Прогнозирование изменения физико-химических свойств порохового заряда

 

УДК 623.52

В.Ф. Вертелецкий, н.с.

 

 

 

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ           ПОРОХОВОГО ЗАРЯДА И НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ 30 МИЛЛИМЕТРОВЫХ     АРТИЛЛЕРИЙСКИХ БОЕПРИПАСОВ МОРСКОЙ НОМЕНКЛАТУРЫ

 

 

Рассматривается вариант решения задачи определения изменения свойств пороховых       зарядов артиллерийских боеприпасов малого калибра на послегарантийных этапах эксплуатации на основе теоретических результатов и экспериментальных данных об изменении массы выстрелов патронного заряжания и начальной скорости снарядов

 

Табл.2, рис.5, бібл.13

 

На арсеналах, базах и складах вооружения Военно-Морских Сил Вооруженных Сил Украины хранятся артиллерийские боеприпасы, изготовленные в 70-80-х годах прошлого столетия, и доставшиеся Украине при разделе Черноморского флота СССР. Величина этого боезапаса значительно больше потребности флота. Однако, анализируя результаты                      физико-химических испытаний боеприпасов морской номенклатуры за последние годы, и, учитывая требования, указанные в [1], можно сделать вывод, что на протяжении                 2015-2016 годов в мирное время выдача выстрелов на корабли для проведения стрельб станет невозможна. А в случае необходимости ведения боевых действий, стрельба имеющимися артиллерийскими боеприпасами будет сопряжена с большим количеством недолетов, недостаточной кучностью и другими проявлениями ненормального действия боеприпасов.

Такая ситуация сложилась в основном из-за того, что в основе метательных зарядов выстрелов ствольных систем артиллерийского вооружения кораблей лежат пироксилиновые пороха, физические, химические, а следовательно и баллистические свойства которых изменяются со временем. При длительном хранении пороха начинают  терять характеристики, обеспечивающие оружию необходимые боевые качества. Ранее, путем проведения плановой ротации избегали влияния этого ухудшения. При этом сроки хранения не должны превышать 15-17 лет. На современном этапе большей частью эксплуатируются боеприпасы, которые были произведены 25 и более лет назад. Закупка новых образцов не проводится, поэтому проявления отрицательного влияния геронтологических изменений порохов на артиллерийские боеприпасы неизбежны.

Вывод о возможности использования боеприпасов для боевых стрельб делается на основании физико-химического исследования порохов и внешнего осмотра артиллерийских выстрелов. Физико-химические исследования порохов, которые проводятся в настоящее время в пиротехнической лаборатории воинской части                 А2192 (г. Макаров), имеют ряд существенных недостатков, а именно:

- применение индикаторов, которое ставит результат анализа в зависимость от качества лакмусовой бумаги;

- зависимость оценки показаний от наблюдателя, от его остроты зрения, особенности различать переходные цвета;

- недостаточный перечень проверяемых параметров (проводиться проверка только стойкости порохов в данный момент, не учитывается изменение физико-химических  свойств в дальнейшем и последствия этих изменений, в том числе и на боевое применение);

- несовершенная система отбора выстрелов на исследования, которая не дает возможности в полной мере учитывать разные условия хранения боеприпасов одной партии; например: если одна часть боеприпасов хранилась в погребах кораблей при повышенной температуре, а другая часть хранилась только в подземных хранилищах при нормальной постоянной температуре.

В условиях вынужденной эксплуатации послегарантийных артиллерийских боеприпасов необходимо организовывать мониторинг их состояния (прогнозировать изменение основных баллистических характеристик, уменьшать с помощью организационно-технических мер вероятность проявления ненормального действия, выявлять опасные в обращении боеприпасы, проводить своевременно утилизацию и т.д.)[2,3].

Таким образом, прогнозирование изменений в свойствах порохов метательных зарядов боеприпасов в зависимости от сроков их хранения представляется важной                             научно-прикладной задачей.

