ПРОЧИЕ ПИРОТЕХНИЧЕСКИЕ СМЕСИ

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:

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:

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.

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

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

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

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):

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).

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.

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.

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.

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:

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.

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 (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 кВт

сек/стер

см³

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.

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.

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:

Подобная смесь, помещенная в корпус, позволяет поддерживать в течении 10…12 часов температуру 100^°С. Индивидуальная грелка такого типа представляет собой прорезиненный мешочек, заполненный указанным составом с горловиной для заливки воды.

Еще более эффективной смесью химических грелок оказалась смесь алюминиевого порошка и дихлорида меди (СuCl₂), взятых в стехиометрических отношениях. Выделение тепла происходит в результате вытеснения меди из соединения более электроотрицательным металлом алюминием в водном растворе. Грелки, на указанной смеси, состоят из корпуса с содержащейся в нем смесью, к которой из отдельного резервуара постепенно добавляется вода, Поступление воды может регулироваться специальным термореле. Существуют и другие смеси для химических грелок, не рассматриваемые в данной книге.

Химические источники люминесцентного излучения

В настоящее время находят применение химические источники холодного (люминесцентного) света, излучение которого происходит в результате образования П-связей или перераспределений электронов в П-орбиталях в органических веществах.

Рассмотрение теории хемилюминесцентного свечения выходит за рамки книги, однако можно упомянуть о наиболее старой реакции окисления люминола пероксидом водорода приводящей к излучению холодного света. Химический источник холодного света, основанный на этой реакции представляет из себя прозрачный полимерный наружный корпус. в котором размещен раствор пероксида водорода и красной кровяной соли.

Внутри наружного корпуса размещен прозрачный непрочный внутренний корпус, внутри которого размещен щелочной раствор люминола.

При разрушении непрочного внутреннего корпуса, например, в результате перегиба обоих корпусов или удара по наружному корпусу, оба раствора соединяются, в результате чего происходит окисление люминола пероксидом водорода и соответственно излучение холодного света. Длительность действия хемилюминесцентных источников света составляет от нескольких до десятков минут.

В последнее время, кроме проплавления металлов при помощи термитов, применяется проплавление пиротехническими резаками, представляющими собой пиротехнические устройства для резки черных металлов. Принцип действия пиротехнического резака практически не отличается от действия резака для газовой резки металлов. В резаке для газовой резки горючий газ (ацетилен, пропан-бутан, пары керосина), сгорая в кислороде, разогревает разрезаемый металл до температуры 800...1000^°С. После начального разогрева по центральному каналу горелки подают кислород, окисляющий разогретый металл до окиси железа, которая будучи сравнительно легкоплавкой, в виде жидкости выдувается из кратера реза вновь поступающим кислородом.

Пиротехнический резак разработанный автором в 1989 г. и испытанный аспирантом Пановой В. И. так же имеет наружный корпус, снаряженный пиротехнической смесью, обеспечивающей предварительный прогрев разрезаемого металла до начала его окислительной реакции с кислородом. Подогревающая пиросмесь составляется с расчетом обеспечения высокой температуры горения, достаточного газовыделения и образования легкоплавких продуктов горения. Подобными свойствами обладают смеси нитрата калия с органическими горючими, углем, бором или смеси перхлората калия с теми же восстановителями.

Наружный корпус, снаряженный спрессованной смесью, имеет внутренний центральный канал, не доходящий до торца корпуса с которого организуется начало горения пирорезака.

Центральный канал снаряжается прессованным столбиком пиросостава, в результате горения которого происходит значительное выделение кислорода. Рецептура центрального пиросостава приближается к рецептуре хлоратных свечей. При малом диаметре центрального канала в 3...5 мм более эффективны составы, разработанные автором, например:

При поджигании торца наружного корпуса резака воспламеняется подогревающий состав, который лучом пламени прогревает разрезаемый металл до температуры 1000...1200^°С. После чего резак приближается к металлу почти вплотную. Начавший выделяться в результате горения центрального состава кислород образует поток, окисляющий разрезаемый металл и выносящий жидкий шлак из разреза.

Выделяющееся в результате окисления железа тепло, компенсирует теплопотери подогревающего изделие наружного корпуса с пиросмесью подогрева. Рез металла продолжается до полного выгорания пиросоставов подогрева и выделения кислорода.

Разрезание черных металлов может легко осуществляться и путем предварительного прогрева изделия пламенем пропан-бутаново-воздушной горелки, а затем осуществлением непосредственного разрезания при помощи приведенного состава, запрессованного в алюминиевую трубку с толщиной стенки 0,2...0,3 мм.

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: