Способ утилизации боеприпасов и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к области утилизации вооружений и предназначено для извлечения взрывчатых материалов из корпусов боеприпасов, а также твердотопливных реактивных двигателей, кумулятивных перфораторов, скважинных торпед и др. Изобретение направлено на расширение эксплуатационных возможностей способа утилизации боеприпасов, повышение производительности и снижение стоимости работ. Сущность изобретения: при утилизации боеприпасов, снаряженных зарядом твердого взрывчатого вещества воздействием ударной волны, образующейся при взрыве, окружающей боеприпас и находящейся при заданном начальном давлении горючей газовой смеси, и извлекают раздробленную массу. При этом начальное давление горючей газовой смеси определяют по зависимости параметров ее детонации от параметров начального состояния по известной методике. Кроме того, воздействие осуществляют неоднократно. Устройство для реализации этого способа содержит взрывную камеру, герметично сочлененную с опорной плитой, сообщающейся с приемной секцией через сковозное отверстие и оснащенной трубопроводной арматурой, элементом инициирования детонации смеси и газовым вентилем стравления продуктов взрыва, а узел крепления боеприпаса с опорной плитой. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил. ^

Изобретение относится к области утилизации вооружений и предназначено для извлечения взрывчатых материалов из корпусов боеприпасов: артснарядов, мин, авиабомб и т.п. с целью их переработки и использования в народном хозяйстве. Изобретение может быть применено также для расснаряжения твердотопливных реактивных двигателей, кумулятивных перфораторов, скважинных торпед и других подобных взрывных устройств, работающих на твердых взрывчатых веществах.

В настоящее время известны различные технические решения, предназначенные для утилизации боеприпасов.

Так, известен способ расснаряжения, основанный на выплавке заряда взрывчатого вещества за счет индукционного нагрева корпуса боеприпаса [1].

В [2] описан способ выплавки заряда путем воздействия на него нагретыми водными солевыми растворами.

В соответствии со способом [3] извлечение производят растворением заряда при воздействии тротилрастворяющей жидкостью.

Однако все эти способы предназначены для утилизации боеприпасов, снаряженных лишь литьевыми взрывчатыми составами, основным компонентом которых является тротил, в то время как в боеприпасах используются и неплавкие взрывчатые вещества, для извлечения которых данные методы неприменимы.

Расснаряжение боеприпасов, содержащих как плавкие, так и неплавкие взрывчатые вещества обеспечивают способ и устройство, основанные на разделении корпуса боеприпаса высоконапорной струей жидкости при одновременном или последующем воздействии на взрывчатое вещество струей жидкости уменьшенного давления [4]. При этом производят дробление взрывчатого вещества и его вымывание из каморы боеприпаса с последующим улавливанием.

Данное техническое решение является достаточно универсальным, но для своей реализации требует использования уникального и чрезвычайно дорогостоящего оборудования, основанного на применении жидкостных насосов высокого давления и высоконапорной гидроструйной оснастки. К тому же, такое оборудование недолговечно и практически неприемлемо для массовой утилизации боеприпасов.

Более доступным в реализации и обеспечивающим извлечение как плавких, так и неплавких взрывчатых материалов является техническое решение, описанное в [5] и принятое в качестве прототипа. Утилизация по данному техническому решению состоит во вскрытии каморы боеприпаса, дроблении взрывчатого вещества воздействием режущим инструментом и извлечении раздробленного материала подачей в камору сжатого воздуха. В процессе дробления осуществляют регулирование давления режущего инструмента путем его поджатия в осевом и радиальном направлениях. Наиболее близким для реализации способа и выбранным в качестве прототипа является устройство по патенту Российской Федерации под названием "Установка для расснаряжения боеприпасов" [5]. Устройство включает опорную плиту со сквозным отверстием, узел крепления боеприпаса, кинематический узел привода режущего инструмента, блок отсасывания раздробленной массы и приемную секцию.

Однако хотя данный способ утилизации и не сопряжен с использованием дефицитного и дорогостоящего оборудования и труднодоступных материалов, он имеет серьезные недостатки, выражающиеся в ограниченности эксплуатационных возможностей. Для осуществления способа требуется довольно громоздкое устройство со сложными кинематическими связями, требующее постоянного проведения наладочных, профилактических и ремонтных работ. Способ применим практически лишь в стационарных (цеховых) условиях, характеризуется сравнительно низкой производительностью и высокой стоимостью работ.

Таким образом, заявляемое изобретение направлено на решение задачи по расширению эксплуатационных возможностей способа утилизации боеприпасов, повышении производительности и снижении стоимости работ. Технический результат при этом выражается в том, что воздействие на боеприпас осуществляется по всей его наружной поверхности, в результате чего внутри заряда взрывчатого вещества возникает интерференция движущихся в разных направлениях ударных волн и волн разрежения, что повышает эффективность дробления заряда.

Это достигается за счет того, что в способе утилизации боеприпасов, снаряженных зарядом твердого взрывчатого вещества, включающем вскрытие каморы боеприпаса, дробление заряда взрывчатого вещества и извлечение раздробленной массы, согласно изобретению, дробление осуществляют воздействием ударной волны, образующейся при взрыве окружающей боеприпас и находящейся при заданном начальном давлении горючей газовой смеси. При этом предварительно определяют прочность взрывчатого вещества заряда, по ее величине находят необходимое для дробления давление в воздействующей ударной волне, а начальное давление горючей газовой смеси определяют по зависимости параметров ее детонации от параметров начального состояния, используя для этого соотношение P = P_o+{1-(C²_o/D²)}·ρ_oD²/(k+1), где P - давление в ударной волне, P₀ - начальное давление газовой смеси, C₀ - скорость звука в газовой смеси в начальном состоянии, D - скорость детонации смеси, ρ_o - начальная плотность газовой смеси, k - отношение теплоемкости газовой смеси при постоянном давлении к теплоемкости газовой смеси при постоянном объеме.

Воздействие осуществляют неоднократно, горючую газовую смесь получают на месте ее применения смешиванием во взрывоспособном соотношении горючего газа и газа-окислителя, а также получают ее при стехиометрическом соотношении горючего газа и газа-окислителя.

Для реализации способа устройство для утилизации боеприпасов, снаряженных зарядом твердого взрывчатого вещества, содержащее опорную плиту со сквозным отверстием, узел крепления боеприпаса и приемную секцию для взрывчатого вещества, согласно изобретению, снабжено взрывной камерой, герметично сочлененной с опорной плитой, сообщающейся с приемной секцией через сквозное отверстие и оснащенной трубопроводной арматурой подачи внутрь компонентов горючей газовой смеси, элементом инициирования детонации смеси и газовым вентилем стравливания продуктов взрыва, а узел крепления боеприпаса снабжен элементом герметизации соединения боеприпаса с опорной плитой.

Именно снабжение устройства взрывной камерой, герметично сочлененной с опорной плитой и имеющей трубопроводную арматуру подачи внутрь компонентов горючей газовой смеси и элемент инициирования детонации смеси, и снабжение узла крепления боеприпаса элементом герметизации соединения боеприпаса с опорной плитой обеспечивают возможность образования вокруг утилизируемого боеприпаса заряда газообразного взрывчатого вещества в виде горючей газовой смеси требуемого состава под требуемым начальным давлением и последующее воздействие на боеприпас ударной волной, образующейся при взрыве этой смеси. При этом осуществляется ударно-волновое воздействие на боеприпас по всей его наружной поверхности и реализуется интерференция ударных волн и волн разрежения внутри заряда взрывчатого вещества, повышающая эффективность дробления. Кроме того, снабжение взрывной камеры газовым вентилем стравливания продуктов взрыва дает возможность производить воздействие неоднократно без отсоединения взрывной камеры от опорной плиты. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые способ и устройство связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сопоставительный анализ заявляемых изобретений и прототипа позволил выявить новую совокупность существенных признаков, обусловленных изменением как приемов способа утилизации боеприпасов, так и конструкции используемого для реализации способа устройства. Таким образом, заявляемые объекты отвечают критерию "Новизна".

Сущность решения иллюстрируют приведенные рисунки.

На фиг. 1 дано устройство для реализации способа с установленным в нем боеприпасом.

На фиг. 2 - заполнение взрывной камеры устройства компонентами горючей газовой смеси.

На фиг. 3 - инициирование детонации смеси во взрывной камере.

На фиг. 4 - дробление заряда взрывчатого вещества боеприпаса ударной волной и высыпание раздробленной массы в приемную секцию.

На фиг. 5 - график зависимости давления в ударной волне от начального давления для стехиометрической водородо-кислородной смеси (гремучего газа).

Устройство (фиг. 1) для утилизации боеприпасов по заявляемому способу состоит из опорной плиты 1 со сквозным отверстием 2, узла крепления боеприпаса 3, включающего упорное кольцо 4, элемент герметизации 5 и элемент прижима 6, взрывной камеры 7, сочлененной через уплотнительную прокладку 8 герметично с опорной плитой 1 и оснащенной трубопроводной арматурой подачи компонентов горючей газовой смеси, включающей газовый вентиль 9 подачи горючего газа, газовый вентиль 10 подачи газа-окислителя и контрольный газовый манометр 11, элементом инициирования детонации 12 и газовым вентилем 13 стравливания продуктов взрыва, и приемной секции 14 с извлекаемой емкостью 15.

Взрывная камера 7 изготавливается, как правило, из металла и может иметь цилиндрическую, сферическую, коробчатую или другую подходящую форму требуемого объема. К опорной плите 1 камера крепится с помощью болтов, гидроприжимов или кривошипных замыкающих элементов (на рисунке не показаны).

Элемент герметизации 5 узла крепления боеприпаса наряду с прокладкой 8 в опорной плите 1 служит для обеспечения герметичной изоляции внутреннего объема камеры от окружающей среды, а также для предотвращения попадания горючей газовой смеси внутрь вскрытой зарядной каморы боеприпаса. Материалом элемента 5 может служить обычная или вакуумная резина, вакуумная замазка или высоковязкая консистентная смазка.

В качестве газовых вентилей 9 и 10 подачи компонентов горючей газовой смеси и вентиля 13 стравливания продуктов взрыва могут быть использованы газовые вентили ВК-86. В качестве элемента инициирования детонации 12 - высоковольтная автомобильная свеча зажигания А17ДВ, Ф20Д-1 и др. В качестве контрольного манометра давления 11 - газовый манометр МВШО-20.

Осуществляют способ следующим образом.

Перед началом работ выбирают для использования горючую газовую смесь. Выбирают наиболее подходящие горючий газ и газ-окислитель. В качестве горючего газа могут использоваться относительно недорогостоящие водород (H₂), метан (CH₄), ацетилен (C₂H₂), этилен (C₂H₄), пропилен (C₃H₆), пропан (C₃H₈), бутан (C₄H₁₀) и др. В качестве газа-окислителя - кислород или атмосферный воздух. Основанием для выбора тех или иных газов могут служить требуемая калорийность смеси, нетоксичность, доступность приобретения в необходимом количестве и т.п. Для выбранных газов по справочной литературе, например, [6], определяют процентное содержание горючего газа в смеси, обеспечивающее ее надежное взрывчатое превращение. Концентрационные пределы взрываемости смеси горючих газов с кислородом или воздухом в настоящее время достаточно хорошо известны. В таблице приведены данные по концентрационным пределам взрываемости для наиболее распространенных горючих газов (см. таблицу в конце описания).

Данные свидетельствуют о взрывоспособности смесей в широком диапазоне варьирования их компонентов.

Исследуют подлежащую утилизации партию боеприпасов и определяют прочность на сжатие взрывчатого вещества заряда. Прочность определяют либо по технической документации на данные боеприпасы, либо путем проведения соответствующих прочностных испытаний.

Определяют по прочности взрывчатого вещества необходимое для его дробления давление в ударной волне (берут его равным пределу прочности взрывчатого вещества на сжатие или несколько большим этой величины). Давление в ударной волне зависит от состава смеси, соотношения ее компонентов, начального давления и определяется известным из физики взрыва [6] выражением P = P_o+{1-(C²_o/D²)}·ρ_oD²/(k+1), где: P - давление в ударной волне,
P₀ - начальное давление газовой смеси,
C₀ - скорость звука в газовой смеси в начальном состоянии,
D - скорость детонации смеси,
ρ_o - начальная плотность газовой смеси,
k - отношение теплоемкости газовой смеси при постоянном давлении к теплоемкости газовой смеси при постоянном объеме.