Анализ литературы [2-7] показывает, что в последнее время появилось значительное количество публикаций как отечественных, так и зарубежных исследователей, посвященных проблеме усовершенствования методов определения предельного срока службы (хранения) боеприпасов и вытекающей из нее задачи разработки научно-обоснованной модели эксплуатации боеприпасов длительных сроков хранения. Однако теоретических и экспериментальных методов применительно к унитарным боеприпасам малого калибра представлено не было. Также остаются неопределенными  параметры и критерии, значения которых могут быть получены в условиях штатной эксплуатации непосредственно в местах хранения, и дадут возможность достоверно оценить баллистические свойства порохового заряда.

 В анализируемых литературных источниках не уделяется внимания созданию методики расчета так называемых «пороховых поправок», которые обязательно возникают при боевом использовании выстрелов с пороховыми зарядами, у которых начали проявляться геронтологические изменения.

Из многочисленных проявлений, которые влекут за собой процессы физического и химического разложения порохов (самовозгорание, разрыв элементов ствольной системы из-за превышения максимального давления пороховых газов над расчетным критическим давлением и т.д.), выделяется явление снижения начальной скорости снаряда. Это основной показатель, по которому судят о степени изменения баллистических свойств метательных зарядов. Изменение начальной скорости снаряда с течением времени хранения приводит к изменениям условий стрельбы. Изменения в условиях стрельбы необходимо учитывать при подготовке исходных данных для стрельбы.

В настоящее время на кораблях такой учет осуществляется во время проведения баллистической подготовки, которая включает в себя [8]:

- определение отклонения начальной скорости снаряда вследствие износа канала ствола;

- определение поправки на изменение начальной скорости снаряда из-за отклонения температуры заряда;

- определение пороховой поправки, учитывающей изменение начальной скорости снаряда в зависимости от баллистических характеристик данной партии заряда;

- расчет суммарной поправки V0 на отклонение начальной скорости снаряда от табличной и учет ее.

Суммарная поправка на отклонение начальной скорости определяется как:

                   V0 = V0 изн + V0 T3 + V0 пп    (1)

Третье слагаемое — пороховая поправка — указана маркировкой на  выстреле или берется из документов на полученный на корабль боеприпас. Если пороховая поправка на выстреле и в документах не указана, то она принимается равной нулю.

В зависимости от типа прицельного устройства, рассчитаное суммарное отклонение начальной скорости вводится в прибор непосредственно или через поправку дня.

Как видно, при баллистической подготовке не учитывается влияние на начальную скорость снаряда, которое может оказать метательный заряд с геронтологическими изменениями порохов.

Такой подход оправдан в случае применения для стрельбы боеприпасов, срок эксплуатации которых не превышает 10 лет. Для артиллерийских выстрелов со сроком эксплуатации более 25 лет пренебрежение этим фактором приводит к погрешностям при стрельбе.

Задача определения баллистических характеристик метательных зарядов и изменения свойств порохов может быть решена на основе комплексного применения теоретических, экспериментальных методов и решения задач внутренней баллистики.

Внутренняя баллистика связывает химический процесс горения пороха, механический процесс поступательного движения снаряда и термодинамический процесс расширения пороховых газов. Теория поправок позволяет рассчитать изменения начальной скорости снаряда при изменении условий заряжания. Такая задача является отдельным случаем основной задачи внутренней баллистики, но в настоящее время выдвигается как особенная, имея в виду, что необходимо учитывать изменения свойств порохов при длительном хранении.

Целью статьи является  разработка универсальной модели эксплуатации унитарных боеприпасов малого калибра и методики прогнозирования начальной скорости снаряда в зависимости от сроков эксплуатации.

Известно, что все пироксилиновые пороха по природе компонентов являются системами химически относительно неустойчивыми, поэтому в процессе эксплуатации претерпевают физические и химические превращения. Одной из важнейших проблем в комплексной оценке свойств порохов является прогнозирование таких изменений на относительно длительных отрезках времени и установление на этой основе сроков их эксплуатационной пригодности.

Существующие способы определения химической стойкости порохов основаны та том, что в определенных условиях разложение пироксилинового пороха может протекать  быстро. Нагревание ускоряет процесс разложения, который происходит в действительности при реальном хранении (нагревание на каждые 50С ускоряет процесс в 1,5 - 2 раза).

