CC BY
397
И. Е. Дубровская, К. В. Микрюков, И. А. Абдуллин
ГРАНУЛИРОВАННЫЕ И НАСЫПНЫЕ СОСТАВЫ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЗВУКОВОГО ИМПУЛЬСА
Ключевые слова: звуковой эффект горения, термитная реакция, уровень звукового давления.
Приведены результаты исследования малогазовых пиротехнических составов, генерирующих различные по уровню звукового давления звуковые импульсы. Показана возможность использования малогазовых пиросоставов для получения мощного звукового импульса.
Keywords: sound effect of burning, termite reaction, level of sound pressure.
Results of research the lowgas pyrotechnic structures with generating various on level of sound pressure sound impulses are resulted. Use possibility of this pyrotechnic structures for reception of a powerful sound impulse is shown
Звуковой эффект горения пиротехнического состава применяется для создания шумовых эффектов в развлекательных мероприятиях (пирошоу, пиропоказы), для имитации действия различных боеприпасов при съемках кинофильмов и на военных учениях, в целях сигнализации в чрезвычайных ситуациях и во время боевых действий, в средствах, вызывающих так называемое функциональное поражение (оглушающие средства индивидуальной защиты, ОНД - оружие нелетального действия) [1].
Функциональное поражение в данном случае сводится к временному выведению из строя человека. Предполагается, что акустические ОНД позволят в перспективе добиться немедленной нейтрализации объекта без перманентного ущерба для здоровья. Пиротехнические источники неожиданного громкого звука в этом смысле имеют очевидное преимущество. Разработана целая гамма пиротехнической продукции, начиная от патронов к стрелковому оружию и светозвуковых гранат для рассеяния толпы до значительно более сложных устройств. Основные требования к составам для снаряжения этих изделий - мощный звуковой импульс (уровень звукового давления на расстоянии 10 м 130-145 дБ)
Известно, что горение некоторых малогазовых пиротехнических составов, протекающее с большой скоростью, может сопровождаться сильным звуковым эффектом. В основе процесса лежит реакция термитного типа, где осуществляется взаимодействие оксида металла с другим более активным металлом [2]:
Ме'О + Ме'' = Ме''О + Ме'
В качестве горючих в таких составах используют Al, Mg, Ti, Zr, FeSi2 и др, в качестве окислителей оксиды железа, свинца, меди, хрома и марганца, ряд других соединений. Эти оксиды имеют низкую теплоту образования (38-150 ккал/моль), что в свою очередь, приводит к весьма бурному их реагированию с металлическими горючими. В отличие от известных звуковых составов на основе перхлората (или хлората) калия и пороха, такие системы имеют высокую температуру горения (2000-2800°С), для них характерно малое количество газообразных продуктов сгорания, они не чувствительны к механическим и тепловым воздействиям.
В табл. 1 приведены расчетные и экспериментальные характеристики некоторых подобных составов.
Таблица 1 - Расчетные и экспериментальные характеристики модельных смесей
Рецептура Расчетные данные Экспериментальные данные
состава Темпе- Тепло- Объем Объем Ско- Уро- Воспла-
ратура та сго- кон- газовой рость вень меняе-
горе- рания денси- фазы, горения, звуко- мость
ния, К смеси, кДж/кг рован- ной фазы, доля л/г г/с вого давления, дБ
С боль-
CuO 80% Al 20% 2395,1 2081,08 0,972 347,86 4,65 118,0 шим временем задержки
PbзO4 82,13 % ^ 7,87% 2441,6 850,8 0,266 107,45 9,09 76,0 Легко воспламеняется
Cu2O 88,67 % Al 11,33% 2823,4 2069,55 0,92 253,73 - 106,7 Легко вос- пламеня- ется
PbO 90,28 % ^ 9,72% 2018,6 595,33 0,317 106,47 9,39 65,0 Легко вос- пламеня- ется
Ранее проведенными исследованиями установлено, что в качестве прототипа для получения мощного звукового импульса возможно использовать состав из смеси оксида меди (II) с алюминием при соотношении компонентов близком к стехиометрическому. При этом рекомендуется применять марки алюминиевого порошка с развитой поверхностью. Скорость горения составов в насыпном виде, в большинстве случаев выше, чем скорость горения уплотненных составов. В насыпном виде состав имеет большое количество пор, которые способствуют быстрому распространению фронта горения. Также наличие пор в насыпных составах способствует возникновению объемного горения. Поэтому в качестве объекта исследования выбраны двойные смеси порошков алюминия и оксидов меди (I) и (II) в насыпном виде, а в качестве основного определяемого параметра - мощность звукового импульса.