По требуемой для дробления взрывчатого вещества величине давления в ударной волне P в соответствии с вышеприведенным соотношением определяют для выбранной газовой смеси ее начальное давление P₀ (давление перед возбуждением детонации). Значения C₀, D, k при проведении вычислений берут из соответствующей справочной литературы, например, [6] . Для практического удобства зависимость P(P₀) для конкретной газовой смеси может быть построена в табличном или графическом виде, например, как показано на фиг. 5. Определение величины P₀ в производственных условиях при этом значительно упрощается.

Таким образом находят состав и необходимое общее начальное давление горючей газовой смеси.

По процентному содержанию газов в смеси и общему ее начальному давлению определяют парциальное давление каждого из газов в создаваемом ими давлении P₀. (Например, если общее начальное давление смеси P = 5 атм, а ее состав: 66% горючего газа + 34% газа-окислителя, то давление горючего газа в смеси должно составлять 3,3 атм, а газа-окислителя - 1,7 атм.)
(Требуемое начальное давление горючей газовой смеси может быть определено и чисто эмпирическим путем. Для этого предварительно проводят серию экспериментов с варьированием начального давления смеси и определяют величину давления, при которой происходит приемлемое дробление заряда взрывчатого вещества воздействием образующейся при детонации смеси ударной волны).

Боеприпас со вскрытой зарядной каморой устанавливают на опорную плиту 1 в упорное кольцо 4 вертикально, вскрытой стороной вниз (фиг. 1). С помощью элемента прижима 6 фиксируют боеприпас. Устанавливают на опорную плиту 1 взрывную камеру 7 и сочленяют ее с плитой с помощью болтов, гидроприжимов и т.п. (на рисунке не показаны). Элемент 5 и прокладка 8 обеспечивают при этом герметичность изоляции внутреннего объема камеры от окружающей среды.

Через газовый вентиль 9, соединенный посредством дюритового шланга с газовой магистралью или баллоном со сжатым газом, заполняют взрывную камеру горючим газом под требуемым давлением (фиг. 2). Через газовый вентиль 10, соединенный также посредством дюритового шланга с газовой магистралью, баллоном со сжатым газом или воздушным компрессором, заполняют взрывную камеру под требуемым давлением газом-окислителем. Давление газов задают с помощью внешних газовых редукторов и контролируют с помощью газового манометра 11. Суммарное давление газов составляет величину P₀. Последовательность заполнения взрывной камеры газами может быть любой: сперва горючим газом, а затем - газом-окислителем, либо сперва газом-окислителем, а затем - горючим газом.

После заполнения камеры 7 газовыми компонентами и получения горючей газовой смеси требуемого состава под требуемым начальным давлением производят инициирование детонации смеси (фиг. 3). Для этого на элемент инициирования 12 подают импульс высокого напряжения. Внутри камеры 7 происходит высоковольтный электрический разряд, возбуждающий детонацию.

Ударная волна через корпус боеприпаса воздействует на заряд взрывчатого вещества и производит его дробление (фиг. 4). Раздробленная масса через отверстие 2 в опорной плите 1 высыпается в емкость 15 приемной секции 14.

Открывают газовый вентиль 13 и стравливают из взрывной камеры 7 продукты взрыва. Извлекают емкость 15 и удаляют раздробленное взрывчатое вещество. Отсоединяют от опорной плиты 1 взрывную камеру 7 и освобождают из узла крепления пустой корпус боеприпаса.

Если после единичного воздействия не произошло дробления заряда или степень дробления оказалась недостаточной для полного высыпания раздробленной массы из каморы снаряда, то воздействие может быть оказано повторно или даже несколько раз. Для этого не требуется отсоединять взрывную камеру от опорной плиты, а лишь необходимо после предыдущего подрыва стравить продукты детонации, заполнить камеру свежей горючей газовой смесью и снова произвести подрыв.

Здесь описана работа устройства на примере утилизации единичного боеприпаса. В реальном устройстве за один подрыв может производиться извлечение взрывчатого вещества одновременно из нескольких взаимно идентичных боеприпасов. Суть заявляемого решения при этом не меняется, последовательность операций сохраняется такой же.

