Основы пиротехники

1042

NH₃+ НСI

567

Американская смесь НС на основе гексахлорэтана

466

ТiСI₄

430

SiCl₄

340

SO₃• НСI

317

Способы получения аэрозолей

Для получения аэрозолей применяются способы диспергирования или конденсации.

Получение аэрозолей методом диспергирования сводится к измельчению твердого или жидкого вещества путем его размалывания (разбрызгивания) или распыления при помощи взрыва.

Получение аэрозолей методом конденсации сводится к получению перенасыщенного пара, который охлаждаясь конденсируется и образует коллоидные частички конденсированного вещества.

Обычно методом диспергирования получают аэрозоли с более крупными (быстро оседающими) частицами, чем методом конденсирования. Это обстоятельство, а также применение при диспергировании довольно сложной и громоздкой аппаратуры приводят к тому, что на практике для получения аэрозолей чаще пользуются методом конденсации.

В некоторых случаях оба метода совмещаются, что можно назвать комбинированным методом.

На практике создание маскирующих дымовых завес осуществляется следующими способами:

1. Диспергированием в воздухе легколетучих жидкостей (например SnCl₄), которые образуют дым при реакции с содержащейся в воздухе влагой:

SnCl₄ + 4Н₂О = Sn(OH)₄ + 4HCl

Для получения дымов по этому методу используются кроме указанного тетрахлорида олова также тетрахлорид титана, тетрахлорид кремния, хлорсульфоновая кислота, трехокись серы.

2. Сжиганием на воздухе различных веществ, продукты горения которых при охлаждении конденсируются в воздухе. Чаще всего для этой цели употребляют белый фосфор:

4Р + 5О₂ = 2Р₂О₅

Пары фосфорного ангидрида реагируют с влагой воздуха, образуя полифосфорные кислоты, имеющие при комнатной температуре весьма малую упругость пара.

3. Испарением или неполным сжиганием масел. В первом случае испарившееся масло конденсируется в воздухе в виде мелких капель, образующих туман, во втором — при неполном сгорании масла часть углерода выделяется в свободном состоянии в виде сажи, образуя черные облака, которые однако быстро флокулируют.

4. Сжиганием пиротехнических составов маскирующих дымов, которые содержат или образуют в процессе реакции горения различные дымообразующие вещества.

Составы маскирующих дымов и предъявляемые к ним требования

К составам предъявляются следующие требования:

1. Полученный в результате горения состав должен иметь максимальную кроющую способность (не ниже 500 м²/кг) и быть достаточно устойчивым в воздухе.

2. При сгорании в дымовых шашках составы не должен давать пламени.

3. Образующийся при горении составов шлак должен быть рыхлым (пористым) и не должен препятствовать прохождению через него дыма. Продукты горения составов, предназначенных для установления дымовой завесы в расположении своих войск, не должны быть ядовиты.

Существуют два основных типа составов маскирующих дымов. Один тип содержит в себе дымообразующие вещества в готовом виде, другой тип содержит в себе вещества образующие при горении дымообразующие вещества (металлохлоридные смеси).

Составы первого типа содержат в себе неорганический окислитель, горючее и дымообразующее вещество.

В качестве дымообразующих веществ применяют легковозгоняющиеся вещества — хлористый аммоний (нашатырь) и ароматические углеводороды: нафталин, антрацен, фенатрен.

Процесс дымообразования при горении дымовых составов указанного типа сводится к возгонке содержащихся в составе дымообразовующих веществ за счет тепла реакции окисления горючего и образованию дыма при переходе возгоняемого вещества из парообразного состояния в твердое при охлаждении паров на воздухе.

Из органических веществ в качестве дымообразователя могут быть использованы углеводороды жирного ряда. Так например, без разложения могут испаряться веретенное, машинное, цилиндровое масла.

В качестве горючего в составах маскирующих дымов иногда применяют древесный уголь. Нафталин и антрацен выполняют в некоторых составах наряду с дымообразовательной функцией также и функцию горючего, частично возгоняясь, а частично сгорая. В качестве окислителя в составах маскирующих дымов обычно применяют хлорат калия.

Типичные дымовые составы, подобные смеси Ершова, содержат:

Небольшое содержание в составе хлората и большое содержание инертного вещества — хлористого аммония обеспечивает сравнительно малую чувствительность таких составов к механическим воздействиям.

Кислородный баланс смеси типа Ершова, является резко отрицательным, а газовая фаза, образующаяся при горении, содержит значительное количество СО и легко воспламеняющихся паров нафталина или антрацена. Такие составы при использовании заключают в металлическую оболочку, снабженную отдельными выходными (выхлопными) отверстиями, эти меры предохраняют горящую поверхность состава от проникновения к нему кислорода воздуха и, соответственно, возможного возгорания горючих паров.

Рисунок 3 (Дымовая шашка).

1. шашка с крышкой

2. шашка без крышки

3. корпус

4. крышка с газоотводными отверстиями

5. воспламенитель

6. дымовой состав

Несмотря на принимаемые меры предосторожности, дымовые составы дают иногда вспышки при сгорании. Равномерность горения при этом нарушается, у отверстий шашки появляется пламя, количество выделяющегося дыма резко уменьшается, и дым приобретает сероватый оттенок. В слишком активные дымовые составы добавляют специальные вещества — пламегасители, к которым относятся сода, мел, углекислый магний. Все эти вещества при своем термическом разложении выделяют углекислый газ, который в некоторой степени разбавляет способные к горению на воздухе газообразные продукты реакции, а также понижают температуру горения состава. В зависимости от свойства дымового состава содержание в нем пламегасителей может доходить до 10…15%.

Составы второго типа — металлохлоридные дымовые смеси, содержащие в своем составе окислитель (хлорорганическое соединение), металлическое горючее и вспомогательные вещества.

Процесс дымообразования при горении дымовых составов этого типа сводится к окислению металлического горючего хлорорганическим соединением, образованием в результате реакции легко испаряемого хлорида металла, который конденсируясь и гидролизуясь образует дым. В качестве окислителя применяют четыреххлористый углерод, гексахлорэтан, гексахлорбензол, пентахлоранилин, пентахлорбензол, октохлорпропан, октохлорнафталин. В качестве металлического горючего применяются цинк, алюминий, железо, магний, силицид кальция. Вспомогательные вещества являются поглотителями жидких хлорорганических окислителей (ССl₄) либо дополнительными окислителями (хлоратами или перхлоратами металлов), либо дополнительными дымообразователями (хлорид аммония, окись цинка).

Рецепт дымовой смеси с жидким хлорорганическим окислителем:

Рецепты металлохлоридных смесей с твердыми окислителями:

Немецкий состав:

Кроме цинковой пыли, в металлохлоридных составах применяют порошки алюминия, железа, силицида кальция, магния:

Смесь гексахлорэтана с алюминием горит интенсивно, чтобы замедлить процесс ее горения, к ней добавляют значительное количество инертных дымообразователей, так американский состав НС имеет рецепт:

При горении смеси, содержащей немного алюминия, протекает реакция:

2Аl + 9ZnO + 3C₂Cl₆ = Al₂O₃ + 9ZnCl₂ + 6CO

Дым, образующийся при такой реакции, содержит некоторое количество сажи и по цвету скорее серый чем белый.

Дымовые шашки снаряжаются дымовыми составами обычно в спрессованном виде, не исключается и формование методом легкой набивки с применением цементаторов.

Чувствительность металлохлоридных составов к взрывному импульсу невелика, взрыв может развиться только в очень прочной оболочке и при применении мощного промежуточного детонатора. Сила взрыва таких смесей невелика.

СОСТАВЫ ЦВЕТНЫХ ДЫМОВ

Составы цветных дымов используются в военной пиротехнике в дневное время для сигнализации, корректировки стрельбы и слежения за целью, таким же образом, как осветительные составы в ночное время.

Для дневных сигнализаций употребляют дымовые облака в основном четырех цветов: красного, желтого, зеленого и синего. Иногда применяют черный дым, заменяя им либо зеленый, либо синий цвет. Хуже других, особенно при больших дистанциях наблюдения, различаются между собой синий и зеленый цвета.

Наилучшую видимость и различимость цвета дымовые облака имеют в летнюю ясную тихую погоду при скорости ветра не более 2…3м/сек. Хуже всего цвет дыма наблюдается, если дымовое облако расположено между солнцем и глазом наблюдателя, при таком наблюдении многие цветные облака кажутся почти белыми. В том случае, когда солнце находится за спиной наблюдателя цветное облако кажется темным.

Наилучшими условиями наблюдения за цветом облака являются такие, когда угол, образованный солнцем, дымовым облаком и глазом наблюдателя, находится в пределах 45…135^°.

На стабильность сигнального облака в воздухе большое влияние оказывают его форма и величина.

Способы получения цветных дымов

Цветные дымы, также как и маскирующие, могут быть получены методом диспергирования и конденсации. Получение цветных дымов методом диспергирования осуществляется распылением тонко измельченных минеральных красок при помощи взрывчатых веществ, однако, для получения удовлетворительного по качеству и времени наблюдения цветного облака приходится расходовать большое количество красящих веществ (1…2кг). Дым, полученный таким способом, скоро рассеивается, так как частицы его имеют слишком большие размеры (10^-2...10^-3см) и быстро оседают. Получение цветных дымов методом конденсации при помощи химических реакций, протекающих между неорганическими веществами, также не имели успеха. Относительно неплохие результаты были получены только для составов черного дыма, который было предложено получать при горении металлохлоридных смесей, содержащих в качестве третьего компонента богатые углеродом ароматические соединения.

Пример составов черного дыма:

Из-за низкой температуры плавления смеси с нафталином (температура плавления нафталина составляет53^°С), выгодно нафталин заменять антраценом. Реакция горения таких смесей должна протекать при свободном доступе воздуха, иначе нафталин или антрацен будут не сгорать, а возгоняться. Дым получится не черный, а серый. Черный цвет дыму придает, содержащийся в нем свободный углерод (сажа).

Примеры составов черного дыма, не содержащих металлохлоридных смесей:

Отличием таких смесей от составов маскирующих дымов является отсутствие в них хлористого аммония и большое содержание хлората калия, таким путем значительно повышают температуру горения смеси и в процессе ее горения происходит уже не возгонка нафталина, а его неполное сгорание, сопровождающееся выделением большого количества сажи.

Из цветных дымов, получающихся при химической реакции неорганических соединений, заслуживает внимания только желтый дым, образующийся при реакции сгорания состава:

При горении смеси выделяется желтый дым трехсернистого мышьяка — As₂S₃, дым бледнеет на воздухе из-за окисления с образованием окиси мышьяка As₂O₃. Дым сильно ядовит, чтобы избежать сгорания трехсернистого мышьяка необходимо организовать горение указанной смеси без доступа кислорода воздуха. Наилучшие по качеству сигнальные дымы всех цветов (красного, желтого, зеленого, синего) были получены при возгонке органических красителей. В составах, содержащих окислитель, горючее и органический краситель, последний за счет тепла, выделяющегося при горении, переходит в парообразное состояние и выбрасывается в атмосферу, где конденсируется, образуя окрашенный дым.

Другой состав цветного дыма:

Состав дает желто-оранжевый дым, образующегося при возгонке хлорного железа, которое выделяется в результате химической реакции гексахлорэтана и окиси железа.

Красители, применяющиеся в составах сигнальных дымов

Ниже перечислены красители, чаще всего применяемые для получения цветных дымов.

Красные дымы: родамин Б; паратонер, розиндулин, судан IV, 1-метиламиноантрахинон, ортометоксифенилазо -нафтол.

Желтые дымы: аурамин+хризоидин, аминоазобензол, ализариновый желтый, р-нитроанилин.

Зеленые дымы: аурамин+индиго, аурамин+малахитовая зелень.

Синие дымы: метиленовая голубая, индиго, 1,4-диметиламиноантрахинон, тионин голубой, новометиленовая голубая, судан синий G.

Красно-оранжевые дымы: бензолазобетанафтол, жироранж.

Коричневые дымы: хризоидин.