Из всех способов выделяется так называемая «проба взвешиванием», которая дает возможность следить за ходом процесса разложения пороха по потере веса последнего с течением времени. Это уменьшение веса выражают в процентах от первоначального количества и строят кривую зависимости потери в весе от времени нагревания [9]. Нагревание прекращают после резкого загиба кривой, характеризующей начало прогрессивного разложения. Таким образом, «проба взвешиванием» показывает ход разложения не только в начальной стадии, но и в фазе более глубокого разложения

На основании работ, посвященных изучению термостойкости, разработана теория химической стойкости [10], в которой химическая стойкость определяется двумя основными процессами:

- процессом первичного распада, скорость которого подчиняется закону мономолекулярной реакции и зависит только от температуры и химической природы вещества;

- процессом самоускоряющегося распада, протекающего по автокаталитическому механизму.

Ускорение процесса вызывается продуктами распада порохов. Скорость этого процесса зависит не только от химической природы и температуры, но и от примесей и внешних условий. К числу внешних условий относится накопление газообразных продуктов распада, если пороха находятся в герметизированном сосуде. В этом случае скорость распада может намного превосходит скорость первичного распада.

Основные свойства пороха и их изменение в процессе эксплуатации определяет физико-химическая природа его основного компонента – нитроклетчатки. По мере хода распада происходит уменьшение в весе этого вещества. В [10, С.31-34] описывается процесс разложения нитроклетчатки и приводятся кривые изменения скоростей распада этого вещества при различных температурах.

На основании графического представления зависимостей, показанных в [9,10] можно сделать вывод, что общий вид кривой потери массы порохового заряда от времени хранения будет иметь вид, представленный на рис.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Анализ  графической зависимости представленных рис.1 показывает важность определения  двух точек перегиба ( ; ), соответствующих началу и окончанию самоускоряющегося распада пороха. Представляется важным также и определение точки на графике, которая соответствует моменту, когда потеря массы заряда приведет к потере начальной скорости снаряда меньше допустимой, исходя из условия возможности ее компенсации ( ).

Также в [10] приводятся величины периодов полураспада для различных типов взрывчатых веществ. Данные показывают, что время распада пироксилиновых порохов и бризантных взрывчатых веществ отличаются в тысячи раз. Бризантные взрывчатые вещества, которые используются в артиллерийских боеприпасах морской номенклатуры, считаются химически стойкими. Поэтому можно сделать вывод, что при хранении выстрела у него уменьшается масса, прежде всего, за счет уменьшения массы пороха метательного заряда.

Решить задачу нахождения аналитической зависимости между потерей массы порохового заряда и временем хранения можно используя методы аналитической химии. Но это выходит за рамки статьи, хотя сопоставление данных, полученных таким путем, с данными, которые будут описаны ниже, дадут возможность оценить достоверность полученных результатов и уточнить прогноз. В дальнейшем, по мере развития исследования, представляется возможным нахождение указанной зависимости на основе модели молекулярной диффузии в пороховом зерне.

Для нахождения функции уменьшения массы пороха от времени хранения предлагается следующий подход:

1. Провести эксперимент по взвешиванию расчетного количества выстрелов. Причем выстрелы должны быть изготовлены в различное время, то есть время их хранения должно изменяться от максимального до минимального. Подробное описание методики эксперимента не входит в задачу статьи.

2. После обработки результатов эксперимента, определить средние значения величин для соответствующего времени хранения (табл. 1).

 

 Таблица 1 – Результаты взвешивания артиллерийских выстрелов

 

3. Интерполировать данные табл. 1. Для чего использовать один из методов численного анализа, например: способ наименьших квадратов, и знание общего вида графика функции изменения массы заряда от времени хранения на качественном уровне (рис.1). Общий вид аппроксимирующего полинома представлен зависимостью:

       (2)

4. Построить  график изменения массы от времени хранения (рис. 2).

где, х – экспериментальные данные об изменении массы  выстрелов.

 

Рисунок 2 – Уменьшение массы порохового заряда при хранении

 

Полученная эмпирическая зависимость и ее график будут иметь отклонения от реальной зависимости, но по ним можно сделать прогноз о том, как будут изменяться                             физико-химические свойства пороховых зарядов при длительном хранении.