Путем варьирования P₀ (за счет простого повышения или понижения начального давления компонентов газовой смеси во взрывной камере 7) могут реализовываться давления в ударной волне до десятков и сотен атмосфер и создаваться тем самым необходимые условия для эффективного дробления сравнительно низкопрочного материала, каким является химическое взрывчатое вещество.

Кроме того, воздействие на боеприпас осуществляется по всей его наружной поверхности. В результате, внутри заряда взрывчатого вещества возникает интерференция движущихся в разных направлениях ударных волн и волн разрежения. Эффективность дробления при этом дополнительно возрастает.

Данный способ утилизации является к тому же относительно безопасным с точки зрения взрыва боеприпаса. Для дробления ВВ достаточно давления лишь в десятки атмосфер, тогда как для возбуждения детонации требуется давление в воздействующей ударной волне в десятки тысяч атмосфер, т.е. на три порядка большей величины.

Заявляемые технические решения позволяют упростить процесс извлечения взрывчатого вещества из боеприпаса, повысить автономность способа и широко использовать его в нестационарных, в том числе и полигонных условиях.

Пример конкретного осуществления способа
Использовали в качестве утилизируемого боеприпаса артиллерийский снаряд калибра 152 мм, снаряженный разрывным зарядом из аммотола 80/20.

По технической документации определили, что аммотол 80/20 имеет предел прочности на сжатие σ_в= 56 кгс/см².
После извлечения взрывателя вскрыли зарядную камору снаряда, удалив привинтную головку.

Выбрали в качестве горючей газовой смеси стехиометрическую водородо-кислородную смесь (2H₂ + O₂ - гремучий газ). Процентный состав смеси: 66% водорода + 34% кислорода.

Определили по прочности взрывчатого вещества заряда необходимое для дробления давление в воздействующей ударной волне. Взяли его равным P = 70 атм, т.е. несколько большим предела прочности σ_в= 56 кгс/см².
По аналитической зависимости параметров детонации газовых смесей от параметров начального состояния [6] построили для гремучего газа график зависимости давления в детонационной волне от начального давления - P(P₀), приведенной на фиг. 5.

По величине требуемого давления в ударной волне P = 70 атм с использованием построенного графика (фиг. 5) определили необходимое начальное давление смеси P₀ (показано на графике стрелками). Получили P₀ ≈ 5 атм.

Установили снаряд на опорную плиту герметично в узел крепления вертикально, вскрытой частью вниз.

Установили на опорную плиту цилиндрическую взрывную камеру с внутренним объемом 0,27 м³ и через резиновую прокладку герметично соединили ее с плитой с помощью 12 болтов М24.

Снабдили камеру двумя газовыми вентилями ВК-86 подачи компонентов горючей газовой смеси, газовым манометром давления МВШО-20, высоковольтной свечой зажигания А17ДВ и вентилем стравливания продуктов взрыва ВК-86.

Один из газовых вентилей с помощью дюритового шланга соединили с баллоном со сжатым кислородом.

Осуществили продувку взрывной камеры кислородом.

Заполнили камеру кислородом до давления 1,7 атм.

Соединили второй газовый вентиль с помощью дюритового шланга с баллоном со сжатым водородом.

Заполнили взрывную камеру водородом до суммарного давления 5 атм (доля водорода в общем давлении - 3,3 атм).

Контроль давления во взрывной камере осуществляли с помощью газового манометра МВШО-20.

Во взрывной камере образовалась стехиометрическая водородо-кислородная смесь состава 2:1 (2H₂ + O₂).

На свечу зажигания А17ДВ, соединенную радиочастотным кабелем РК-75-4-11 с генератором высоковольтных импульсов, подали импульс напряжения 6 кВ.

В полости взрывной камеры произошел высоковольтный разряд. Возбудилась детонация смеси с давлением во фронте волны ~70 атм.

Ударная волна через стенку снаряда воздействовала на заряд взрывчатого вещества и произвела его дробление (фиг.4). Раздробленная масса через отверстие в опорной плите высыпалась из каморы снаряда в извлекаемую емкость приемной секции.