Составы цветных дымов

В качестве окислителя в составах цветных дымов применяется почти исключительно хлорат калия и гораздо реже перхлорат калия, нитраты калия и натрия. Для того чтобы температура горения не превышала предела термической (без разложения) стойкости, необходимо применение окислителей термически разлагающихся с выделением кислорода при относительно низких температурах. Для той же цели недопущения высокой температуры реакции применяют относительно мягкие восстановители-горючие: молочный сахар, свекловичный сахар, крахмал, древесные опилки. Применение порошков металлов в составах цветных дымовых недопустимо, во-первых, из-за высоких температур горения металлосодержащих составов и вследствие этого возможность разложения органических красителей при горении, во-вторых, из-за того что при горении металлов газовыделение незначительно, а оно необходимо для удаления паров возгоняющегося красителя из зоны реакции.

Наилучшие показатели имеет смесь молочного сахара с хлоратом калия, в которой сгорание сахара осуществляется только до окиси углерода, то есть смесь имеет отрицательный кислородный баланс. Термическая смесь хлората калия с углеводами может быть заменена нитроцеллюлозой, например, в виде американского бездымного пороха ЕС состава:

Порох ЕС используется не только для получения цветных дымов, но также для получения раздражающих, слезоточивых и ядовитых дымов, рассматриваемых в соответствующей главе.

Для получения цветных дымов используется основной рецепт на порохе ЕС:

В общем случае содержание органического красителя в составах сигнальных дымов достигает 40…60% в зависимости от химической природы красителя и требуемой скорости сгорания состава.

В отдельных случаях в составы вводится некоторое количество пламегасителей, например, бикарбоната натрия, препятствующих воспламенению паров красителя, роль пламегасителей рассмотрена в описании составов маскирующих дымов.

В качестве окислителя в составах цветных дымов иногда употребляют перхлорат калия. В качестве примера приведем рецепт красного дыма:

Из составов содержащих нитраты можно указать следующий состав красного дыма:

Недостаток такого состава — его большая гигроскопичность.

Приведем рецепты цветных дымов с указанием некоторых особенностей конкретного состава.

Красные дымы:

1. Медленное горение. Чистота цвета — 120%

2. Чистота цвета — 54 %.

3.

Желтые дымы:

1. Состав быстрого горения.

2. Чистота цвета — 75%.

3.

Зеленые дымы:

Синие дымы.

Для артиллерийской пристрелки в условиях боя при стрельбе из многих орудий, бывает необходимо отметить падение осколочно-фугасных снарядов или их воздушных разрывов. Дымы разрывов снарядов окрашиваются введением во взрывчатые вещества, для снаряжения снарядов, значительного количества органических красителей. При взрыве снаряда происходит возгонка и распыление органического красителя с образованием цветного дыма.

Немецкие целеуказательные снаряды в 1941-1945гг снаряжались смесями ВВ повышенной мощности (ТЭН, гексоген) с азокрасителями. Содержание красителей в таких смесях составляло 55…60%.

Красители, составляющие по массе не менее 10% от массы разрывного заряда ВВ, не должны смешиваться с ВВ, но должны размещаться между стенками корпуса и центральным разрывным зарядом. Однако, возникают сомнения в возможности сублимации красителей размещенных раздельно (не в смеси) от ВВ в короткий промежуток времени детонации заряда. Скорее речь может идти только о механическом деспергировании красителей.

В качестве ВВ особенно пригодны, так как почти не дают при взрыве темного облака сажи: нитрогуанидин, смесь пикрата аммония с нитратом аммония (NH₄NO₃ от 40 до 75%), тип русского пороха для подводных мин и снарядов.

В качестве красителей, показавших хорошие результаты для целеуказательных разрывных снарядов, указываются:

1. Красный или оранжевый дым: жирооранж и диэтил-m-аминофенолфталеин гидрохлорид;

2. Желтый дым: аминоазотолуол и бензолазодиметиланилин;

3. Синий дым: хинизарин синий, антрахинон виолет.

СЛЕЗОТОЧИВЫЕ, РАЗДРАЖАЮЩИЕ И ОТРАВЛЯЮЩИЕ ПИРОТЕХНИЧЕСКИЕ ДЫМЫ

Слезоточивые газы (лакриматоры), раздражающие вещества (стерниты) и отравляющие газовые смеси для военных целей часто применяют пиротехническими способами. Обычно, используется метод испарения указанных веществ, которые могут быть введены в пиротехнические составы как в твердом, так и в жидком виде. Испаренные теплом химической реакции указанные вещества могут конденсироваться, образуя видимый дым сходный по виду с маскирующими дымами, но могут испаряться и распространяться не конденсируясь. В этом случае горящее пиротехническое изделие может выделять небольшое количество дыма, который быстро рассеивается, такие изделия особенно опасны на поле боя, так как очертания отравленного облака визуально не определяются. Первые пиротехнические отравляющие изделия использовались в первую мировую войну. Приведем состав дымовых свечей марки D.М. (США-1918г):

Для употребления в пиротехнических отравляющих составах пригодны только такие отравляющие вещества, термическая стабильность которых достаточна велика. При огромной номенклатуре современных отравляющих веществ, термически стабильных ОВ сравнительно немного:

1. Слезоточивые вещества: хлорацетофенон, хлорпикрин; СS.

2. Раздражающие вещества: дифенилхлорарсин, дифениламинхлорарсин, адамсит, соли триакилсвинца.

3. Удушающие вещества: трифосген, хлорпикрин.

4. Фосфороорганические (нервно-паралитические): диизопропилфторфосфонат (ДФФ), фосфорилтиохолины с четвертичным атомом азота ( V-газы).

Часть этих веществ являются жидкостями, использование которых возможно только в смеси с поглотителями инфузорной землей, диатомитом, окисью магния, углекислым магнием. Другие вещества являются твердыми, их применение не вызывает затруднений.

В американской армии применяются следующие рецепты:

1. Слезоточивый газ СN

2. Раздражающая смесь CN-DМ

3. Слезоточивый газ тип III

Пиротехнические отравляющие составы снаряжаются в металлические корпуса аналогичные корпусам для составов маскирующих дымов. Вследствие значительной летучести отравляющих веществ в отравляющих пиротехнических шашках необходимо применение герметичной укупорки пиротехнической смеси с введенным в нее ОВ. Наиболее просто это осуществляется введением в конструкцию разрывной мембраны, которая герметизирует состав до момента воспламенения, после начала горения при незначительном повышении внутреннего давления мембрана разрывается, обеспечивая свободный выход газов горения и испаренного ОВ.

Кроме применения ОВ в дымовых шашках, возможно его применение в снарядах, минах, гранатах и прочих боеприпасах. В этом случае боеприпас содержит разрывной заряд ВВ, окруженный ОВ в жидком или твердом состоянии, либо смесь ВВ с ОВ (сплавление, смешение). Воздействие на ОВ детонации при взрыве таких боеприпасов, как вида термического воздействия, менее продолжительно, чем при термическом испарении в дымовых составах, поэтому количество видов ОВ применяемых в разрывных снарядах гораздо больше, чем в приведенном выше перечне.

ПИРОТЕХНИЧЕСКИЕ СОСТАВЫ ДЛЯ ОГНЕТУШЕНИЯ

Пиротехнические составы могут употребляться для целей пожаротушения, в этом случае при горении пиросоставов необходимо выделение веществ препятствующих горению горючих материалов очага пожара.

Огнетушение пиротехническими смесями производится по трем механизмам:

1. Разбавление горючей среды, с целью снижения содержания О₂.

2. Ингибирование горения( введение в пламя веществ тормозящих химические реакции).

3. Совместное действие разбавителей и ингибиторов горения.

Для разбавления горячей среды используют СО₂ и N₂, выделяющиеся при горении пиротехнических составов.

Ингибиторами горения являются гидрокарбонаты калия и натрия, орто и полифосфаты аммония, хлориды калия и натрия. Наиболее просто получить огнетушащую пиротехническую смесь действующую по совместному механизму огнетушения. Для этого необходимо составить рецептуру смеси включающей горючее, выделяющее при сгорании двуокись углерода, и окислитель, выделяющий в результате окисления горючего хлорид калия или натрия. Наиболее простая смесь:

В результате горения такой смеси выделяются только СО₂ и КСl, однако, тепловой эффект реакции такой смеси достаточно велик, а смесь сильно чувствительна, ее горение, в сколь-нибудь значительных количествах, легко переходит во взрыв даже в непрочной оболочке. Меньшей чувствительностью обладают смесь:

И в ту и в другую смесь необходимо вводить дополнительные количества хлористого калия или натрия, которые, испаряясь при горении основной смеси, уменьшают температуру реакции и увеличивают концентрацию хлоридов в атмосфере очага пожара, например:

Огнетушащие пиротехнические составы могут содержать в себе кроме хлоратов и перхлоратов также нитраты калия и натрия. В качестве горючего могут употребляться различные вещества с большим содержанием углерода, кроме того, полезно введение некоторого количества алюминия для повышения температуры горения и улучшения испарения хлоридов-ингибиторов горения

ДЫМОВЫЕ СОСТАВЫ ДЛЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Пиросоставы, называемые инсектицидными, используются для борьбы с вредными насекомыми, фунгицидные — для борьбы с грибными, бактериальными, вирусными заболеваниями растений, акарицидные — для борьбы с клещами.

Рецепт инсектицидного состава:

В качестве токсикантов ранее использовались гексахлоран (гексахлорциклогексан – ГХЦГ), гексахлорэтан, ДДТ и другие вещества. В настоящее время используются множество вновь создаваемых токсикантов, так как у насекомых часто вырабатывается устойчивость к ним. Замена токсикантов в составе не нарушает принципы его построения: окислитель — чаще всего хлорат калия, горючее — антрацен, дициандиамид (ДЦДА), уротропин.

Фунгицидный состав:

Акарицидный состав:

Дымообразование этого состава беспламенное, развиваемая температура горения 250^°С.

Для обеззараживания теплиц и плодоовощехранилищ используется сернистый газ SО₂, получаемый при горении безоболочечных (прессованных) шашек (весом 500 и 100г), состав которых:

Диатомит служит катализатором и разрыхлителем горения. Состав имеет резко отрицательный кислородный баланс и нуждается во время горения в свободном доступе воздуха.

Дымовые составы используются также для защиты садов (в особенности цитрусовых) от заморозков.

ПРОТИВОГРАДОВЫЕ СОСТАВЫ (ДЫМЫ)

Для предотвращения выпадения града, увеличения осадков и рассеяния переохлажденных облаков и туманов используются пиротехнические противоградовые ракеты и патроны. Наиболее активными веществами, вызывающими кристаллизацию переохлажденных капель воды, являются йодиды серебра (АgJ) и свинца (РbJ₂). Способ использования йодидов состоит в том, что они в распыленном виде (сконденсированный пар) вводятся в облако или туман.

При использовании пиротехнических составов возможны два варианта.

1. Йодиды серебра или свинца содержатся в составе в готовом виде:

2. Йодиды серебра или свинца образуются в результате химической реакции, протекающей при горении состава. В такие составы входят: порошок свинца и йодсодержащие вещества (йодид аммония, йодоформ, йоданил). К этим веществам добавляется термическая смесь из горючего и окислителя идитол + ПХА, например:

ЗАЖИГАТЕЛЬНЫЕ СОСТАВЫ

Назначением зажигательных составов является уничтожение всевозможных горючих материалов. Особо выделяются зажигательные составы, применяемые по живым целям (огнеметные составы).

Все существующие зажигательные составы, если рассматривать их с точки зрения потребности при горении в кислороде воздуха, можно разделить на две группы:

Составы с окислителем.

1. Термиты и термитно-зажигательные составы с окислителем — окислом металла.

2. Составы с окислителем — кислородсодержащей солью.

Составы без окислителя.

1.Нефтепродукты.

2. Сплав «электрон».

3. Фосфор и его соединения.

4. Прочие зажигательные вещества и смеси.

Термиты

Реакции, протекающие по схеме МО + М1 = М1О + М + Qккал, где МО — окисел металла, М1 — металл, применяющийся для восстановления (алюминий),были названы алюмино-термическими реакциями, а реакционноспособные смеси окислов металлов с другим металлом получили название термитов.

В качестве примера можно привести хорошо известную реакцию горения железо-алюминиевого термита:

Fe₂O₃ + 2Al = Al₂O₃ + 2Fe + 205ккал

Характерными особенностями, отличающими процесс горения термитов от горения других пиротехнических составов, являются:

1. Почти полное отсутствие при горении газообразных продуктов реакции, что обусловливает беспламенность горения.

