Газообразующий пиротехнический состав

Изобретение относится к области пиротехники и может быть использовано в источниках газа, работающих в импульсном режиме. Предложенный газообразующий пиротехнический состав содержит порошок гидрида алюминия (25-70 мас.%) и порошок перхлората калия (30-75 мас.%). Состав имеет удельное газовыделение 400-832 см³/г, способен создавать импульс давления 3,0·10⁶-13,5·10⁶ кгс/см²·с^-1, при этом температура воспламенения состава не более 200°С. 1 табл.

 

Изобретение относится к области пиротехники и может быть использовано в источниках газа, работающих в импульсном режиме, для получения смеси газов (в основном, водорода) высокой температуры и давления.

Газообразующие составы широко применяются в различных технических средствах, использующих энергию газов для:

- создания определенного давления;

- перемещения исполнительных механизмов;

- наддува топливных емкостей;

- заполнения подушек безопасности и т.д.

В ряде случаев для обеспечения работоспособности технических средств, например пирорезаков, необходимо создание мощного импульса давления. Как правило, подобные импульсы характеризуются скоростью нарастания давления и имеют величину порядка 10⁶ кгс/см²·с^-1, что фактически характеризует процесс взрывного превращения состава.

Пиротехнический состав, предназначенный для создания такого импульса давления, должен иметь следующие характеристики:

- высокое удельное газовыделение;

- способность к быстрому (взрывному) превращению, в том числе и в прессованном виде;

- работоспособность в интервале температур от минус 50°С до плюс 50°С при минимальных количествах вещества, ограниченных габаритами конструкции;

- высокую чувствительность к начальному тепловому импульсу (низкую температуру воспламенения), поскольку инициирование данных составов зачастую осуществляется медленногорящими замедлительными составами с низкой температурой горения;

- низкую гигроскопичность и способность сохранять свои свойства в течение требуемого промежутка времени (гарантийного срока изделия).

В литературе имеются данные о различных веществах (пороха, ПТС), способных создавать импульс давления [Вспомогательные системы ракетно-космической техники, перевод под ред. И.В.Тишунина, М., "МИР", 1970, с.117]. Тем не менее известные вещества не отвечают всем указанным выше требованиям.

Так, используемый черный (дымный) порох имеет импульс давления всего 0,021·10⁶ кгс/см²·с^-1, что ограничивает его применение. Более высокий импульс давления имеет бездымный порох (0,196·10⁶ кгс/см²·с^-1), но и этот материал не достаточно эффективен, особенно в прессованном виде и при отрицательных температурах (вследствие наличия паров воды в продуктах сгорания).

Еще большей эффективностью по импульсу давления обладает так называемая смесь 50/25/25 фирмы "Дюпон", которая, по-видимому, является пиротехническим составом. В данном случае импульс давления составляет 1,33·10⁶ кгс/см²·с^-1. Сведения о рецептуре данной смеси отсутствуют.

Там же имеются сведения о составе на основе перхлората аммония и циркония (процентное содержание не приводится). При испытаниях прессованных образцов из этого состава был зафиксирован импульс давления 4,2·10⁶ кгс/см²·с^-1. Недостатками данного состава являются высокая гигроскопичность и токсичность перхлората аммония.

Наиболее перспективным, по мнению авторов предлагаемого изобретения, является использование газообразующего пиротехнического состава на основе гидрида алюминия.

Данный материал широко используется в качестве высокоэнергетической добавки в твердых ракетных топливах (ТРТ). Например, известен следующий состав ТРТ, мас.% [патент США №3755019, кл. C06D 5/06, Том 913, №4, 28 августа 1973]:

Гидрид алюминия	5÷25
Окислитель, выбираемый из группы, в которую входят
перхлорат аммония, перхлорат натрия, перхлорат калия,	30÷70
аммиачная селитра, калиевая селитра, натриевая селитра
Пластифицированная нитроцеллюлоза	15÷70

В данном случае имеет место сгорание гидрида алюминия до Al₂О₃ и Н₂О, при этом скорость горения составляет несколько мм/с (десятков мм/с).

Наиболее близким по технической сущности является пиротехнический состав с использованием гидрида алюминия и оксида железа [Патент США №3948700, кл. С06В 23/00, С06В 27/00, 6 апреля 1976]. В данном случае авторы изобретения предлагают состав для получения водорода высокой температуры, при этом патентуется реакция типа:

Fe₂O₃+2AlH₃→2Fe+Al₂О₃+3Н₂.

Данный состав содержит 27,3% мас. AlH₃ и 72,7% мас. Fe₂О₃. Температура реакции 3000°С, удельное газовыделение водорода 300 см³/г (при нормальных условиях: 0°С, 760 мм рт.ст.).

Для использования в качестве газообразующего пиротехнического состава, способного создавать мощный импульс давления, данный состав не подходит, т.к. имеет невысокую скорость горения и не способен к быстрому (взрывному) превращению. Входящий в состав окислитель Fe₂О₃ имеет температуру разложения 1565°С, поэтому данный состав имеет достаточно высокую температуру воспламенения (не менее 500°С).

