Патент №2308443
Авторы: Вареных Н.М, Емельянов В.Н, Сарабьев В.И, Пронин В.А 

Изобретение относится к термическим составам, а более конкретно к пиротехническим композициям из нескольких твердых веществ, при горении которых происходит газообразование для создания тяги.
Пиротехнические летающие игрушки массового использования (ракеты, кометы, швермеры и т.п.) создают зрелищный эффект, поднимаясь на определенную высоту под действием реактивной тяги двигателя, в виде искрофорсового следа траектории полета.
Известно, что для получения реактивной тяги состав должен сгорать с достаточно высокой скоростью, выделяя при этом преимущественно газообразные продукты. Искрообразование, напротив, достигается наличием в продуктах горения раскаленных конденсированных частиц, способных окисляться в атмосферном воздухе.
Наличие в пиротехническом составе реактивного заряда летающих изделий искрообразующего компонента массой, достаточной для создания на траектории полета яркого, плотного снопа искр, естественно снижает скорость горения и содержание газовой фазы в продуктах сгорания, что соответственно ухудшает тяговых характеристики.
Уровень данной области техники характеризует состав, описанный в изобретении SU 237040, С06В, 1969 г., который содержит в массовом соотношении: 58-64 пороховой мякоти, 27-33 порошка алюминиево-магниевого сплава и 8,5-9,5 древесного угля.
При горении указанного термического состава образуется яркий зрелищный эффект фейерверка.
Однако низкая скорость горения (при относительно высоком содержании искрообразующих компонентов 35,5-42,5 мас.%), расходные и тяговые характеристики ограничивают его применения в качестве реактивного заряда для летающих игрушек.
Кроме того, из-за большой разницы плотностей компонентов состав при пересыпании расслаивается, следствием чего является нестабильность скорости горения и удельного массового расхода, особенно при повышении давления в двигателе.
Этот состав плохо уплотняется при прессовании заряда, который имеет низкую конструкционную прочность и может разрушиться во время функционирования, что недопустимо для игрушек массового использования.
Отмеченные недостатки устранены в более совершенном пиротехническом искрофорсовом составе, обеспечивающем требуемую тягу в реактивном двигателе летающих игрушек при повышенном зрелищном эффекте на траектории полета, который по большинству совпадающих признаков и назначению выбран в качестве наиболее близкого аналога (патент RU 2176231, С06В 33/04, 31/04, 2001 г.).
Известный состав, включающий дымный порох, искрообразующий металлический порошок, фенолформальдегидную смолу и нитропленку, обладает относительно высокой скоростью горения, стабильными технологическими характеристиками, хорошо прессуется при формировании реактивного заряда (коэффициент уплотнения при давлении Р=300 МПа составляет 0,89-0,90), при горении которого в нормальных условиях образуется 210-290 м3/кг газообразных продуктов, что достаточно для использования по назначению.
В этом пиротехническом искрофорсовом составе для летающих игрушек оптимизировано соотношение компонентов (мас.%): 70-93 дымного пороха, 5-23 металлического порошока, 1,5-4,5 фенолформальдегидной смолы и 0,5-2,5 нитропленки.
В качестве искрообразующей добавки используется порошок алюминия, титана, алюминиево-магниевого сплава или их смеси, окислы которых при температуре горения состава находятся в конденсированном состоянии, образуя агломераты, обладающие высокой теплоемкостью, что обеспечивает яркий сноп искр с длительностью свечения 1,5-2,5 с.
Дымный порох является основным газогенерирующим компонентом, обеспечивающим требуемую тягу, а также источником тепла, способствующим нагреву выбрасываемых металлических частиц в воздушную среду атмосферы без существенного окисления в камере сгорания реактивного двигателя изделия.
Введение нитропленки увеличивает газообразование и скорость горения состава и соответственно тяговые параметры двигателя изделия.
Фенолформальдегидная смола используется в составе в качестве связующего, обеспечивающего стабильные технологические и прочностные характеристики заряда из него.
Известный состав приготавливают смешиванием компонентов в две стадии. Вначале смешивают дымный порох, раствор нитропленки в ацетоне и металлический порошок. Затем, после удаления ацетона, добавляют спиртовой раствор фенолформальдегидной смолы и проводят окончательное перемешивание состава, который высушивают.
Недостатком известного пиротехнического состава является то, что связка его структурных компонентов неустойчива при его перетаривании, а в спрессованном заряде из-за недостаточного коэффициента уплотнения прессованием. Это отрицательно влияет на скорость горения и функционирование реактивного изделия в целом.
При изготовлении известного состава происходит разрыв технологического потока для удаления летучих из дополнительного нитролака, которым формируют пленку покрытия на частицах пороха и металлического порошка, необходимого для предотвращения сгорания металла внутри двигателя.