2. Высокая температура реакции. Для большинства применяемых термитов она находится в пределах 2000…2800^°С.

3. Образование при горении расплавленных огненно-жидких шлаков.

Следует указать на трудность воспламенения термитов, температура самовоспламенения всех алюминиевых термитов выше 800^°С, железо-алюминиевого термита около 1300^°С.

Термиты, применяемые в качестве зажигательных средств, должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Выделять при горении максимальное количество тепла.

2. Иметь наивысшую температуру горения.

3. Шлаки, образующиеся при их горении, должны быть легко растекающимися, легкоплавкими и труднолетучими.

4. Легко воспламеняться.

5. Трудно тушиться обычными средствами.

6. Линейная скорость их горения должна выражаться единицами миллиметров в секунду.

Применяющееся в термитах горючее (металл) должно:

1. Выделять при своем сгорании максимальное количество тепла.

2. Образовывать легкоплавкую и труднолетучую окись.

3. Иметь большую плотность.

Количество тепла, выделяющегося при горении термитов, должно быть не менее 0,55ккал/г состава, в противном случае реакция горения протекает с трудом и не доходит до конца. Поэтому в термитах могут быть использованы только высококалорийные горючие. Количество тепла, выделяющегося при горении термита, применяемого в боевых целях, должно быть не менее 0,7ккал/г, поэтому в качестве горючего могут применяться только алюминий, магний, кальций. Однако, металлический кальций исключается в связи с большой реакционной способностью в свободном состоянии. Сплав кальция с другими веществами может представлять некоторый интерес. Применению магния препятствует высокая температура плавления его окиси (2800^°С), таким образом, железо-магниевый термит совсем не дает жидких растекающихся шлаков (установлено опытным путем).

В качестве окислителей, следуя количественному условию тепловыделения боевых термитов, могут быть применены: перекись марганца, окись железа или закись-окись железа, окись меди, борный ангидрид. Однако, для производства боевых термитов массового применения нерентабельно применять иные окислители кроме окислов железа. Кроме того, восстанавливаемый металл должен обладать низкой температурой плавления и высокой температурой кипения. Этим требованиям соответствует железо, плавящееся при 1539^°С и кипящее при 3200^°С, и, отчасти, медь плавящаяся при 1083^°С и кипящая при 2360^°С. Ни марганец, ни хром не удовлетворяют указанным требованиям, поскольку марганец имеет температуру кипения примерно 2000^°С и при горении происходит его бурное испарение, хромовый же термит выделяет при горении значительно меньшее количество, тепла чем другие термиты.

3Fe₃O₄ + 8Al = 4Al₂O₃ + 9Fe + 802ккал

3MnO₂ + 4Al = 3Mn + 2Al₂O₃ + 425ккал

Cr₂O₃ + 2Al = 2Cr + Al₂O₃ + 130ккал

3CuO + 2Al = 3Cu + Al₂O₃ + 275ккал

Fe₂O₃ + 2Al = 2Fe + Al₂O₃ + 205ккал

В общем случае, окисел, применяющийся для изготовления термита, должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Иметь минимальную теплоту образования.

2. Содержать достаточное количество кислорода (не менее 25-30%).

3. Иметь, по возможности, большую плотность.

4. Восстанавливаться в металл, имеющий низкую температуру плавления и высокую температуру кипения.

Наиболее целесообразным следует считать применение в термитах окислов металлов, имеющих атомный вес от 40 до 80у.е.

Следует знать, что окись меди в присутствии алюминия и магния весьма легко отдает свой кислород, горение медно-алюминиевого термита протекает с большими скоростями и напоминает собой взрыв, аналогичная картина наблюдается и для Рb₃О₄ и , в особенности, для РbО₂, скорость горения марганец-алюминиевого термита значительно меньше, хотя также достаточно высока.

Теплота сгорания термитов с различными горючими и окислителем — окисью железа приведена в таблице 33.

Горючее

Рецепт термита [%]

Теплота сгорания 1 г термита [ккал]

Fe₂O₃

Горючее

АI

75

25

0,93

Mg

69

31

1,05

Са

57

43

0,93

Ti

69

31

0,57

Si

79

21

0,58

В

88

12

0,59

Теплота сгорания термитов с различными окислителями и горючим — алюминием приведена в таблице 34.

Окислитель

Рецепт термита [%]

Теплота сгорания 1г термита [ккал]

Окислитель

АI

B₂O₃

56

44

0,73

SiO₂

63

37

0,56

Cr₂O₃

74

26

0,60

МnО₂

71

29

1,12

Fe₂O₃

75

25

0,93

Fe₃O₄

76

24

0,85

CuO

81

19

0,94

Pb₃O₄

90

10

0,47

Наиболее приемлемым, со всех точек зрения, следует считать применение в качестве зажигательного состава железо-алюминиевого термита.

Добавление песка (SiO₂) в термит несколько снижает температуру затвердевания его шлаков за счет образования сплава FeSi, но при этом несколько понижается и калорийность термита.

Температура плавления сплава FeSi, содержащего 22% Si, составляет 1250^°С.

Для изготовления термита чаще всего применяют не окись железа Fe₂O₃, а железную окалину Fe₃О₄ (закись-окись железа), хотя термит на основе закиси-окиси менее калориен. Одним из недостатков железо-алюминиевого термита следует считать малую текучесть и быстрое затвердевание образующихся при его горении шлаков.

Термит употребляется как в насыпном виде, так и в прессованном с добавкой нескольких процентов цементатора. При давлениях 3000…6000 кгс/см² термит прессуется без цементаторов и имеет при этом большую механическую прочность. Для изготовления термита берут железную окалину и грубо измельченный (сито №8…10) порошок алюминия. Применение мелко дисперсного алюминия не допускается, так как в этом случае ускоряется процесс горения термита, что нецелесообразно. Образцы насыпного термита массой в 1кг сгорают за 15…20сек, те же образцы, спрессованные при 200кгс/см², сгорают за 35…50сек. Термитный брикет массой в 1кг, имеющий форму цилиндра высотой 15,5см и диаметром 5,5см, сгорает за 40сек, 50г термита проплавляют лист железа толщиной 2мм в течении нескольких секунд, оставляя отверстие (в зависимости от формы расположения термита) диаметром от 50 до 80мм.

Воспламенение железо-алюминиевого термита нельзя осуществить ни при помощи спичек, ни при помощи черного пороха, ни от стопина, ни от обычных воспламенительных составов. Для воспламенения порошкообразного термита предложено несколько различных смесей. Все они содержат в качестве горючего магниевый порошок или алюминиевую пудру. Рецепты воспламенительных составов для термита:

1.

2.

3.

4.

Для воспламенения порошкообразного термита также можно применять прессованные осветительные составы.

Прессованный термит воспламеняется значительно труднее насыпного, для его воспламенения применяют переходные составы, содержащие 40…60% термита и 60…40% воспламенительного состава.

Кроме военного дела железо-алюминиевый термит применяется для сварки рельс. В этом случае концы свариваемых рельс охватываются специальной графитовой формой, в воронке которой сгорает термитный патрон, восстановленное железо стекает в форму и своим теплом сваривает концы рельс, затем форма разрушается.

Для приварки к стальным деталям медных электрических шин применяют термит состава:

Образующаяся при горении такого термита марганцовистая бронза сваривает детали в единое целое.

Железо-магниевый термит, отпрессованный в какую либо форму, после сгорания несколько уменьшает свои линейные размеры, сохраняя, тем не менее, начальную форму термитной шашки. Сгоревшая форма представляет собой довольно прочное шлаковое пористое образование. Указанные свойства железо-магниевого термита, дающего при сгорании весьма высокую температуру, позволяют использовать его для создания местных высоких температур без образования газов и растекающихся шлаков. При помощи такого термита можно производить сварку металлической арматуры и проводов в стык. Для этого отпрессовывают так называемую термомуфельную шашку термита со сквозным отверстием в центре. Шашка одевается на концы арматуры или проводов так, чтобы несвязанные концы находились в центре шашки, после этого термит поджигается нагревая концы до температуры плавления. По расплавлению концов, они сжимаются внутри шашки наружными механическими приспособлениями (род клещей), в результате концы прочно свариваются. После остывания шлаковой формы она легко разрушается, процесс сварки считается оконченным.

Железо-магниевый термит воспламеняется значительно легче, чем железо-алюминиевый, однако, и для его воспламенения необходим воспламенительный состав типа осветительного. Магниевый термит может использоваться также для быстрого разогрева паяльников (шашка вкладывается в специальное отверстие, выполненное в теле медной головки паяльника и закрываемое крышкой), для быстрого кипячения воды в полевых условиях и так далее.

Термитно-зажигательные составы

Термитно-зажигательными составами в отличие от термитов называются многокомпонентные смеси, содержащие наряду с термитом и другие вещества. Содержание термита в таких составах составляет чаще всего 60…80%. Введение в термит добавок имеет целью увеличить теплоту его горения, создать пламя при его горении, облегчить воспламенение термита, ускорить или замедлить горение. В качестве примера можно привести рецепт смеси для снаряжения зажигательных авиабомб:

Теплота горения такого состава 1,1ккал/г. При горении образуется 2,5% по массе газообразных продуктов и 97,5% твердых шлаков. Для снаряжения 76-мм зажигательных снарядов употреблялся прессованный термитно-зажигательный состав:

Количество газообразных продуктов, а значит и пламенность, такого состава значительно больше предыдущего, температура вспышки в пределах 600…700^°С.

Из других окислителей-солей в термитные составы могут вводится сульфаты бария или кальция (гипс). В качестве связующих веществ в термитные составы вводят серу, жидкое стекло или органические цементаторы (смолы).

Сгорание термитов, содержащих серу, сопровождается образованием пламени вследствие частичного сгорания серы в SO₂. Получающиеся шлаки более легкоплавки и текучи, так как наряду с окисью алюминия, они содержат сернистые соединения MgS, Al₂S₃, FeS и другие, температура плавления которых лежит в пределах 1000...1200^°С.

Пример состава с серой на 69% состоящий из термита:

Подобные смеси могут получаться смешением готового термита с расплавленной серой при температуре 120…140^°С для более тесного смешения компонентов. Из органических цементаторов в термитно-зажигательных составах применяют асфальты, канифоль, олифу и прочее.

Зажигательные составы с окислителями-солями

Зажигательные смеси, подобные нижеприведенным, мало эффективны и пригодны лишь для зажжения легковоспламеняющихся материалов:

Наиболее эффективными являются смеси с большим содержанием порошков магния или алюминия:

Составы II и III являются не чем иным, как прессованными фотосоставами. Обычно термитно-зажигательными составами снаряжают крупные изделия (снаряды среднего калибра, авиабомбы), составы же с окислителями-солями более пригодны для снаряжения малокалиберных снарядов или зажигательных пуль, предназначенных для зажжения жидкого топлива. Составы подобные смеси III совсем не дают при горении жидких шлаков, и зажигательное действие их основано исключительно на непосредственном воздействии пламени.

Требования предъявляемые к составам такого типа:

1. Пламя, образующееся при горении составов, должно обладать максимальной температурой и иметь значительные размеры.

2. Воздействие пламени состава на поджигаемое жидкое горючее должно происходить в течении не слишком короткого промежутка времени (десятых долей секунд).

Приведение в действие таких составов может осуществляться как от механического импульса (удар о броню), так и инициированием при помощи помещаемых в то же изделие ВВ. В последнем случае горение составов может происходить с весьма большими скоростями в десятки, сотни и даже тысячи метров в секунду.

Как своеобразные зажигательные смеси можно рассматривать и смеси ВВ с повышенным содержанием кислорода (избытком) с алюминиевым порошком или пудрой. Во время второй мировой войны было установлено, что фугасное и зажигательное действие ВВ от добавления к нему порошков металлов сильно повышается.

Немецкие 20-мм снаряды автоматических пушек снаряжались смесью:

Жидкие нефтепродукты, отвержденные горючие (напалмы), огнеметные смеси

Жидкие нефтепродукты. Во время второй мировой войны широкое применение нашли зажигательные изделия, например, бомбы, наполняемые нефтью, мазутом, керосином и другими нефтепродуктами. Для увеличения времени их горения и уменьшения распыления, указанными жидкостями в некоторых случаях пропитывались вата, хлопок или хлопчатобумажные концы.