Открыли вентиль стравливания продуктов взрыва и стравили из взрывной камеры газообразные продукты детонации смеси. При взрыве образовались нетоксичные продукты детонации, состоящие в основном из паров воды H₂O, гидроксильной группы OH, атомарных и молекулярных кислорода и водорода: O, H, O₂, H₂.

Извлекли емкость и удалили раздробленное взрывчатое вещество.

При использовании данного способа приготовление взрывчатого вещества (горючей газовой смеси), при взрыве которого образуется воздействующая ударная волна, производится непосредственно на месте его применения. Само приготовление смеси, а также доставка и хранение ее компонентов являются сравнительно безопасными процедурами. Образующаяся при взрыве газовых смесей ударная волна безопасна с точки зрения возбуждения детонации бризантных взрывчатых веществ, какими обычно снаряжены боеприпасы. К тому же сжатые горючие газы, сжатые кислород или воздух, имеют относительно невысокую стоимость их производства и содержания. Все это делает данный способ более экономичным и безопасным и открывает дополнительные возможности для более широкого его использования.

По сравнению с известными техническими решениями аналогичного назначения заявляемый объект не требует проведения опасных подготовительных работ, экологически безвреден, не сопряжен с необходимостью применения громоздкого и дорогостоящего оборудования и может быть использован как в стационарных, так и в полигонных условиях, что делает его более отвечающим условиям высоких технологий.

Литература
1. Патент России N 2045743, кл. F 42 B 33/00, C 06 B 21/00, опубл. 10.10.95 г.

2. Патент России N 2045744, кл. F 42 B 33/00, C 06 B 21/00, опубл. 10.10.95 г.

3. Патент России N 2031896, кл. F 42 B 33/00, C 06 B 21/00, опубл. 27.03.95 г.

4. Патент Германии N 4128703, кл. F 42 B 33/06, B 08 B 3/02, опубл. 04.03.93 г.

5. Патент России N 2046284, кл. F 42 B 33/00, 33/06, C 06 B 21/00, опубл. 20.10.95 г. - прототип.

6. К.П. Станюкович Физика взрыва, изд. 2-е. М.: Наука, 1975.

Формула изобретения

1. Способ утилизации боеприпасов, снаряженных зарядом твердого взрывчатого вещества, включающий вскрытие камеры боеприпаса, дробление заряда взрывчатого вещества и извлечение раздробленной массы, отличающийся тем, что дробление осуществляют воздействием ударной волны, образующейся при взрыве, окружающей боеприпас, и находящейся при заданном начальном давлении горючей газовой смеси.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно определяют прочность взрывчатого вещества заряда, по ее величине находят необходимое для дробления давление в воздействующей ударной волне, а начальное давление горючей газовой смеси определяют по зависимости параметров ее детонации от параметров начального состояния, используя для этого соотношение
P = P_o+{1-(C²_o/D²)}·ρ_oD²/(k+1),
где P - давление в ударной волне;
P_o - начальное давление газовой смеси;
C_o - скорость звука в газовой смеси в начальном состоянии;
D - скорость детонации смеси;
ρ_o - начальная плотность газовой смеси;
k - отношение теплоемкости газовой смеси при постоянном давлении к теплоемкости газовой смеси при постоянном объеме.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что воздействие осуществляют неоднократно.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что горючую газовую смесь получают на месте ее применения смешиванием во взрывоспособном соотношении горючего газа и газа-окислителя.

5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что горючую газовую смесь получают при стехиометрическом соотношении горючего газа и газа-окислителя.

6. Устройство для утилизации боеприпасов, снаряженных зарядом твердого взрывчатого вещества, содержащее опорную плиту со сквозным отверстием, узел крепления боеприпаса и приемную секцию для взрывчатого вещества, отличающееся тем, что оно снабжено взрывной камерой, герметично сочлененной с опорной плитой, сообщающейся с приемной секцией через сквозное отверстие и оснащенной трубопроводной арматурой подачи внутрь компонентов горючей газовой смеси, элементом инициирования детонации смеси и газовым вентилем стравливания продуктов взрыва, а узел крепления боеприпаса снабжен элементом герметизации соединения боеприпаса с опорной плитой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6