Задачей предлагаемого технического решения является значительное повышение газовыделения состава и придание ему способности к быстрому (взрывному) превращению в прессованном виде.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, следующий:

- удельное газовыделение не менее 400 см³/г;

- способность создавать импульс давления не менее 3·10⁶ кгс/см²·с^-1 в прессованном виде;

- работоспособность в составе конструкции в интервале температур от минус 50°С до плюс 50°С при минимальных количествах вещества (мг);

- температура воспламенения не более 200°С;

- низкая гигроскопичность (менее 0,1%) и высокая химическая стойкость в течение длительного срока хранения (не менее 20 лет в составе изделия).

Поставленная задача и технический результат достигаются за счет того, что известный газообразующий пиротехнический состав, содержащий в качестве горючего гидрид алюминия и окислитель, согласно изобретению в качестве окислителя содержит перхлорат калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Гидрид алюминия	25÷70
Перхлорат калия	30÷75

Замена используемого в прототипе окислителя Fe₂О₃ (температура разложения 1565°С) на перхлорат калия (температура разложения 580°С), содержащий в себе гораздо больший процент кислорода, позволила повысить в составе процентное содержание гидрида алюминия, что в совокупности привело к значительному повышению удельной калорийности состава, объему выделяемого водорода и обеспечению способности состава к взрывному превращению даже в прессованном виде.

Следует отметить, что при горении состава развивается весьма высокая температура (не менее 3000°С), в результате чего конденсированные продукты горения (Н₂О, KCl) переходят в парообразное состояние. Это значительно повышает общий объем газообразных продуктов реакции при горении состава и способствует повышению импульса давления.

Экспериментально подобранное соотношение компонентов позволяет достигнуть вышеуказанный технический результат. Экспериментальные и расчетные данные приведены в таблице. Удельное газовыделение продуктов горения состава приведено для нормальных условий (0°С, 760 мм рт.ст.).

№	Содержание компонентов, % мас.	Удельное газовыделение, см3/г (расчет)	Удельная калорийность, ккал/г (кДж/г) (расчет)	Импульс давления, кгс/см2·с-1 (эксперим.)
KClO4	AlH3	Н2	KCl	Н2O	Суммарное
1	75	25	75	121	204	400	2,28 (9,55)	8,0·106
2	70	30	219	113	116	449	2,34 (9,80)	10,2·106
3	63	37	414	102	-	516	2,45 (10,26)	13,5·106
4	55	45	504	89	-	593	2,09 (8,75)	13,0·106
5	50	50	560	81	-	641	1,89 (7,91)	12,0·106
6	40	60	672	64	-	736	1,55 (6,49)	8,2·106
7	30	70	784	48	-	832	1,16 (4,85)	3,0·106

Горение состава с содержанием гидрида алюминия 37% протекает согласно следующему уравнению:

3KClO₄+8AlH₃=3KCl+4Al₂O₃+12Н₂↑.

При горении составов с содержанием гидрида алюминия менее 37% мас., продуктами горения могут быть Н₂, Н₂О, KCl и Al₂О₃.

При горении составов с содержанием гидрида алюминия более 37% мас., продуктами горения могут быть Н₂, KCl, Al и Al₂О₃.

Для экспериментальной отработки заявляемый состав изготавливался смешением порошков:

- гидрид алюминия <10 мкм;

- перхлорат калия <40 мкм.

Для определения характеристик горения использовались образцы со степенью уплотнения 0,8÷0,85.

Импульс давления определялся сжиганием образцов в герметичной сборке, при этом определялось максимальное давление и время, за которое оно достигалось.

Температура воспламенения состава определялась по методу ДТА.

Из данных, приведенных в таблице, следует, что удельное газовыделение заявляемого состава достигает 400÷832 см³/г, удельная калорийность составляет 1,16÷2,45 ккал/г.

Наибольшим импульсом давления обладают составы с содержанием гидрида алюминия 37÷50% мас. Составы с большим содержанием AlH₃ имеют большее удельное газовыделение, но и меньшую удельную калорийность, что приводит к снижению импульса давления.

Температура воспламенения заявляемого состава находится в пределах 180÷190°С.

Многократно проведенные эксперименты подтвердили работоспособность и высокую надежность работы заявляемого состава во всем диапазоне температур от минус 50°С до плюс 50°С при минимальной массе состава, составляющей несколько мг.

Данный состав отличается низкой гигроскопичностью (менее 0,1%) и высокой химической стойкостью на протяжении гарантийного срока хранения изделия (не менее 20 лет).

Газообразующий пиротехнический состав, содержащий в качестве горючего порошок гидрида алюминия и окислитель, отличающийся тем, что в качестве окислителя он содержит порошок перхлората калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

порошок гидрида алюминия	25÷70
порошок перхлората калия	30÷75