Главным достоинством нефтепродуктов являются:

1. Большой тепловой эффект горения (1грамм керосина дает при сгорании 10ккал, а 1грамм термита всего 0,8ккал).

2. Образование при горении большого пламени, а следовательно, и создание большого очага пожара.

3. Малая скорость горения.

4. Низкая стоимость и широкая сырьевая база.

К недостаткам нефтепродуктов относятся:

1. Низкая температура горения (700…900^°С, против 2400^°С у термита).

2. Малая плотность (0,7...0,8, плотность прессованного термита составляет 3…3,4).

3. Отсутствие твердых продуктов сгорания (шлаков), обладающих дополнительным зажигательным действием.

4. Чрезмерно большая подвижность и растекаемость.

5. Излишняя легкость испарения, следствием чего является бурный процесс горения.

Два последних недостатка в значительной мере устраняются при употреблении нефтепродуктов в, так называемом, отвержденном виде.

Напалмы. Отвержденными горючими называют жидкие углеводороды превращенные специальной обработкой в студнеобразное состояние. Такое горючее как самостоятельно, так и в комбинации с термитом, применяется для наполнения тяжелых бомб, предназначенных для поджога строений. Напалм также применяется в виде сбрасываемых контейнеров, разрушающихся при ударе о землю.

Получение отвержденных горючих осуществляется растворением в нефтепродуктах стеариновой кислоты с последующей обработкой полученного раствора спиртовым раствором едкого натрия. Протекающая при смешении этих двух растворов реакция выражается уравнением:

C₁₇Н₃₅СООН + NaОН = С₁₇Н₃₅СООNa + Н₂О

С₁₇Н₃₅СООН — стеариновая кислота, С₁₇Н₃₅СООNa — мыло.

Горячую жидкость через шланги разливают в корпуса зажигательных бомб, где, охлаждаясь, она превращается в студнеобразную массу.

По указанному способу получают «твердую нефть», «твердый керосин» и тому подобное. На практике для загущения пользуются техническим стеарином.

К отвержденным горючим предъявляются следующие требования:

1. Малая летучесть.

2. Легкость воспламенения.

3. Максимальная температура горения.

4. Высокая теплота горения.

5. Неизменность консистенции при перевозках и хранении.

6. Отсутствие явлений синерезиса при резких (от – 30 до + 40^°С) колебаниях температуры.

Отвержденные бензин и керосин легко воспламеняются от горящей спички.

Калорийность отвержденного горючего несколько ниже, чем у соответствующего нефтепродукта, особенно в том случае, если количество отверждающих добавок превышает 10…15% от общей массы горючего. Температура плавления отвержденных горючих составляет примерно 60^°С, плотность близка к плотности соответствующего нефтепродукта.

Другим видом отвержденного горючего является «загущенное» горючее, придуманное умными американцами для того, чтобы прямо во фронтовой обстановке получать готовый к применению продукт из топлив для мототехники.

Название «напалм» присвоено загущенному горючему и фирменному загущающему порошку. Загущающий порошок-напалм представляет собой смесь алюминиевых солей олеиновой, пальмитиновой, лауриновой, нафтеновой и других органических кислот.

Сырьем для изготовления напалма являются:

1. Олеиновая и нафтеновая кислота, а также кокосовое масло.

2. Водный раствор NaОН.

3. Водный раствор Al₂(SO₄)₃•18Н₂О (алюминиевых квасцов).

При смешении этих веществ происходит осаждение алюминиевых солей указанных кислот, полученная суспензия центрифугируется или фильтруется. Влажный напалм подается в сушилку, где подвергается действию горячего воздуха при температуре около 160^°С. После сушилки содержание воды в напалме составляет 0,4…0,8%. Сухой напалм размалывается на мельницах в тонкий порошок, который и используется для загущения нефтепродуктов. Количество вводимого в жидкие горючие напалма, в зависимости от степени загущения, составляет от 4 до 11%. Загущенные напалмом нефтепродукты используются для заполнения корпусов зажигательных бомб и для целей огнеметания. Отличительными свойствами горючего-напалма являются значительная вязкость и липкость, что делает его подходящим средством для поджога деревянных строений и уничтожения живых целей.

В народном хозяйстве применяется, так называемый, «твердый бензин». Отвердителями бензина служат казеин, мочевино-формальдегидные смолы или растворы поливинилового спирта. Отвердителем для раствора поливинилового спирта в бензине является формальдегид.

Огнеметные смеси. Впервые огнемет был применен в первой мировой войне. С помощью огнеметов выбрасывалась струя пламени на дистанцию от 40 до 75м.

Огнеметные жидкости должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Иметь возможно большую плотность (для обеспечения необходимой дальности действия струи).

2. Безотказно воспламеняться от соответствующего запального приспособления.

3. Развивать при своем горении максимальную температуру.

4. Не слишком быстро гореть на воздухе (при быстром горении лишь незначительное количество жидкости достигнет цели).

В качестве огнеметных жидкостей чаще всего употребляются смеси различных жидких углеродов или масел. В США употреблялась для огнеметания смесь содержащая 25% бензина, 25% керосина и 50% нефти. Другая огнеметная смесь содержала 70% солярового масла и 30% бензина. Также использовались и загущенные горючие типа напалма. Может использоваться также самовоспламеняющаяся смесь на основе раствора белого фосфора в сероуглероде. Температура пламени, образующегося при горении огнеметной струи из жидких нефтепродуктов, не превышает 700…900^°С. Повышение температуры в пламени огнеметной струи может быть достигнуто введением в нефтепродукты значительного количества магниевого порошка (до 50…60%) и одновременного добавления 10% порошка безводного сульфата натрия.

По мнению автора, температуру огнеметной струи можно повысить введением в жидкие нефтепродукты некоторого количества мощных жидких окислителей, растворимых в указанных жидкостях. В качестве жидких окислителей возможно использование нитрометана, тринитрометана, тетранитрометана. Содержание жидких окислителей в огнеметных смесях не должно превышать 10…20%, в противном случае смесь приобретает способность к детонации и переходу горения во взрыв при определенных условиях.

Воспламенение огнеметной, струи вылетающей их сопла огнемета, осуществляется при помощи специального запального пиротехнического патрона, воспламеняемого электровоспламенителем или небольшой горелкой, работающей на сжиженном газе или непосредственно на огнеметной жидкости.

Сплав «электрон»

Легкий сплав «электрон» содержит около 90% магния и легирующие добавки других металлов. Примерный состав сплава для изготовления корпусов зажигательных бомб:

Сплав «электрон» имеет плотность 1,8…1,83% и обладает высокими механическими свойствами. Температура его плавления 630…635^°С. При сгорании «электрон» развивает высокую температуру (до 2000^°С) и выделяет значительное количество тепла (примерно 6ккал/г). Как зажигательное средство, «электрон» применяется для изготовления различных зажигательных изделий и, в первую очередь, для изготовления корпусов мелких зажигательных авиабомб, весом около 1кг. «Электрон» в этих боеприпасах горит, как и чистый магний, за счет кислорода воздуха. При его горении образуется сравнительно небольшое ослепительное белое пламя, и происходит выделение белого дыма окиси магния.

Воспламеняется «электрон» при помощи порошкообразных либо прессованных термитов или термитно-зажигательных составов, помещаемых в толстостенный «электронный» корпус бомбы. Окисление «электрона» при горении может осуществляться не только за счет кислорода (и азота) воздуха, но и за счет кислорода, содержащегося в соприкасающейся с ним древесине, или за счет кислорода окиси кремния при тушении электрона песком. Однако при тушении его песком восстановленный кремний не успевает сгореть, создавая вместе с расплавом песка защитную пленку, прекращающую доступ кислорода воздуха к «электрону» — происходит прекращение горения.

Фосфор и его соединения

Фосфор, его растворы и соединения применяются обычно для зажжения легковоспламеняющихся материалов. Основное преимущество белого фосфора перед другими зажигательными веществами заключается в том, что в мелкораздробленном состоянии он самовоспламеняется и сгорает на воздухе:

4Р + 5О₂ = 2Р₂О₅

При сгорании образуется желтовато-белое пламя и выделяется большое количество весьма устойчивого белого дыма фосфорного ангидрида.

Фосфорные мины и ручные гранаты оказались весьма эффективными в окопной войне. Взрыв таких гранат, создавая большое количество плотного дыма, действует на противника деморализующе. Мельчайшие брызги расплавленного горящего фосфора прожигают одежду и поражают тело, нанося тягчайшие повреждения тканям человека. К преимуществу белого фосфора, как зажигательного средства, следует отнести его способность к повторному самовоспламенению после тушения. Белый фосфор представляет собой мягкое воскоподобное вещество бледно-желтого цвета (технические сорта могут иметь от светло до темно коричневого цвета). Плотность его 1,83, температура плавления 44^°С (однако он плавится от тепла человеческого тепла с самовоспламенением), температура кипения 290^°С. Основными недостатками белого фосфора, как зажигательного вещества, являются низкая температура горения (не выше 1000^°С), а также трудности снаряжения им соответствующих изделий. Заливка белого фосфора в зажигательные изделия во избежание его самовоспламенения должна производиться под водой или в среде инертных газов. Следует отметить, что белый фосфор очень ядовит, доза 0,1 грамма является смертельной). Красный фосфор редко применяется в качестве зажигательного средства, однако, некоторые зажигательные изделия снаряжают смесью красного и белого фосфора.

Растворы фосфора. Лучшим растворителем для белого фосфора являются сероуглерод (100 грамм насыщенного раствора содержит 81 грамм фосфора). Кроме того, белый фосфор хорошо растворим во многих органических растворителях, например, в бензоле, скипидаре и других.

При испарении раствора фосфора в СS₂ (весьма летучем и огнеопасном веществе), остающаяся на облитом предмете, тонкая пленка фосфора легко воспламеняется на воздухе и поджигает окружающие их пары сероуглерода и далее предметы. Указанным раствором был подожжен Рейхстаг перед приходом фашистов к власти в Германии. Для замедления процесса горения в раствор фосфора в сероуглероде добавляют иногда жидкие нефтепродукты, дегтярное масло, нитросоединения и другие вещества.

Соединения фосфора. Из соединений фосфора чаще других применяются в качестве зажигательных веществ сульфиды фосфора и, в первую очередь, сесквисульфид (Р₄S₃). Сесквисульфид фосфора хорошо растворяется в сероуглероде (100 грамм СS₂ при растворяет 27 грамм Р₄S₃), хуже в бензине. Чистый Р₄S₃ при комнатной температуре устойчив к гидролизу, в кипящей воде разлагается с выделением сероводорода. Высшие сульфиды не устойчивы к гидролизу, растворимость их в сероуглероде и других растворителях хуже чем у сесквисульфида. Содержание в них фосфора значительно ниже, чем в сесквисульфиде. При смешении при комнатной температуре белого фосфора с серой образуется жидкий сплав. Содержание фосфора в эвтектике затвердевающей при – 7^°С, составляет примерно 75%. Сплав Р₄S₃ с фосфором дает эвтектику затвердевающую при – 40^°С.

Фосфиды. Фосфид кальция в сухой атмосфере совершенно устойчив, во влажном воздухе или при смачивании водой разлагается на гидрат окиси кальция и фосфины (гидриды водорода):

Ca₃P₂ + 6H₂O = 3Ca(OH)₂ + 2PH₃

Фосфин (РН₃), ввиду наличия в нем некоторого количества дифосфина (Р₂Н₄), самовоспламеняется на воздухе.

Фосфид кальция получается при горении смеси Са₃(РО₄)₂ + Al и используется для инициирования вторичного очага пожара. Фосфид кальция чаще используется не в качестве зажигательного средства, а для снаряжения сигнальных изделий употребляемых на флоте и воспламеняющихся при контакте с водой. Перспективно применение дифосфина как индивидуального вещества для снаряжения самовоспламеняющихся зажигательных изделий.

Дифосфин представляет собой жидкость с температурой плавления – 99^°С и кипения 63^°С.

