Патент №2611872
Авторы: Резников М.С, Емельянов В.В, Сидоров В.А, Мингазов А.Ш, Чулков М.В

ОСВЕТИТЕЛЬНЫЙ СОСТАВ БЕЛОГО ОГНЯ
Изобретение относится к пиротехнике, а более конкретно к осветительным составам, включающим нитраты щелочных и щелочноземельных металлов.
Уровень данной области техники характеризует пиротехнический осветительный состав, описанный в учебнике А.А. Шидловского Основы пиротехники, М., «Машиностроение», 1973, с. 149, состав №20, который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога.
Известный осветительный пиротехнический состав содержит нитрат бария (окислитель), магниевый порошок (металлическое горючее), в качестве цветопламенного компонента нитрат стронция, дополнительный окислитель и органическое горючее связующее - льняное масло, в следующем соотношении компонентов, мас. %:
Нитрат бария 38
Магниевый порошок 52
Нитрат стронция 7
Льняное масло 3
Недостатком известного состава является неудовлетворительная сила света пламени из-за того, что часть тепловой энергии горения теряется при интерференции разных частот излучения стронция (красного) и бария (зеленого), обеспечивая смещения спектра в сторону светлых тонов.
Кроме того, нитрат стронция является дефицитным импортным материалом.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение силы света пламени, сопровождающего горение с повышенной скоростью модернизированного пиротехнического состава, используемого в качестве осветительного средства, в котором обеспечено импортозамещение на отечественные доступные компоненты.
Требуемый технический результат достигается тем, что известный осветительный пиротехнический состав, включающий нитрат бария, магнитный порошок, цветопламенное окислительное вещество и органическое горючее связующее, согласно изобретению содержит в качестве цветопламенного вещества фторопласт, а в качестве органического горючего связующего 25%-ный раствор канифоли в олифе и дополнительно газообразующие углекислый магний и тиомочевину, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Нитрат бария 40-50
Магниевый порошок 40-43
Фторопласт 3-5
Углекислый магний 3-5
25%-ный раствор канифоли в олифе 2-4
Тиомочевина 2-3
Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили повышение эффективности основного действия осветительного пиротехнического состава по назначению, обеспечив яркость излучения в видимом диапазоне спектра в течение продолжительного времени, при заметном снижении себестоимости продукции.
При отработке настоящего изобретения в качестве окислительного агента были опробованы используемые в отрасли для этой цели фторсодержащие полимеры - фторопласты типа политетрафторэтилена, которые проявили сопоставимую химическую активность для повышения температуры и скорости горения пиротехнического осветительного заряда, обеспечив необходимый спектр излучения газообразующих продуктов горения и силу света.
При этом были опробованы преимущественно натуральные олифы на основе льняного или конопляного масла, которые обеспечили хорошую смачиваемость порошкообразных компонентов состава.
Использование в осветительном пиротехническом составе политетрафторэтилена (фторопласта) в качестве окислительного агента, корректирующего спектр излучения пламени при горении заряда из него в видимом диапазоне, в части светлых тонов, увеличивает скорость горения заряда с характерным повышением накала твердых частиц генерируемой аэродисперсной фазы.
При взаимодействии политетрафторэтилена (фторопласта) с металлическим горючим состава образуется излучающий фторид магния (MgF2), что способствует увеличению суммарной силы света пламени.
Газообразователи углекислый магний и тиомочевина выполняют дополнительные функции, соответственно: повышается выход дисперсной фазы белого цвета и активируется горение состава, сокращая время формирования излучающего аэродисперсного образования.
Введение в пиротехнический состав природного углекислого магния увеличивает газообразование, чем ускоряется вынос и диспергирование излучающих в видимом диапазоне спектра твердых частиц, генерируемых при горении заряда в газоаэрозольную фазу.
При этом образуется оксид магния (MgO), окрашивающий пламя чистым белым цветом, разбавляя и нейтрализуя зеленый окрас, формируемый при горении нитрата бария.
Серосодержащая тиомочевина обеспечила активизацию воспламенения и горения пиротехнического состава осветительных зарядов, при этом выделяющаяся свободная сера, взаимодействуя с металлами, образует дополнительную дисперсную фазу, излучающую в видимом диапазоне спектра.
Тиомочевина при горении дополнительно выделяет большое количество газов (H2S, NH3, CS2, NH2, CN и др.), чем повышается динамика формирования излучающего в видимом диапазоне спектра аэродисперсного образования, действие которого по освещению местности при этом значительно увеличилось.
25%-ный раствор канифоли живичной в олифе масляной - органическое горючее связующее, предпочтительное для применения в оптимизированном пиротехническом составе, которое приготавливается из промышленно выпускаемых веществ, доступных и относительно дешевых, обеспечивающее безопасность техпроцесса изготовления осветительного состава и при функционировании факела из него.
При содержании в осветительном пиротехническом составе нитрата бария меньше 40 мас. % не достигается заданный спектр излучения газоаэрозольного образования из-за недостатка скорости горения термической основы.
При содержании в осветительном пиротехническом составе нитрата бария больше 50 мас.% светимость продуктов горения происходит преимущественно в зеленой области спектра излучения, что не соответствует требованиям к качеству функционирования пиросостава по назначению.