Однако при совместном одновременном перемешивании всех компонентов состава нитропленка покрывает и частицы пороха, что снижает воспламеняемость реактивного заряда, в результате чего снижается тяга двигателя летающего изделия.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение отмеченных недостатков для достижения более выраженного форсового эффекта как по протяженности следа, так и длительности свечения искр, а также упрощение технологии изготовления состава.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном пиротехническом искрофорсовом составе для летающих игрушек, включающем дымный порох, искрообразующий металлический порошок и фенолформальдегидную смолу, согласно изобретению дымный порох использован с фракционностью в диапазоне 100-1500 мкм, а размер металлических частиц, которые покрыты слоем фенолформальдегидной смолы, составляет 5-120 мкм, при этом компоненты содержатся в следующем соотношении (мас.%):
Дымный порох 67-91
Металлический порошок 5-27
Фенолформальдегидная смола 2-8
Отличительные признаки обеспечили достижение основных технических характеристик назначения заряда реактивных летающих игрушек из предложенного искрообразующего пиротехнического состава, который имеет более широкий диапазон содержания компонентов, при упрощении технологии его изготовления, и характеризуется меньшей потребительской стоимостью.
Особенностью состава по изобретению является то, что частицы металлического порошка предварительно покрыты слоем фенолформальдегидной смолы при их смешивании, которые служат центром конгломератов, образованных налипанием пороха в смесителе. При этом открытая поверхность присоединенного пороха не пассивируется покрытием (как в прототипе).
В новом составе обеспечивается равномерное распределение структурных элементов и прочность более плотного заряда, формируемого прессованием, который при динамичном горении выделяет больший объем газообразных продуктов, увеличивая тем самым тяговые параметры летающих изделий.
Использование дымного пороха фракций 100-1500 мкм (селекция дымного ружейного пороха), не пассивированного покрытием связующего, гарантированно обеспечивает необходимую скорость горения, следовательно, достижение заданной тяги реактивного двигателя летающего изделия. При горении предложенного состава развивается энергетика величиной, достаточной для разогрева в двигателе и воспламенения распределенных металлических частиц, пассивированных покрытием из связующего, на траектории полета, создающих яркий устойчивый форс искр.
При размере частиц дымного пороха менее 100 мкм падает скорость горения состава и соответственно газообразование, что в итоге не обеспечивает полетных характеристик изделию.
При использовании дымного пороха с частицами более 1500 мкм образуются неоднородности структуры, так как удельное содержание пороха в конгломерате из составляющих компонентов, имеющем в центре покрытую функциональным связующим металлическую частицу, будет недостаточно для создания стабильного форса из-за неудовлетворительного разогрева искрообразующего металла.
Покрытие металлических частиц из слоя фенолформальдегидной смолы замедляет их воспламенение в двигателе, где происходит прогрев для активного окисления в атмосфере с образованием устойчивого искрофорсового следа на траектории полета изделия.
Распределенные в составе металлические частицы, покрытые слоем связующего толщиной менее 5 мкм, практически полностью сгорают в двигателе и не образуют форса, то есть при этом не обеспечивается требуемый зрелищный эффект фейерверка от летающей игрушки.
Металлические частицы размером более 120 мкм не успевают прогреться при горении состава для воспламенения, поэтому искрофорсовый эффект слабо выражен и практически отсутствует.
Массовое содержание дымного пороха с фракционностью в диапазоне 100-1500 мкм (в селекции оружейного дымного пороха) с открытой активной поверхностью в составе снижено, так как при этом обеспечивается требуемое тяговое усилие реактивного двигателя ракеты за счет повышения скорости горения пиротехнического заряда.
При содержании в составе дымного ружейного пороха менее 67 мас.% снижается газообразование, не обеспечивающее заданной тяги реактивного двигателя.
При содержании в составе дымного ружейного пороха более 91 мас.% сокращается удельная масса искрообразующего металлического компонента, в результате чего заметно уменьшается высота форсового следа и время его свечения.
Относительное массовое содержание искрообразующего металлического порошка в составе, сравнительно с прототипом, увеличено, потому что используется порох с активной (не покрытой связующим) поверхностью, не пассивированный слоем фенолформальдегидной смолы, что повышает скорость горения реактивного заряда в летающем изделии.
Содержание в составе металлического порошка более 27 мас.% приводит к снижению скорости его горения, так как количество пороха соответственно снижается.
При содержании металлического порошка менее 7 мас.% искрообразование неудовлетворительно по свечению и 
Увеличение, сравнительно с прототипом, массового содержания фенолформальдегидной смолы (связующего) вызвано необходимостью покрытия всех металлических частиц, содержащихся в составе, в большем объеме.
Оптимизированное массовое соотношение металл/связующее во всем диапазоне их заявленного содержания в составе обеспечивает равномерный слой покрытия, капсюлирование металлических частичек пассивирующим слоем фенолформальдегидной смолы.
При содержании в составе фенолформальдегидной смолы (связующего) более 8 мас.% снижаются скорость горения реактивного пиротехнического заряда, тяга двигателя и высота подъема ракеты. Кроме того, возникают технологические проблемы из-за высокой вязкости смеси, налипающей на инструмент, которую трудно равномерно промешать и переработать.