Наиболее распространенным способом оценочных акустических измерений является метод определения характеристик в свободном звуковом поле. В работе использовался именно такой метод определения мощности звукового импульса, при этом не учитывались коэффициенты звукопоглощения, отражения помещения для измерения, а также лаборатория не была изолирована от шума и вибрации [3]. Для измерения уровня звукового давления использовали интегрирующий шумомер «Медиатор» марки 2238 фирмы Брюль и Кьер, который обладает требуемым быстродействием и способен производить до 10 изме-
рений уровня звукового давления в секунду. Максимальный уровень звукового давления, который фиксирует шумомер, составляет 140 дБ. «Медиатор» снабжён базовым программным обеспечением, с помощью которого проводилась передача информации на ПК.
В работе использовалась следующая методика проведения эксперимента. Смесь в неуплотненном виде помещалась в картонные оболочки диаметром 10^15 мм. Воспламенение осуществлялось с помощью спирали из нихромовой проволоки диаметром 1,5 мм. Спираль размещалась в верхней части навески и нагревалась постоянным током 12 В. Образцы устанавливали в вертикальной камере сжигания и воспламеняли дистанционно. Расстояние от образца до микрофона, встроенного в шумомер, равно 3,5 м.
Исследованиями установлено [4], что максимальный уровень звукового давления характерен для смеси на основе оксида меди (I) с порошками алюминия марки ПП-3, АСД-1 и АСД-4. Изучение звукового эффекта процесса горения выявило существенную зависимость уровня звукового давления от массы, окислительного баланса и марки порошка алюминия. Уровень звукового давления изменяется в широких пределах от 70 до 130 дБ (табл. 2).
Таблица 2 - Влияние массы навески на уровень звукового давления для смеси
Си20+А1
Марка Масса навески, г
порош- ка 1,5 2,0 3,0
Окислительный баланс
-15 -10 -2 0 -15 -10 -2 0 -15 -10 -2 0
АСД-1 - 105,1 76,1 95,5 - 105,2 99,5 104,6 - 115,5 106,4 99
АСД-4 - 105,2 106,7 92,3 - 104,9 108,3 95,6 - 110 97,5 94,1
ПП-3 100,6 107,7 98,1 96,7 101,4 109,9 104 97,8 101 115,4 106,2 94,3
Все испытанные составы имеют время задержки воспламенения от 3 до 15 секунд, в некоторых случаях до 1 минуты, что говорит об их низкой чувствительности к механическим и тепловым воздействиям. С увеличением массы состава уровень звукового эффекта возрастает, однако, зависимость не линейная. Вероятно, это связано со снижением полноты протекания реакции в данных условиях.
Основные компоненты рассматриваемых систем являются высокодисперсными порошками и для них будут характерны пыление и расслоение после перемешивания. Ликвидировать эти недостатки удалось с помощью метода гранулирования по водоэмульсионной технологии с добавлением фторпласта ФП-32Л в качестве связующего.
Установлено, что с введением фторполимера чувствительность состава к тепловому импульсу повысилась. Время задержки воспламенения не более 30 с. Составы с маркой порошка АСД-1 и АСД-4 сгорают с небольшим звуковым эффектом. Гранулированный состав на основе оксида меди (II) с маркой алюминия ПП-3 массой 1,5 г имеет уровень звукового давления 103 дБ. Сравнивая уровень звукового давления при горении составов в насыпном и гранулированном виде (рис. 1) следует отметить, что введение органической добавки ФП-32Л для составов с маркой алюминия АСД-1 и АСД-4 снижает эту характе-
ристику, а для состава оксида меди (II) с алюминием марки 1111-3 уровень звукового давления изменяется не значительно.
£ 150 к
» давл 0 о ■ _
о и о « РР *ч 50 в со I I
Л * 2 0 О О, ■ ■ ■
£ АСД -1 АСД-4 ПП-3
и насыпной состав ■ гранулы
Рис. 1 - Уровень звукового давления для насыпных и гранулированных составов
Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности использования малогазовых пиросоставов термитного типа на основе оксида меди (II) с алюминием марки 1111-3 для получения мощного звукового импульса в насыпном и гранулированном виде.
Литература
1. Шидловский, А. А. Основы пиротехники / А. А. Шидловский. - М.: Машиностроение, 1973. - 316 с.
2. Похил, П. Ф. Горение порошкообразных металлов в активных средах / П. Ф. Похил, А. Ф. Беляев, Ю. В. Фролов и др.- М: Наука, 1972.-294 с.
3. Красильников, В. А. Введение в физическую акустику / В. А. Красильников, В. В. Крылов.- М.: Высшая школа- 1984.
4. Разработка специальных составов для светозвуковых малогабаритных элементов оружия несмертельного действия / Отчет о НИР; руководитель К. В. Микрюков - Казань, 2006. - 76 с.
© И. Е. Дубровская - асп. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; К. В. Микрюков -канд. техн. наук, доц. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ, начальник УНПУ КГТУ; И. А. Абдуллин - д-р техн. наук, проф. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ, проректор КГТУ, ilnur@cnit.ksu.ras.ru.