Гидриды

Гидриды неметаллов. Из указанного класса веществ для снаряжения самовоспламеняющихся на воздухе и в воде изделий могут употребляться диборан (В₂Н₆) в виде сжиженного газа, пентаборан (В₅Н₉) в виде жидкости и их смеси.

Кроме самовоспламеняемости на воздухе бораны обладают значительной токсичностью, причем, опасные концентрации создаются еще до того, как обнаруживается их запах, поэтому они могут употребляться как универсальное зажигательно-отравляющее вещество.

Сложные гидриды. По видимому для зажигательных целей при наличии влажной атмосферы может быть использован борогидрид алюминия Al(ВН₄)₃.

Металлоорганические соединения

В могут быть применены низшие алюминийалкилы, например, триалкилалюминий, трипропиналюминий, гидриды алкилалюминия. Все указанные вещества самовоспламеняются (иногда со взрывом) на воздухе и могут быть использованы в зажигательных изделиях как индивидуальные вещества и в виде смесей с другими зажигательными веществами.

Галоидные соединения фтора

Свободный фтор крайне энергично соединяется с органическими веществами, в результате выделяется большое количество тепла с воспламенением горючих веществ. Однако применение свободного фтора в качестве зажигательного вещества практически трудноосуществимо, так как фтор трудносжижаемый газ, температура кипения которого при давлении в 1 атмосферу — 187^°С. Галоидные соединения фтора (галогенфториды), обладая во многих случаях достаточно большой химической активностью, вместе с тем имеют более высокую температуру кипения и представляют собой либо жидкости, либо сравнительно легко сжижаемые газы. Наибольший интерес для пиротехники из галогенфторидов представляют трифторид хлора (ClF₃) и пентафторид хлора (СlF₅). Трифторид хлора — бесцветный легко сжижающийся газ, с температурой плавления – 76,3^°С, критическая температура лежит в пределах 154…174^°С, критическое давление 57 кгс/см². Органические вещества, как правило, реагируют с трифторидом хлора с воспламенением, а некоторые со взрывом. Трифторид хлора является достаточно практичным окислителем для реактивных двигателей, его производство не составляет трудностей, в связи с этим можно ожидать применение трифторида хлора в качестве эффективного зажигательного средства. Пентафторид хлора синтезирован сравнительно недавно, его свойства еще недостаточно изучены, температура кипения его лежит в пределах от – 10 до – 20^°С. Реакционная способность пентафторида хлора меньше, чем у трифторида хлора, однако количество отдаваемого фтора гораздо больше, а значит и температура горения органических веществ в указанном веществе будет значительнее. Вероятно применение смесей трифторида и пентафторида хлора.

Кроме галоидных соединений фтора в качестве зажигательного вещества по-видимому может быть использован перхлорат фтора FClO₄, вещество с температурой кипения – 15,7^°С.

Прочие зажигательные вещества и смеси

Из простых веществ в качестве зажигательных нашли применение щелочные металлы калий и натрий.

Основное преимущество металлического натрия перед другими зажигательными веществами заключается в том, что он бурно реагирует с водой, выделяя водород, причем теплоты реакции достаточно для воспламенения воздушно-водородной смеси. При взрыве водорода частицы расплавленного от тепла реакции щелочного металла разбрасываются в стороны увеличивая число очагов пожара.

2Na + 2H₂O=2NaOH + H₂ + 135ккал.

Недостатками щелочных металлов являются малая плотность (у натрия 0,97; у калия 0,86) и значительная инертность по отношению к сухому воздуху. Щелочные металлы в сухом воздухе загораются с трудом и даже загоревшись легко могут потухнуть. Температура горения щелочных металлов на воздухе не превышает 1000^°С. Металлический калий значительно активнее натрия. Еще более активны металлические цезий и рубидий, однако эти металлы гораздо дороже натрия.

Щелочные металлы в зажигательных изделиях применяются исключительно в комбинации с другими зажигательными веществами или составами: фосфором, жидкими нефтепродуктами, напалмом и термитом. Снаряжение зажигательных изделий осуществляется методом заливки расплава металла в корпус изделия в среде инертных газов. Металлический натрий плавится при температуре 98^°С, кипит при 877^°С; металлический калий плавится при 63^°С, а кипит при 762^°С.

Эвтектический сплав металлического натрия и калия представляет собой жидкость с содержанием натрия 23% и затвердевающую при температуре 12,5^°С.

В литературе описано также много различных самовоспламеняющихся на воздухе веществ, таких как: силициды металлов, которые при реакции с соляной кислотой образуют кремнийводороды (силаны), диметилцинк и алкильные соединения щелочных металлов. К самовоспламеняющимся на воздухе материалам должны быть отнесены также пирофорные металлы. Металлы в пирофорном состоянии отличаются кроме весьма тонкого измельчения тем, что вследствие особого способа приготовления (восстановительная атмосфера) на их поверхности не имеется затрудняющей окисления оксидной пленки. Очень легко может быть получено пирофорное железо методом прокаливания щавелекислого железа в сосуде с небольшим отверстием для выхода образующихся газов.

САМОВОСПЛАМЕНЯЮЩИЕСЯ СОСТАВЫ

Кроме описанных выше веществ, воспламеняющихся при воздействии на них кислорода воздуха и воды, существуют так же пиротехнические смеси, могущие самовоспламеняться при воздействии на них различных веществ.

Указанные смеси применяются в целях воспламенения основных пиротехнических смесей, обладающих каким-либо специальным эффектом горения, а также и в диверсионных зажигательных устройствах, вызывающих пожары, а при использовании ВВ и взрывы.

Самовоспламеняющиеся составы можно условно разделить на:

1. Составы, воспламеняющиеся от действия воды.

2. Составы, воспламеняющиеся от действия кислот.

3. Составы, воспламеняющиеся из-за большого сродства друг другу, входящих в них веществ.

Одним из первых пиротехнических составов, воспламеняющихся от воздействия воды, была смесь равных частей серы и железных опилок. Из указанной тестообразной смеси, иногда с добавлением нашатыря (NH4Cl), лепили шары размером с яблоко и подкладывали в места предназначенные для поджога.

Через несколько часов шары воспламенялись. Возгорание подобных составов зависит от множества вторичных условий: температуры, степени измельчения, наличия в сере следов серной кислоты и тому подобное. Эффект возгорания подобных составов трудно воспроизводим и потому практически не употребляется.

Рецепт практического состава, воспламеняющегося от действия небольшого количества воды:

При воздействии на состав воды в нем протекают следующие реакции:

CuSO₄ + 5H₂O = CuSO₄•5H₂O

CuSO₄ + Mg = MgSO₄ + Cu

Эти реакции (гидратации и вытеснения) сопровождаются значительным повышением температуры, а обменная реакция в растворе

KClO₃ + NH₄NO₃ = KNO₃ + NH₄ClO₃

приводит к образованию хлората аммония, вещества способного к саморазложению и даже самовзрыванию при небольшом повышении температуры до 30…60^°С, который и является инициатором воспламенения основной массы состава.

От действия воды воспламеняются также составы на основе тиомочевины и персульфата калия, исследованные под научным руководством автора аспиранткой Пановой В.И. В основе данной реакции лежит автокаталитическое разложение персульфата калия с выделением пероксида водорода в свободном состоянии. Данная реакция не всегда приводит к воспламенению состава, необходимым условием воспламенения являются рН среды менее 7.

Под действием воды воспламеняется так же и состав следующей рецептуры:

К составам, самовоспламеняющимся под действием кислот, относятся смеси состоящие из хлората калия и свекловичного сахара, хлората калия и спирта, хлората калия и других органических веществ. При смачивании подобных смесей концентрированной серной кислотой они воспламеняются. Воспламенение смесей происходит вследствие того, что в результате реакции двойного обмена и диспропорционирования хлората калия при воздействии на него серной кислоты выделяется двуокись хлора (ClО₂), вещество нестойкое и разлагающееся при температуре 65^°С со взрывом и выделением большого количества тепла. Двуокись хлора, разлагаясь, воспламеняет основную массу смеси.

3КСlO₃ + 2H₂SO₄ = 2KHSO₄ + KClO₄ + 2ClO₂ + H₂O

2ClO₂ = Cl₂ + 2O₂ + 54ккал

Воспламенителями мгновенного действия на смеси хлората калия с сахаром, воспламеняемой разбиваемой пробиркой с серной кислотой, пользовались народовольцы и социалисты-революционеры при изготовлении метательных ударных динамитных бомб.

К составам самовоспламеняющимся из-за особого сродства веществ друг другу (обычно реакции окисления восстановления) относятся смеси хромового ангидрида (СrO₃) с этиловым спиртом ( при смешении веществ происходит мгновенное воспламенение). Обычно смесью бензина и спирта снаряжались стеклянные бутылки, к которым прикреплялась пробирка с сухим хромовым ангидридом. При разбивании бутылки и прикрепленной к ней пробирки вещества смешивались с воспламенением зажигательной огнесмеси.

Большим сродством друг другу имеет перманганат калия KMnO₄ и глицерин. При смешении веществ, в зависимости от измельчения перманганата калия, воспламенение происходит мгновенно или в течении нескольких секунд. Существуют и жидкие самовоспламеняющиеся смеси, основанные на сродстве веществ. Подобные смеси применяются в основном для самовоспламенения при запуске реактивных двигателей или в качестве бинарных зажигательных средств. В случае бинарного применения указанные вещества должны смешиваться тем или иным способом непосредственно перед моментом воздействия на цель.

В таблице 35 приведены некоторые сочетания веществ, образующих самовоспламеняющиеся смеси.

Окислитель

Горючее

Красная дымящаяся азотная кислота (HNO₃+NO₂)

Скипидар, анилин, фурфуриловый спирт, несимметричный даметилгадразин

Перекись водорода 80..90%

Гидразин

Жидкий кислород

Борогидрид лития

Четырехокись азота (N₂O₄)

Анилин, этилен, ксилидин, гидразин

Трифторид хлора (CIF₃)

Гидразин, пентаборан, аммиак, метиловый спирт

Жидкий фтор

Гидразин, аммиак, жидкий водород

Воспламенительные составы

Воспламенительные составы предназначаются для зажжения основных пиротехнических составов, обладающих каким-либо специальным эффектом. Действие воспламенительного состава заключается в прогревании некоторого участка поджигаемого состава до температуры воспламенения.

Из сказанного следует, что чем выше температура самовоспламенения (вспышки) основного состава, тем более «сильный» воспламенительный состав требуется для возбуждения в нем реакции горения. Воспламенение составов, температура вспышки которых не выше 500…600^°С, не представляет особых затруднений. Составы, температура вспышки которых превышает 1000^°С, воспламеняются с большим трудом. Для воспламенения таких составов (например, термитов), особенно находящихся в прессованном состоянии, приходится подбирать специальные воспламенительные и переходные составы.

К воспламенительным составам предъявляются следующие требования:

1. Легкость воспламенения от сравнительно небольшого теплового импульса, температура вспышки не выше 500^°С.

2. Температура горения на несколько сот градусов выше, чем температура вспышки поджигаемых ими основных составов.

Зажигательное действие воспламенительных составов обусловливается, главным образом, количеством тепла, которое передается основному составу от образующих при горении шлаков. Таким образом, зажигательное действие воспламенительного состава будет тем сильнее, чем выше температура его горения, и, чем большее количество шлака остается после его сгорания на поверхности поджигаемого основного состава. Чем более жидкий шлак образуется при горении воспламенительного состава, тем больше будет поверхность его соприкосновения с поджигательным составом.

Опытным путем установлено, что наилучшее зажигательное действие оказывают медленно горящие воспламенительные составы, обеспечивающие достаточное время для передачи тепла зажигаемому основному составу. Поэтому в пиротехнических средствах воспламенительные составы применяются почти всегда в спрессованном виде.

В качестве окислителей в воспламенительных составах применяют в основном вещества, образующие с выбранным горючим смеси с невысокой чувствительностью. В качестве горючих применяют как высококалорийные (алюминий, магний, бор), так и сравнительно малокалорийные (уголь, идитол).

