примесей при наличии мощного начального импульса могут дать взрыв. Смеси окислителей с горючими, те. пиросоставы, чувствительных к механическим импульсами при ударе или трении может возникнуть взрыв. Поэтому приготовление и прессование составов, как правило, являются опасными операциями. § 3. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПИРОТЕХНИЧЕСКИМ СРЕДСТВАМИ СОСТАВАМ Основное требование - это получение при действии пиротехнического средства максимального специального эффекта. Для различных средств специальный эффект обуславливается различными факторами. Этот вопрос подробно разбирается при описании свойств отдельных категорий составов и средств. Здесь же приводится только несколько примеров. Для трассирующих средств, специальный эффект определяется хорошей видимостью полета пули или снаряда. Видимость, в свою очередь, определяется силой света пламени и зависит также от цвета пламени. Для зажигательных средств хороший специальный эффект обуславливается (при наличии подходящей конструкции боеприпасов) созданием достаточно большого очага пожара, высокой температурой пламени, достаточным временем горения состава, а также количеством и свойствами шлаков, получающихся при горении. Для маскирующих дымовых средств, специальный эффект определяется созданием возможно большей, густой и устойчивой дымовой завесы. Пиротехнические средства не должны представлять опасности при обращении сними и хранении. Получаемый при их действии эффект не должен ухудшаться после длительного хранения. Материалы, используемые для изготовления пиротехнических средств, должны быть по возможности недефицитны. Технологический процесс изготовления должен быть простым, безопасными допускающим механизацию и автоматизацию производства. Пиротехнические составы должны обладать следующими качествами 6 1) давать максимальный специальный эффект при минимальном расходовании состава 2) иметь по возможности большую плотность (ив порошкообразном, ив прессованном виде 3) сгорать равномерно с определенной скоростью 4) обладать химической и физической стойкостью при длительном хранении 5) иметь возможно меньшую чувствительность к механическим импульсам 6) не быть чрезмерно чувствительными к тепловым воздействиям (не воспламеняться при небольшом подъеме температуры, при попадании искры и т. п 7) иметь минимальные взрывчатые свойства редкие случаи, когда наличие взрывчатых свойств необходимо, будут оговорены ниже 8) иметь несложный технологический процесс изготовления 9) не содержать в себе компонентов, оказывающих токсическое действие на человеческий организм. * Эффективность действия определяется не только рецептом состава, но также конструкцией изделия и внешними условиями (давление, температура, при которых происходит сгорание состава. Изделия из пиротехнических составов (шашки, факелы) должны обладать достаточной механической прочностью, отвечающей требованиям эксплуатации. При разработке новых составов необходимо в каждом отдельном случае тщательно продумать выбор горючего и окислителя и рассчитать количественные соотношения между ними, при этом следует учитывать и их физико-химические свойства. Разработка составов значительно усложняется еще и тем, что для удовлетворения всех требований в большинстве случаев к двойной смеси (окислитель — горючее) приходится добавлять еще и другие компоненты. § 4. НАЗНАЧЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ В пиротехнические составы входят следующие компоненты а) горючие б) окислители в) связующие (цементаторы) - органические полимеры, обеспечивающие механическую прочность уплотненных (спрессованных) составов г) ускорители и замедлители горения д) флегматизаторы - добавки, уменьшающие чувствительность составов к трению или удару е) вещества технологического назначения (жирующие добавки, растворители для связующих и др. Кроме того, в составы сигнальных огней вводятся вещества, сообщающие окраску пламени, а в дымовые составы — дымообразующие вещества. 7 В некоторых случаях один и тот же компонент может выполнять в составе несколько различных функций. Так, например, связующие всегда выполняют в составе функции горючих, а иногда и замедлителей горения. В сигнальных составах нитрат стронция является окислителем и одновременно сообщает красную окраску пламени. ВОЗМОЖНЫЕ ВЫСОКОЭКЗОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ Любая химическая реакция протекает с разрывом связей между атомами и образованием других новых связей. Очевидно, тепло будет выделяться в том случае, когда разрываемые связи будут слабыми, а вновь образуемые - более прочными. Наиболее прочные связи образуются присоединении атомов элементов, противоположных по своим свойствам, те. типичных металлов с типичными неметаллами, например, фтором или кислородом. При взаимодействии их образуются ионные соединения. Присоединении между собой неметаллов (элементов VA— групп периодической системы) имеем полярные соединения и большей частью энергетически малопрочные связи. Фтор и кислород являются при обычных условиях газами, что исключает возможность их применения в пиротехнических изделиях. В качестве окислителей можно было бы использовать соединения, в которых кислород или фтор были бы слабо связаны с другими неметаллами. Однако большинство таких соединений являются или газами или низкокипящими жидкостями, как, например, ClF3, OF2, NF3, N2F4, SF6, Сидр. Это обстоятельство, а также токсичность и слишком большая химическая активность этих веществ в большинстве случаев препятствуют их практическому применению. Этого в значительной степени можно избежать, если оксиды неметаллов (ангидриды) соединить с оксидами металлов, например, Cl207+K20=2KCl04; N205+K20=2KN03 т. п. При этом образуются соли, по своим свойствам вполне пригодные для использования. Они менее химически активны, порошки их при обычной температуре могут быть смешиваемы с горючими и смеси эти являются достаточно химически стойкими. Таковы обычно применяемые в пиротехнике окислители перхлораты и нитраты щелочных (или щелочноземельных) металлов, например, КС104, КNОз, Ва(NОз)2 и др. Они удобны для использования, но, конечно, значительно менее энергетически выгодны, чем элементарный кислород. Другой тип окислителей - это оксиды малоактивных металлов. Реакции вытеснения их более активными металлами (стоящими выше в ряду напряжений) протекают с выделением значительного количества тепла. Такова, например, реакция горения железоалюминиевого термита Fе203+2А1=А120з+2Fе+205 ккал (859 кДж. Аналогично можно было бы ожидать использования смесей, в которых более активный металл вытеснял бы менее активный из его фторидов. Но, кроме экономических соображений, применению в пиротехнике фторидов в качестве окислителей препятствует еще и то обстоятельство, что фтор (элемент чрезвычайно активный) редко образует твердые соединения с малопрочными связями. 8 В принципе было бы возможно использование в качестве окислителей таких оксидов металлов, как, например, Мn2О7, СгО3 и до но свойства этих соединений не благоприятствуют их применению Мn2О7 - это химически малоустойчивая жидкость СгОз — хромовый ангидрид, сильно гигроскопичен * Исключением являются фториды ксенона Хе, XeF4, XeF6 и XeF8 Взаимодействие Мn2О7 или СгОз с оксидами металлов приводит к образованию приемлемых для практического применения солей, например СгОз+ВаО=ВаСг04; Мn207+К20=2КМn04. Пероксиды металлов выгодны по большему (по сравнению с оксидами тех же металлов) содержанию в них кислорода, но многие из них малоустойчивы при нагревании (например, CaO2) или по отношению к воде (например, Na2O2 ) Практически пока из пероксидов в пиротехнике используются только BaO2 ив редких случаях - Sr02 и надперекись - NaO2. Обратимся теперь к рассмотрению горючих. Кроме металлов, прочные связи с фтором и кислородом дает водород достаточно прочные связи с кислородом образуют также бор, углерод, кремний фосфор. Значит, эти простые вещества (элементы, а также некоторые их соединения (углеводороды, бороводороды и др) могут быть использованы в пиротехнике в качестве горючих. Но тут же невольно возникает вопрос так как некоторые неметаллы (азот, хлор) дают с кислородом, а также с водородом и углеродом малопрочные связи, то почему жене объединить атомы этих элементов в молекулу таким образом чтобы азот (или хлор) выполнял в ней роль буфера, отделяя Си Нот кислорода С иН¦N]0. (буфер) При внешнем энергичном воздействии на такую молекулу буфер будет выброшена присоединении Си Нс кислородом с образованием СО и H20 выделится большое количество тепла. Следовательно, весьма экзотермическими могут быть и реакции внутримолекулярного горения. Эта мысль совершенно справедлива и давно реализована. Вещества содержащие в молекуле между Си Нс одной стороны, и Ос другой, буфер - азот (или хлор, давно известны это нитросоединения или эфиры азотной (или хлорной) кислоты. Вещества эти способны к внутримолекулярному горению. Ноу них имеется сточки зрения пиротехника, один весьма существенный недостаток. Гомогенность системы, малое расстояние между атомами в молекуле приводит к тому, что при энергичном воздействии извне на вещество разрушение его может протекать с большой скоростью, в форме взрыва. Иначе говоря, это вещества взрывчатые (далее сокращенно ВВ). Использование внутримолекулярного горения ВВ в пиротехнике возможно, но сопряжено во многих случаях со значительным риском при нарушении режима горения может произойти переход горения во взрыв. Вместе стем между микрогетерогенными системами - пиротехническими составами, с одной стороны, и гомогенными системами - индивидуальными ВВ, с другой, возможна промежуточная ступень. Если в молекуле какого-либо вещества, содержащего буфер - азот, будет мало атомов водорода и углерода и избыток (конечно, до известного предела) атомов кислорода, то такое вещество будет способно к реакции внутримолекулярного горения, но тепло такой реакции невелико, температура горения невысока, и вероятность перехода горения во взрыв будет значительно меньше. 9 Именно такими веществами являются, например, нитрат или перхлорат аммония. При горении этих веществ выделяется свободный кислорода теплота и температура горения сравнительно невелики 2NH4C104 = НС —х}02+2хN0. Однако энергетику этих веществ легко повысить, добавив к ним некоторое (по расчету) количество горючего (можно использовать органическое связующее, чтобы целиком использовать избыточный кислород этих веществ. Если добавка горючего значительна и нарушает гомогенность системы, то опасность перехода горения во взрыв будет уменьшена. Наряду с этим может быть реализован и другой вариант. Имеются вещества с буфером - азотом, содержащие мало атомов кислорода и избыток атомов Си Н. Такие вещества тоже будут способны к реакциям внутримолекулярного горения, но тепло и температура таких реакций будут невелики, а следовательно, будет мала и вероятность перехода горения во взрыв. К таким веществам могут быть отнесены нитрогуанидин CN4H402, динитротолуол С7Н6N204, полинитроуретаны, поливи-нилнитрат и др. Энергетику этих веществ также легко повысить добавлением к ним некоторого количества окислителя (из числа веществ, неспособных к экзотермическому процессу разложения. В этом случае происходит нарушение гомогенности и тем самым значительно уменьшается возможность возникновения взрыва. |