При содержании в осветительном пиротехническом составе магниевого порошка больше 43 мас.% снижается время свечения газоаэрозльного образования из-за избыточной скорости горения, что особенно сказывается в малогабаритных факелах.
При содержании в осветительном пиротехническом составе магниевого порошка меньше 40 мас. % снижается яркость излучения белого цвета пламени из-за недостатка теплотворной способности и развиваемой температуры горения зарядов.
При содержании в осветительном пиротехническом составе фторопласта меньше 3 мас.% скорость горения его термической основы падает и ухудшаются структурные характеристики излучения пламени.
При содержании в осветительном пиротехническом составе фторопласта больше 5 мас.% нет заметной активности горения термической основы и связанных с ним качественных показателей свечения.
При содержании в осветительном пиротехническом составе углекислого магния меньше 3 мас.% снижается газообразование (CO2), ухудшая вынос твердых излучающих частиц (MgO) в дисперсную фазу пламени, в результате чего снижается свечение факела.
При содержании в осветительном пиротехническом составе углекислого магния больше 5 мас.% увеличивается газообразование, что заметно разбавляет генерируемое при горении заряда излучающее аэродисперсное образование, в результате чего падает сила света, то есть снижается функциональность заряда из осветительного состава.
При содержании в осветительном пиротехническом составе тиомочевины меньше 2 мас.% резко падает скорость горения зарядов, снижая быстродействие по генерированию излучающего аэродисперсного образования, а также замедляется его вынос из-за падения газообразования, то есть уменьшается объем рабочего тела, транспортирующего дисперсную фазу в атмосферу.
Содержание в осветительном пиротехническом составе тиомочевины больше 3 мас.% является балластным, так как при этом не отмечается повышение эффективности горения термической основы состава и скорости выноса излучающих твердых частиц.
При содержании в осветительном пиротехническом составе 25%-ного раствора канифоли в олифе меньше 2 мас.% не обеспечиваются необходимые технологические его свойства (равномерность распределения компонентов при смешивании, прессуемости состава в прочные заряды).
При содержании в осветительном пиротехническом составе 25%-ного раствора канифоли в олифе больше 4 мас.% нет дальнейшего улучшения технологических характеристик.
Введение в структуру предложенного осветительного состава 25%-ного раствора канифоли в олифе повышает воспламеняемость зарядов, при горении которых органическое горючее связующее полностью термически разлагается, увеличивая при этом газообразование и свечение генерируемого функционального облака, что обеспечивает освещение большей поверхности.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым эффектом суммы признаков.
Предложенный осветительный состав изготавливается в любом промышленном смесителе пиротехнического производства, в который загружают все порошкообразные компоненты в соотношении (мас.%): 45,5±5 нитрата бария, 41,5±1,5 магниевого порошка, 4±1 политетрафторэтилена (фторопласта), 4±1 углекислого магния и 3±1 тиомочевины, которые перемешивают в течение 7-10 минут.
Затем в смеситель добавляют 2,5±0,5 предварительно приготовленного 25%-ного раствора канифоли живичной в олифе масляной и перемешивают в течение 10-15 минут до равномерного распределения компонентов в смеси.
Приготовленную пластифицированную пиротехническую смесь направляют на прессование зарядов и факелов.
Количественное соотношение компонентов предложенного осветительного пиротехнического состава было рассчитано по математической модели планирования эксперимента и подтверждено опытными результатами огневой проверки функционирования зарядов по назначению, которые показали достижение улучшенных показателей по максимальной силе света аэродисперсного образования при горении зарядов, компоненты которых содержатся в пределах выбранных диапазонов.
В таблице приведены характерные составы испытанных зарядов, в которых компоненты находятся в пределах заявленных диапазонов, на его границах и за границами оптимизированных диапазонов содержания.

Испытания показали хорошую воспламеняемость и устойчивое горение зарядов из составов 2-4 со скоростью 1,5-2,0 мм/с, при этом формируется яркое светящаяся белым цветом генерируемое облако в течение заданного времени.
Уплотненный заряд из состава 1 горит с пониженной скоростью 0,6 мм/с, форс пламени которого образует световое излучение, характеризующееся неудовлетворительным спектром.
Заряд из состава 5 крошится, части которого горят стабильно, но воспламенение затруднительное и время свечения газоаэрозольного образования зеленого оттенка при этом сокращается на треть от заданного.
Сравнение предложенного технического решения с опубликованными аналогами уровня техники не выявило идентичного совпадения совокупности существенных признаков изобретения.
Предложенные отличия осветительного состава, которые прямо не следуют из постановки технической задачи, не являются очевидными для специалиста по пиротехнике.
Изготовление осветительного пиротехнического состава и факелов из него возможно осуществлять на действующем производстве по отработанной технологии.
Из вышесказанного можно сделать вывод о соответствии изобретения условиям патентоспособности.
Положительные результаты огневых испытаний опытных образцов предложенного состава, фактически подтвердившие эффективность формирования устойчивого облака, излучающего ярким белым цветом, позволяют рекомендовать его на серийное производство для поставок заказчикам.