При содержании в искрофорсовом составе фенолформальдегидной смолы менее 2 мас.% не обеспечивается покрытие всех металлических частиц, даже минимально необходимое для искрообразования объема металлического порошка, а также неудовлетворительна прочность реактивного заряда из-за слабой связи структурных компонентов, не образующих устойчивых функциональных конгломератов.
Исключение из состава нитропленки упростило технологию изготовления пиротехнического искрофорсового состава, потребительская стоимость которого ниже, при этом его основные технические характеристики повысились, так как открытая поверхность пороха имеет лучшую воспламеняемость и скорость горения, повышая энергетику заряда.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи является достаточной для достижения новизны качества, не присущей признакам в разобщенности, то есть поставленная техническая задача решается не суммой эффектов, а новым эффектом от суммы признаков.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по пиротехнике, показал, что оно не известно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления реактивных зарядов простым смешиванием из описанной композиции качественного и количественного состава можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.
Для изготовления заявленного состава металлический порошок смешивают в смесителе со спиртовым раствором фенолформальдегидной смолы, которая образует на металлических частицах покрытие, а затем добавляют дымный порох (селекции ружейного) в порошкообразном состоянии.
Из приготовленной смеси прессуют заданной формы реактивные заряды для двигателей летающих игрушек.
Оптимальное количественное содержание компонентов и их соотношение в составе определялись расчетом по математической модели планирования эксперимента и проверялись натурными испытаниями в опытных образцах летающих игрушек.
Зрелищный эффект при горении пиротехнического состава определяется протяженностью выраженного форсового следа на траектории полета изделия и временем его свечения.
Протяженность (высота) форсового следа зависит от времени горения металлических частиц, при котором происходит свечение, и скорости вылета их из камеры сгорания реактивного двигателя летающего изделия, определяемой расходом газообразных продуктов сгорания состава, его энергетики, плотности заряда, скорости горения.
Металлический порошок увеличивает плотность состава, но при этом снижает скорость его горения и содержание газообразных продуктов сгорания.
Связующее (фенолформальдегидная смола) способствует заметному повышению газопроизводительности.
Под временем свечения понимается продолжительность сохранения форсового следа без существенного изменения его размеров, то есть устойчивость форсового следа, определяемого временем горения металлических частиц на открытом воздухе за пределами камеры сгорания двигателя.
Для увеличения времени горения в предложенном составе поверхность металлических частиц пассивирована покрытием из фенолформальдегидной смолы, что снизило их воспламеняемость и окисление в камере сгорания двигателя. Металлические частицы при горении заряда прогреваются, а сгорают на открытом воздухе с меньшей скоростью.
Объемное распределение пороха вокруг покрытых металлических частиц формирует конгломерат из компонентов состава, который характеризуется повышенным временем горения искрообразующего металлического горючего.
Количество связующего в составе определяется количеством и размером частиц металлического порошка. При недостатке фенолформальдегидной смолы металлические частицы покрыты не полностью, что приводит к их сгоранию в двигателе, сильно снижая время свечения и зрелищный эффект. Избыточное количество связующего в составе приводит к образованию плотной и прочной пленки на поверхности металлических частиц, что затрудняет их воспламенение и делает процесс горения неустойчивым.
Кроме того, повышенное содержание связующего в составе снижает энергетику, уменьшает скорость горения состава и тяговые параметры реактивного заряда.
На время свечения влияет также размер металлических частиц. Мелкие частицы быстро окисляются и сгорают, будучи покрытыми связующим, не обеспечивая необходимого времени свечения. Крупные металлические частицы хуже воспламеняются, даже без покрытия связующим, что делает их в составе балластной добавкой, а сопутствующее уменьшение количества металлических частиц при этом уменьшает яркость и насыщенность создаваемого форсового следа.
Использование в качестве газогенерирующего компонента дымного ружейного пороха обеспечивает при сгорании состава требуемую тягу и достаточное количество тепла для нагрева металлических частиц без существенного окисления в камере сгорания двигателя.
В качестве искрообразующего компонента в составе использованы порошки: алюминия, магния, титана, алюминиево-магниевого сплава и их смеси, окислы которых при температуре горения находятся в конденсированном состоянии и образуют агломераты шлаков, которые благодаря высокой теплоемкости создают яркий сноп искр длительного свечения.
При использовании в составе порошков магния и титана получают форсовый шлейф белого цвета, алюминия - бело-голубого или золотисто-голубого, алюминиево-магниевого сплава - бело-лунный цвет.
Оптимизированные диапазоны содержания компонентов предложенного состава обеспечивают повышение основных технических характеристик назначения.
Ниже приведена таблица сопоставительных показателей характерных вариантов составов по изобретению и прототипа.

Таблица

Из таблицы следует, что предложенный пиротехнический состав для летающих фейерверков, сравнительно с прототипом, характеризуется более высокими основными техническими показателями назначения: в 1,5 раза увеличена длительность устойчивого искрообразования в ярком форсовом следе траектории полета изделия, максимальная протяженность которого составляет 40 м.