Для легко воспламеняющихся составов (сигнальных дымов, хлоратных составов, сигнальных огней) возможно применение воспламенительных составов близких по рецептам к дымному пороху:

Немного более интенсивное зажигающее действие будет оказывать состав, использовавшийся ранее для воспламенения осветительных составов авиабомб:

Для воспламенения осветительных составов применяют смеси:

В Германии для воспламенения осветительных составов раньше употреблялась смесь следующего состава:

Для воспламенения трассирующих составов в качестве окислителя чаще других используют перекись бария (ВаО₂), отдающую свой кислород при более высокой температуре, чем нитрат калия однако, требующую для своего распада затраты очень небольшого количества тепла. При распаде перекиси бария масса твердого остатка составляет 91% начальной массы. Используются следующие составы:

1.

2.

Сильным воспламенительным действием обладают составы термитного типа:

1.

2.

Однако воспламенение этих составов само по себе осуществляется с известным трудом.

В том случае, когда даже сильными воспламенительными составами не удается зажечь основной пиротехнический состав, применяют, так называемые, переходные или промежуточные составы. Переходные составы получают смешивая в известных пропорциях (часто подбираемых опытным путем, до получения 100% воспламенения) воспламенительный и основной составы. Для зажжения некоторых особо трудно воспламеняющихся основных составов приходится иногда применять одновременно несколько переходных составов, из которых переходный состав, содержит наименьшее количество воспламеняемого состава. Подобное устройство представлено на рисунке.

1. пороховая мякоть;

2. воспламенительный соста;

3. переходный состав, состоящий из воспламенительного и основного состава взятых в соотношении 3:1;

4. то же в соотношении 1:1;

5. основной состав.

Легко воспламеняются и обладают хорошим воспламенительным действием составы, содержащие порошок циркония. Примером таких составов, используемых для воспламенения трассирующих составов, могут служить:

ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬНЫЕ СОСТАВЫ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Надежность работы ракетных двигателей в значительной степени зависит от наличия эффективной системы воспламенения.

Существовавшие ранее воспламенители на основе черного пороха не удовлетворяли требованиям надежного воспламенения смесевых топлив и баллистических порохов. В связи с этим американские фирмы разработали ряд конструкций и составов пиротехнических воспламенителей, используемых в настоящее время. В данной книге не будут рассматриваться конструктивные схемы построения воспламенителей, однако приведем состав некоторых пиросмесей, образующих значительный факел пламени высокой температуры и содержащий раскаленные твердые или жидкие частицы, обладающие повышенной воспламеняющей способностью. На первой стадии отработки были использованы двойные смеси, например, смесь перхлорат калия-алюминий, названная «Alclo», затем для воспламенения твердых топлив с повышенным содержанием ПХА стали применять смесь:

Применяют также смесь:

Ниже приведены типичные комбинации компонентов смесей металлов и окислителей, из которых изготовляют таблетированные воспламенительные составы для ракетных двигателей:

ЗАМЕДЛИТЕЛЬНЫЕ СОСТАВЫ (БЕЗГАЗОВЫЕ СОСТАВЫ)

Замедлительные составы находят применение в дистанционных трубах и взрывателях, в электрозапалах замедленного действия. Сущность действия замедлительных составов состоит в следующем: начальный импульс инициатора (капсюля-воспламенителя, электрозапала, терочного воспламенителя) воспламеняет замедлительный состав, который несмотря на тяжелые условия эксплуатации (большой срок хранения, изменение наружных температуры и давления) должен легко воспламеняться и сгорать со строго постоянной скоростью с разбросом по времени горения не более 3%. После сгорания замедлительный состав должен передать тепловой импульс концевому заряду, обеспечивающему выходной импульс (вышибному заряду, капсюлю-детонатору и прочее). Замедлительные составы используются в прессованном виде. Первым замедлительным составом следует считать черный порох, однако при незначительном изменении влажности скорость его горения значительно изменяется, поэтому черный порох не подходит для целей современной пиротехники. Вторым составом, разработанным в 1926 году, была смесь свинцового сурика и кремния со связующим, льняным маслом или глицерином, следующей рецептуры:

При горении подобного состава термитного типа количество выделяющихся газов настолько невелико, что ими можно пренебречь, поэтому подобные составы были названы безгазовыми. Скорость горения составов термитного типа мало зависит от внешнего давления, это свойство является весьма ценным при использовании в замедлительных устройствах с обтюрацией газов.

В качестве окислителей в безгазовых (малогазовых) составах используются: хроматы бария, свинца, стронция, кальция; перхлораты калия; окислы железа, меди, вольфрама, свинца, марганца, висмута, молибдена, кобальта, никеля; перекиси бария; нитраты калия. В качестве горючих обычно применяют металлы, неметаллы, и сплавы с достаточно высоким тепловым эффектом реакции горения. Обычно используют цирконий, кремний, бор, титан, вольфрам, марганец, ферросилиций сурьму и другие.

Приведем рецепты некоторых составов замедлителей:

Для изготовления замедлителей к электрозапалам замедленного действия, находит применение безгазовый состав:

Известны составы с применением окислителя неметалла, например, селена или серы:

Однако такие составы все же выделяют значительное количество газов при горении и не нашли применения. При уменьшении соотношения серы как окислителя и введении для восполнения ее недостатка кислородного окислителя были получены надежные замедлительные составы.

Американский замедлитель М16-А1:

Давление прессования состава составляет 2800 кгс/см².

Американский состав для замедлителей ручных гранат:

Замедлительная смесь D-16:

Замедлитель М-112:

Давление прессования состава 2520 кгс/см²

Важным преимуществом смесей на основе хромата бария и бора по сравнению с другими является их надежность при неблагоприятных условиях хранения.

Рецепт замедлителя М-112 с увеличенным временем горения:

Давление прессования состава 2520 кгс/см²

В качестве связующих в смесях пиротехнических замедлителей обычно используют льняное масло, глицерин, ПВА.

ЗАПАЛЫ И ЗАПАЛЬНЫЕ СОСТАВЫ

Запалом называется устройство, которое после получения сигнала на включение преобразует его энергию (электрическую, механическую) и инициируют экзотермическую реакцию веществ содержащихся в запале.

Электрозапалы

Электрозапалы состоят из корпуса, в котором располагаются изолированные друг от друга контакты, соединенные между собой мостиком накаливания (проволочка из нихрома, платины, платино-иридиевого сплава и тому подобное). Мостик окружен инициирующей смесью, обладающей большой чувствительностью к начальному тепловому импульсу. Кроме того в корпусе обычно содержится передаточный (основной состав), назначение которого воспламенение от луча пламени инициирующего состава и передача мощного теплового импульса непосредственно к основному составу воспламеняемого изделия.

Различают четыре основных вида изготовления электрозапалов, отличающихся друг от друга способом окружения мостика накаливания инициирующим составом.

1. Бисерный способ. Короткими мазками кисточки на мостик нанизывается бисерообразная капелька из приготовленной на лаке НЦ пастообразной инициирующей смеси.

2. Способ заливки. Полость корпуса, где размещен мостик накаливания, заполняются жидкой пастой инициирующего состава, после высыхания мостик накаливания остается окруженным инициирующей смесью.

3. Способ заливки порошка. Порошкообразная инициирующая смесь просто засыпается в полость, где расположен мостик накаливания. Этот метод не обеспечивает тесного контакта между мостиком накаливания и инициирующим зарядом.

4. Способ прессования. Инициирующий состав напрессовывается на мостик накаливания, уложенный на твердое изолирующее основание. Мостик накаливания в этом случае может быть графитовым. Способ сложен, теплопотери при накаливании велики, таким образом, и мощность электрического импульса воспламенения должна быть сравнительно велика.

Конструкция электрозапалов представлена на рисунке.

Рисунок 4. Электрозапалы

1. Бисерного типа

2. Засыпной “заливной”

3. Прессованный

1. корпус

2. заглушка изолятор

3. проводники тока

4. проволочный мостик

4.1 4.1 графитовый мостик

5. воспламенительный состав

6. передаточный состав

7. разрывная диафрагма

В качестве инициирующих составов сначала применялась пороховая мякоть, затем гремучая ртуть, в настоящее время используются следующие составы.

Американский состав ХС-9:

Для нанесения бисерным способом и способом заливки вещества превращаются в жидкую пасту смешением с 2,4% раствором нитрокрахмала в бутилацетате.

Очень чувствительные электровоспламенители готовятся из индивидуального инициирующего ВВ тринитрорезорцинат свинца (стифнат свинца или ТНРС).

В США используются следующие инициирующие составы:

1.

2.

3.

4.

Высокая чувствительность составов №3 и 4, по мнению автора, вызывает сомнение.

Существует значительное количество инициирующих составов на основе металлического циркония, вещества крайне легко воспламеняющегося на воздухе. Например, порошок циркония (размер частиц 5 мк) легко воспламеняется и быстро сгорает даже при содержании в нем воды до 20%.

Рецепты инициирующих смесей на цирконии:

5.

6.

Весьма чувствительными к тепловому импульсу являются инициирующие составы:

7.

8.

Электроискровые запалы

Электроискровые запалы состоят из металлического корпуса, в котором расположен изолированный от корпуса центральный электрод с искровым промежутком между ним и корпусом. Электроискровые запалы обычно снаряжаются способом засыпки с незначительным уплотнением.

Конструкция электроискрового запала представлена на рисунке.

Рисунок 5. Электроискровой запал

1. корпус-электрод

2. заглушка-изолятор

3. проводник-электрод

4. искровой промежуток

5. пироксилин опудренный воспламенительной смесью

В качестве инициирующего состава, в зависимости от энергии искры могут применяться составы № 1, 7, или 8, а также чистый ТНРС.

Запалы ударного действия

Запал ударного действия представляет собой инициирующий элемент, содержащий чувствительную к удару пиросмесь и устроен так, что срабатывает при ударе бойка. Последний вминает металлическую оболочку и ударом сдавливает инициирующую смесь между оболочкой и металлической наковальней. В отличии от запалов накального действия, запалы ударного действия не пробиваются бойком, что позволяет обеспечить герметизацию при высоком давлении газов, например, в патронах стрелкового оружия.

В таблице 36 приведены составы пиросмесей, используемых в запалах ударного действия и капсюльных устройствах.

Таблица 36.

Компоненты смесей

Содержание [%]

Номер состава

1

2

3

4

5

6

Хлорат калия

50

53

35

Сульфид сурьмы

20

17

30

10

25

15

Гремучая ртуть

35

40

25

Сульфоцинат свинца

25

Нитрат бария

25

25

25

Перекись свинца

25

35

ТНРС

60

Тринитротолуол

5

5

Тетразен (С₂Н₈ON₁₀)

5

Карбонат бария

6

Стеклянный порошок

4

Долгое время в качестве инициирующего состава применялась смесь гремучей ртути, хлората калия, антимония (крудума) и стеклянного порошка, добавляемого для увеличения чувствительности состава к удару. Количественное соотношение этих веществ менялось на протяжении многих лет, можно привести один из составов:

Чувствительность к удару указанных составов изменяется в пределах 900...18000 гсм, в зависимости от необходимости решения той или иной задачи воспламенения.

На рисунке представлена конструкция ударных воспламенителей.

Рисунок 6. Ударные воспламенители

1. корпус

2. пружина

3. ударник

4. чека удерживающая ударник в боевом положении

5. кольцо чеки

6. капсюль воспламенитель ударный (накольный)

7. гильза капсюльная

8. гильза концевого устройства (детонатор с замедлителем, огнепроводный шнур)

9. огнепроводный шнур

Запалы накольного действия представляют собой инициирующий элемент, содержащий пиросмесь чувствительную к проколу бойком с заостренным концом. Поскольку такие устройства могут быть более чувствительными, чем запалы ударного действия, они преимущественно используются в тех случаях, когда уровень механической энергии действующей на запал, очень мал. Бойки для накола запалов имеют форму усеченного конуса с углом конуса 20…30^° и плоским основанием диаметром не более 0,4мм.

В таблице 37 приведены составы наиболее чувствительных пиросмесей, а также их чувствительность при 50%-ной вероятности срабатывания.

Таблица 37.

Компоненты смеси

Содержание [%]

Номер состава

1

2

3

4

Хлорат калия

45

45

53

33

Сульфид сурьмы

23

22

17

33

Гремучая ртуть

32

Сульфоционат свинца

33

25

Азид свинца

5

29

Карбид кремния

5

Чувствительность состава [гсм]

122

145

168

355

На рисунке 7 представлена конструкция накольных воспламенителей.

Запалы фрикционного действия

Запалы фрикционного действия (терки) представляют собой устройства, которые образуют форс пламени при скольжении подвижного элемента устройства по поверхности пиротехнической смеси. Эти запалы применяют для воспламенения других пиротехнических смесей, используемых в сигнальных средствах, дымовых шашках, а также для воспламенения огнепроводных (бикфордовых) шнуров.

В таблице 38 приведены составы смесей, воспламеняющихся при перемещении по их поверхности (или внутри них) шероховатого элемента с абразивным покрытием. Ко всем указанным компонентам добавляются вода, и полученная смесь запрессовывается в корпус с заложенной в него выдергиваемой шероховатой чекой. Карбонат кальция нейтрализует кислоты, которые могут образовываться во влажных смесях, содержащих серу. Подобные составы использовались в немецких ручных гранатах «колотушках» М-24 и яйцевидных ручных гранатах М-39.

Рисунок 7. Фрикционный воспламенитель воспламенитель (терка)

1. пробка

2. корпус воспламенителя

3. шнур соединения пробки с теркой

4. поводок терки

5. терка проволочная

6. перочинный состав в гильзе терочного воспламенителя

7. наружная гильза

8. огнепроводный шнур

Таблица 38.

Компоненты смеси

Содержание [%]

Номер состава

1

2

3

Хлорат калия

63

53

43

Сульфид сурьмы

32

22

42

Сера

9

3

Карбонат кальция

1

2

Мука

3

Стеклянный порошок

10

3

Камедь

5

5

5

В таблице 39 приведены составы, воспламенение которых происходит при скольжении элемента, покрытого составом №1, по поверхности прессованной формочки (таблетки) из состава №2.

Таблица 39.

СОСТАВЫ № 1

Компоненты смеси

Содержание [%]

Номер состава

1

2

3

Красный фосфор

48

50

90

Двуокись марганца

38

Мелкий песок

28

Столярный клей (животный)

14

Декстрин

22

Шеллак

10

СОСТАВЫ№2

Хлорат калия

67

50

88

Сульфид сурьмы

22

30

Столярный клей

11

Декстрин

20

2

Древесный уголь

10

Спичечные составы

Весьма близкими по свойствам и рецептурам к фрикционным составам являются, так называемые, спичечные составы, используемые для производства спичек.

Первыми составами, воспламеняющимися от трения об любую поверхность, были составы на основе белого фосфора. Вообще изобретение спичек, как и изобретение пороха, стало эпохальным открытием и приписывается многим изобретателям, однако скорее всего, заслугу необходимо приписать лицам впервые открывшим практическое производство спичек. Таким лицом можно считать госпожу Меркель из Парижа открывшую первое производство спичек во Франции в 1833 году. Принципом действия фрикционных и спичечных составов является местное повышение температуры в точке контакта чувствительных к тепловым воздействием составах и трущейся о них какой-либо поверхности.

Рецепт состава головки фосфорной спички:

Такие спички были очень огнеопасны, так как воспламенялись от незначительных механических воздействий, а также очень ядовиты и применялись, кроме основного назначения, для производства абортов и самоубийств.

Безопасные шведские спички были изобретены в 1848 году Беттгером, они воспламенялись от трения о специальную поверхность с нанесенным на нее химическим составом. Соединение, необходимых для воспламенения веществ, происходило только в момент трения, из-за чего спички отличались большой безопасностью.

В таблице 40 приведены рецепты составов на головке спички и соответствующей обмазки коробка.

Таблица 40

Головка спички

Обмазка коробка

Хлорат калия

41%

Фосфор красный

45%

Бихромат калия

7,5%

Серный колчедан

35%

1

Перекись марганца

40%

Стеклянный порошок

15%

Серный колчедан

6%

Столярный клей

5%

Стеклянный порошок

5,5%

Хлорат калия

51%

Фосфор красный

37,2%

Стекло

15%

Секвисульфид сурьмы

33,5%

Столярный клей

11%

Столярный клей

9,3%

Окись цинка

7%

Закись-окись железа

7%

2

Окись железа

6%

Декстрин

7%

Сера

5%

Перекись марганца

3,4%

Перекись марганца

4%

Мел

2%

Бихромат калия

1%

Стекло

0,6%

Хлорат калия

45-55%

Фосфор красный

50%

Стекло, песок

20-38%

Стекло

25%

3

Столярный клей

9-11%

Столярный клей

16%

Сера

3-5%

Казеин

16%

Окись цинка или мел

3%

Окись цинка или мел

5%

Крахмал, дикстрин

2-3%

Сажа

4%

Состав №1 наиболее старый и относится к 1850 годам, состав №3 достаточно современен.

В США изготовляются спички зажигаемые о любую шероховатую поверхность, так называемые, спички SAW (stkike anywhere). Особенностью таких составов является наличие в них сесквисульфида фосфора (P4S3). Приведем некоторые рецепты составов воспламеняющихся от трения о любую шероховатую поверхность.

1. Смесь включает в свой состав воду, то есть приведена рецептура смеси для непосредственного нанесения на спичечную соломку:

2.

Кроме обычных бытовых спичек, изготовляются еще спички специальные:

1. Штормовые (охотничьи).

2. Термические для создания местных высоких температур.

3. Сигнальные дающие при горении цветное пламя.

4. Прочие для специальных целей.

ОГНЕПРОВОДНЫЕ СРЕДСТВА

Огнепроводные средства предназначены для передачи теплового импульса на значительные расстояния от единиц сантиметров до десятков и сотен метров.

Огнепроводные шнуры

Огнепроводные шнуры (бикфордовы шнуры) состоят из оболочки из нескольких слоев хлопчатобумажной или льняной нити, между которыми нанесены один или два слоя асфальтовой мастики, или оболочки из пластика. Внутри оболочки находится сердцевина из мелкозернистого черного пороха в центре которой проложена направляющая нить. Диаметр шнура 4,8…6 мм. Огнепроводный шнур горит со скоростью около 1 см/сек, горение шнура под водой происходит быстрее, чем на воздухе. Огнепроводный шнур зажигается, спичкой (приложенной к срезу головкой), терочным, ударным или электровоспламенителем и передает тепловой импульс концевым устройствам: воспламенителю основного состава специального эффекта, промежуточному воспламенителю, детонатору и прочее.

Стопин

Стопин применяется для передачи луча пламени на сравнительно небольшие расстояния (до десятков сантиметров) и имеет вид твердых черных палочек толщиной от 3 до 5 мм. В «Руководстве к приготовлению и сжиганию фейерверков» А. Чиколева приготовление стопина описывается так: фитиль из хлопчатобумажных нитей кладется в пороховую мякоть, разведенную в водке до густоты жидкой сметаны и выдерживают 12 часов, затем проволакивают фитиль в руках и сушат на рамке. Когда высохнет опускают в тот же раствор с прибавлением туда камеди, на 5 часов, затем проволакивают между пальцами, опудривают сухой мякотью и сушат.

В настоящее время стопин приготовляют следующим способом:

6 или 8 хлопчатобумажных нитей варят 30 минут в 5…10% растворе нитрата калия и затем сушат. Приготовляют смесь пороховой мякоти и 50% раствора лака НЦ-218 в растворителе № 646 густоты средней сметаны. Опускают в раствор высохшие хлопчатобумажные фитильные нити и перемешивают так, чтобы нити не запутались. Затем, пропитанный пороховым тестом фитиль, протягивают через отверстие в пластине диаметром 3…4 мм так, чтобы снять лишнее тесто. После протягивания стопин высушивают на рамке. Тем же способом приготовляют стопин на хлорате калия. Раствор для пропитки фитиля приготавливают на основе хлората калия 5…10% концентрации. Тесто состоит из 80% хлората калия и 20% угля, замешанных на чистом лаке НЦ-218. Из-за крайней взрывоопасности смеси хлората с углем, тесто приготовляют сначала разбалтывая уголь в лаке, а затем вводят туда нужное количество хлората калия.

Скорость горения стопина составляет не более 0,5…1 см/сек. Стопин в оболочке трубчатого типа (с зазором между стопином и стенкой трубки) сгорает со скоростью 0,5…1 м/сек и более в зависимости от состава и способа приготовления стопина. Наиболее правильно стопин сгорает в плотно намотанной оболочке из клейкой полимерной ленты, в таком виде стопин способен сгорать под водой как огнепроводный шнур. В месте излома под прямым углом горение стопина может прекратиться поэтому стопин употребляют на прямых отрезках передачи горения.

Фитили

Фитили применяются для замедления передачи теплового импульса огнепроводному шнуру или стопину.

Фитили приготовляют из хлопчатобумажной веревки диаметром не менее 5…8 мм, вываривая ее в 5% растворе едкого натрия или 2% растворе нитрата калия. Фитили лучшего качества изготавливают, вываривая хлопчатобумажные веревки в 10% растворе азотнокислого свинца в течении 1 часа. Фитиль горит со скоростью не более 0,05 мм/сек, хороший фитиль не может быть задут сильным ветром, однако даже слабый дождь гасит фитиль.

ПРОЧИЕ ПИРОТЕХНИЧЕСКИЕ СМЕСИ

Пиротехнические источники газа

Пиротехнические генераторы газов имеют различные габариты и форму, но обычно состоят из тонкостенного металлического корпуса с запрессованной в него пиротехнической смесью. При воспламенении этой смеси выделяется требуемый газ и достаточное количество теплоты для поддержания химической реакции.

Один из первых генераторов газа использовал реакцию горения серы в воздухе с образованием сернистого газа, который применялся для дезинфекции жилых помещений, кораблей и самолетов. Современный метод получения сернистого газа — реакция серы с перхлоратом калия и сульфатом меди:

2S + KClO₄ = KCl + 2SO₂ + 703 кал/г

2S + CuSO₄ = CuS + 2SO₂ – 112кал/г

Первая реакция идет с выделением большого количества тепла, вследствие чего может произойти ускорение процесса и последующий взрыв. Вторая реакция идет с поглощением тепла. Объединяя обе реакции добиваются равномерного горения, для обеспечения интенсивного стационарного потока газа.

Для получения азота (N₂) используют следующую реакцию:

NaNO₂ + NH₄Cl NaCl + 2H₂O + N₂

Эта система является недетонирующей горючей смесью (беспламенного горения). Без добавок она обладает плохой стабильностью при хранении, необходимым условием хранения является отсутствие следов влаги и введение стабилизатора окиси магния.

Рецепт смеси:

Для получения азота применяется также реакция разложения бихромата аммония, которая является самоподдерживающейся:

(NH₄)₂Cr₂O₇ = Cr₂O₃ + N₂ + 4H₂O + 123ккал

Для получения азота также применяют реакцию горения смеси нитрата калия с железным порошком:

6KNO₃ + 10Fe = 3N₂ + 5Fe₂O₃ + 3K₂O

Для получения газообразной закиси азота (N₂О), «веселящего газа», используется реакция термического разложения НТА, которая становится самоподдерживающейся при добавках катализаторов, например, бихромата аммония:

NH₄NO₃ = 2H₂O + N₂O

Однако реакция идет не до конца, и закись азота загрязняется азотом, окисью и двуокисью азота.

Для получения газообразного кислорода, имеющего достаточную для дыхания чистоту, например, на подводных лодках, летательных аппаратах, в дыхательных аппаратах (шахтерских самоспасателях) используют хлоратные свечи, основным компонентом состава которых является хлорат натрия (или хлорат калия):

2NaClO₃ = 2NaCl + 3O₂ + 117кал/г

2KClO₃ 2KCl + 3O₂ + 87кал/г

Однако ни в одной из этих реакций не выделяется количество тепла для самоподдержания стационарной реакции (если только начальным импульсом не служит искусственное повышение температуры всей массы вещества), поэтому для самоподдерживания реакции в хлораты необходимо добавлять некоторое количество горючего. Обычно в качестве горючего используется порошок железа, при его сгорании не образуется вредных для дыхания газов, а образующаяся окись железа является катализатором горения для разложения хлоратов.

Приводим следующий рецепт хлоратных свечей:

Составы на хлорате калия отличаются от приведенного рецепта незначительно. Перекись бария добавляется для поглощения, выделяющегося при горении состава, незначительного количества свободного хлора.

Стеклянное волокно добавляется для некоторого замедления интенсивности реакции.

Состав, содержащий 80% хлората натрия, в прессованном виде имеет плотность 2,45г/см³, масса получающегося свободного кислорода составляет 34% от массы сгоревшего состава. Теплота горения подобных смесей составляет около 200 кал/г, температура горения 500…700^°С. Составы на основе хлората натрия могут снаряжаться в корпуса свечей литьевым способом, составы на хлорате калия способом прессования. Воспламенительный состав для хлоратных свечей содержит те же компоненты, но в других соотношениях обеспечивающих температуру горения 900…1000^°С. Приведем пример воспламенительного состава хлоратных свечей:

В 80-х годах автором были разработаны компаундные газогенераторные составы, предназначенные для использования в подводной и авиационной технике. Основой составов является клатрат карбамида и пероксида водорода (NH₂)₂СОH₂О₂. Особенностью компаунд-клатратных составов является возможность получения с их помощью, как газа-окислителя кислорода, так и инертного газа со значительной огнетушительной способностью (смесь СО₂ N₂ и NН₃). Составы состоят из клатрата карбамида и пероксида водорода, молочного (свекловичного) сахара или глюкозы и мелкогранулированного катализатора разложения пероксида водорода (бихромат калия, перекись марганца, перманганат калия и прочее), гранулы которого покрыты легкоплавкой пленкой (церезин, стеарин).

Рецептура смесей:

При температуре 150…200^°С происходит выделение чистого кислорода до полного разложения всей массы состава, при инициировании состава высокотемпературным термическим импульсом 500…1000^°С происходит выделение смеси указанных выше инертных газов также до полного разложения всей массы состава. Составы указанного типа были широко исследованы аспиранткой Пановой В.И., доказавшей адекватность их разложения в зависимости от уровня энергии передаваемого им инициирующего теплового импульса.

Указанный тип пиросоставов может применяться в зависимости от возникшей аварийной ситуации на подводном или воздушном аппарате. В случае выхода систем жизнеобеспечения из строя — для получения дыхательного кислорода, в случае пожара — для получения огнетушащих газов.

Различные химические экзотермические реакции могут быть использованы также для получения иных газов кроме вышеупомянутых, например, водорода, хлора, возможно, фтора и некоторых других.

Свистящие пиротехнические составы

Некоторые пиротехнические смеси, запрессованные в длинные трубки, горят с резким громким свистом. Свист является следствием ускорения и замедления скорости реакции при горении смеси, что и приводит к появлению чередующихся волн сжатия и расширения в газовой среде над горящей поверхностью состава. Это вызывает появление звука. Звуковой свистящий эффект можно получить при сжигании хлората калия или бария и фенольных производных (галловой кислоты, резорцина, флорглюцина, а также пикриновой кислоты и пикрата калия).

Однако смеси, содержащие пикриновую кислоту и, особенно, пикрат калия (С₆Н₃N₃О₇К), являются взрывчатыми веществами детонирующими со скоростями от 4 до 6км/с, при употреблении для их инициирования капсюля детонатора и слишком опасны в обращении.

Опыты проведенные В. Максвеллом, показали, что получаемая при горении этих составов частота звуковых колебаний тем меньше, чем больше длина картонной трубки, в которую запрессован состав.

Примеры свистящих составов:

1.

2.

Импульсные световые составы.

Известны пиросоставы при горении дающие повторяющиеся импульсы света (вспышки).

Действие импульсных составов заключается в следующем: смесь, содержащая органическое или элементарное горючее, окислитель и металлическое горючее, сжигается на воздухе, при этом органическое или элементарное горючее сгорает послойно за счет кислорода воздуха, однако температура его горения недостаточно велика (за счет его испарения или сублимации) для воспламенения металлического горючего и разложения окислителя или их взаимного реагирования. Через определенный промежуток времени, зависящий от количества сгорающего послойно горючего, частицы металлического горючего и окислителя постепенно освобождаясь от выгорающего, так сказать, «инертного» горючего образуют достаточно концентрированный слой на поверхности выгорающего «инертного» горючего, этот активный слой прогревается до температуры начала взаимодействия металлического горючего и окислителя и воспламеняется со вспышкой. Далее продолжается спокойный процесс выгорания «инертного» горючего до образования следующего активного слоя и так далее.

Частота пульсаций всех исследованных автором с сотрудниками составов составляла диапазон (0,01…3 Гц). В иностранных источниках «Pyrotehnica» № 8 за 1982 год и №5 за 1979 год японский исследователь Такео Шимицу и американец Роберт Г. Кардвелл указывали возможность расширения диапазона максимальной частоты пульсации до 10 Гц. Однако экспериментальная работа аспиранта В.И. Пановой доказала отсутствие указанной возможности. Все исследованные составы, при попытках снизить количество «инертного» горючего для увеличения частоты импульсов сверх указанного автором, приводили к переходу от импульсного горения к стационарному. Попытки увеличения частоты импульсов путем изменения природы инертного горючего, металлического горючего либо окислителя, изменения плотности составов, введение связующих веществ, не подтвердили возможности расширения диапазона импульсов в сторону максимума.

Вообще, импульсные составы стабильно горят только в небольших количествах (до десятков грамм) и при увеличении массы сжигаемых составов, почти всегда, наблюдается переход импульсного горения в хаотично-стационарное (неустойчивое) горение.

В качестве «инертных» горючих в импульсных составах применяется метальдегид, гексаметилентетрамин, элементарная сера.

В качестве металлического горючего обычно применяются магний, алюминий и их сплавы.

В качестве окислителя необходимо применять сравнительно трудноразложимые соли, например, нитраты бария, стронция, натрия, перхлорат калия. Легкоразлагаемые окислители, такие как перманганат калия, не применимы.

Некоторые рецепты импульсных составов:

1.

2.

В общем случае, если металлическое горючее и окислитель взятые в стехиометрических соотношениях составляют массу равную 100%, количество инертного горючего, могущее быть введенным в эту смесь так, чтобы эффект импульсного горения сохранился, составляет от 10% до 19900% сверх 100%. Наилучшими окислителями для импульсных пиросоставов являются перхлорат калия и нитрат бария.

Для получения импульсов с частотой 1минута применяется состав:

Для получения окрашенных цветных импульсов рекомендованы следующие рецепты:

1.

2.

Искристо-форсовые составы

Искристо-форсовые составы предназначены для изготовления фейерверочных элементов и изделий, например, фонтанов, форсов, швермеров, искристых звездок и прочего. В составы форсового искрения входит пламенная пиротехническая смесь с достаточным газообразованием и искрообразователи — стальные и чугунные опилки, древесный уголь, алюминиевые, магниевые, цинковые порошки.

В пиротехнике фейерверков различают форсы употребляемые как ракетное топливо и форсы для изготовления фонтанов.

Искрообразователи, например, крупный уголь или мелкотолченный фарфор, дают сравнительно слабо светящиеся искры, металлические опилки дают сильносветящиеся искры, такие составы называются также бриллиантовыми.

Ниже приведены старинные рецепты искристых огней.

1.Реактивный состав:

2.

3.

4.

Бриллиантовые составы:

1.

2.

3.

В настоящее время, для обеспечения искристо-форсового эффекта, употребляют окислители, образующие при сгорании незначительное количество дыма, в этом случае форс искр значительно зрелищнее, чем в старинных составах, однако продукты разложения современных окислителей (например, ПХА) значительно вреднее для человеческого организма при сжигании в закрытых помещениях.

Пример рецепта современного искристо- форсового состава:

В качестве горючего, в данном составе, применен уротропин, также не образующий при горении дыма (сажевых частиц).

Источники инфракрасного излучения

Источники инфракрасного излучения (ИК) предназначены для применения в системах поиска, слежения, навигации, управления летательных аппаратов и ракетной техники. Одной из важных областей применения ИК излучателей являются беспилотные мишени для испытаний ракет с ИК головками наведения, а также производство ложных мишеней ИК излучения. Главной причиной применения пиротехнических ИК излучателей для указанных выше целей является их простота и дешевизна, а также величина максимальной выделяемой энергией на единицу объема по сравнению с обычными источниками излучения. Теория ИК излучателей пиротехнического типа достаточно сложна и в данной книге рассматриваться не будет.

Пиротехнические ИК-излучатели обычно имеют массу менее 1,35 килограмма, создают интенсивность излучения (со всей рабочей поверхности источника) от 100 до 1000 вт/стер при длинах волн 1,8…2,7 ммк и времени излучения (горения) от 20 до 100 секунд. Объемная плотность энергии излучения на уровне моря составляет приблизительно 0,122 кВтсек/стерсм³

Рецептуры смеси некоторых конструкций ИК излучателей близки к термитным и безгазовым (замедлительным) составам. Плохая воспламеняемость подобных составов предполагает применение после электрозапала или пламенного запала, также воспламенительных и, в некоторых случаях, переходных составов, рассматриваемых в соответствующих главах. Другие рецептуры близки к осветительным составам, рассмотренным в соответствующих главах. В пламени ИК излучателей необходимо присутствие излучающих частиц по свойствам максимально приближающимся к излучению абсолютно черного тела. Наиболее приближены к указанному условию частицы углерода. Поэтому, во многие виды составов ИК излучателей вводятся соединения углерода, например, в виде связок, дополнительного горючего, которые при горении состава образуют облако излучающих частиц, увеличивающих К.П.Д. излучателей.

Пример рецептуры пламенных ИК излучателей:

Химические грелки

Для индивидуального обогрева в условиях холода применяются так называемые химические грелки действие, которых основано на протекании медленных химических экзотермических реакций.

Устройство многих типов химических грелок и виды протекающих в них реакций не полностью подходят под определение «пиротехника», являющееся темой данной книги, однако и действие классических пиротехнических составов, например, дымовых не всегда сопровождается появлением видимого пламени, однако во всех случаях, прохождение пиротехнических реакций сопровождается выделением тепла. Вообще можно считать, что все химические реакции сопровождающиеся выделением или тепла, или света, или того и другого вместе являются реакциями пиротехники в большей или меньшей степени, при условии практического использования таких реакций в конкретных устройствах, служащих для получения специальных эффектов и не являющихся устройствами промышленного назначения.

Реакции получения тепла в пиротехнических устройствах применялись для обогрева, а также и разогрева пищи в условиях холода, например безгазовые составы близкие к термитным применялись для подогрева консервов, супа и прочего во фронтовых условиях. Приведем пример рецептуры английского состава:

В химических грелках для индивидуального обогрева необходимо использовать экзотермические реакции, протекающие достаточно долго. В первых устройствах применялось тление древесного угля в специальном металлическом корпусе с отверстием для подвода воздуха и отводом образующихся газообразных продуктов реакции. Затем стали применять реакцию каталитического окисления этилового спирта кислородом воздуха на платиновом катализаторе. Устройство таких грелок состояло из металлического корпуса с резервуаром заполненным каким либо пористым поглотителем этилового спирта (для предотвращения его вытекания) и платиновой спирали или платинированной керамики, расположенной над резервуаром. При подогреве катализатора пламенем спички на его поверхности начинала проходить каталитическая реакция окисления паров спирта кислородом воздуха и соответственное выделение тепла. Однако катализатор сравнительно быстро «отравляется» содержащимися в горючем и воздухе каталитическими ядами (например, соединением серы), вследствие чего грелка выходила из строя. Затем были опробованы грелки на основе реакции окиси кальция и воды, впоследствии в реакционную смесь стали вводить щавелевую или лимонную кислоту (кристаллогидраты), что позволило увеличить выход тепла. Такие грелки позволяют получить температуру от 100 до 300^°С. Для их запуска в реакционную смесь окиси кальция и кристаллогидрата щавелевой кислоты вводят небольшое количество воды, в процессе реакции с окисью кальция будет реагировать вода, выделяющаяся при нейтрализации.

CaO + H₂O = Ca(OH)₂ + 10,6ккал

Ca(OH)₂ + H₂C₂O₄•2H₂O = CaC₂O₄ + 4H₂O + 31ккал

Более эффектным составом химических грелок оказалась смесь железных опилок, перманганата калия, угля и песка. Уголь и песок служат наполнителями-замедлителями реакции. Тепло выделяется в результате добавления к указанной смеси воды.

Результирующей реакцией при добавлении воды к смеси будет: