Патент №2176231
Авторы: Сарабьев В.И, Пронин В.А, Вареных Н.М, Емельянов В.Н, Курятников В.А.

Предлагаемое изобретение относятся к пиротехническим составам и может быть использовано в реактивных двигателях летающих игрушек.
Пиротехнические летающие игрушки массового использования (ракеты, кометы, бабочки, швермеры и т. д.) создают зрелищный эффект, поднимаясь на определенную высоту под действием реактивной силы двигателя. При этом яркий искрофорсовый след траектории полета значительно усиливает зрительное восприятие работы изделия.
Известно, что для получения реактивной тяги состав должен сгорать с достаточно высокой скоростью, выделяя при этом преимущественно газообразные продукты. Напротив, искрообразование достигается наличием в продуктах горения раскаленных конденсированных частиц, способных окисляться за пределами камеры сгорания в атмосфере воздуха. Очевидно для создания яркого, плотного снопа искр необходимо повышение содержания в составе искрообразующей добавки, однако при этом снижается скорость его горения, содержание газовой фазы в продуктах горения и соответственно тяга двигателя.
Известен целый ряд пиротехнических составов, используемых для получения как реактивной тяги, так и искрофорсового сопровождения полета изделия. Например, известен состав, включающий 55% хлорнокислого аммония, 14% уротропина, 8% идитола, 23% чугунных опилок (а. с. N 201179, кл. С 06 D). Состав имеет стабильные технологические и расходные характеристики, легко уплотняется и дает при горении большое количество искр. Однако его низкая скорость горения (1-2 мм/с) не обеспечивает требуемых расходных характеристик работы двигателя, что исключает возможность использования такого состава для создания реактивной тяги.
Известен состав по а.с. N 278493, кл. С 06 D 1/00, содержащий калий азотнокислый 4-8%, титановый порошок 40-54%, опилки или стружки титанового сплава 40-50%, нитролак 2-4% (св. 100%). Горение указанного состава происходит с образованием большого количества искр, однако из-за очень низкого содержания газообразных продуктов сгорания тяга двигателя практически отсутствует.
Известен целый ряд составов на основе дымного пороха (пороховой мякоти), совмещающих достаточно высокие расходные характеристики с искрофорсовым сопровождением полета, например состав, содержащий пороховой мякоти 100 массовых частей (м.ч.), угля 13 м.ч., и опилок черных металлов 2п/2.5 м.ч., где п - калибр ракеты (мм). (М.В. Солодовников. Пиротехника. Оборонгиз, 1938, стр. 76). Состав имеет достаточно высокую скорость горения (5-7 мм/с), хорошие тяговые характеристики, дает при работе двигателя большое количество искр. Однако из-за большой разницы плотностей компонентов состав при пересыпании расслаивается, следствием чего является нестабильность скорости горения и массового расхода, особенно при повышении давления. Причиной нестабильности расходных характеристик является также большая зависимость скорости горения от давления (показатель в законе скорости 0.35). Кроме того, состав плохо уплотняется, при этом запрессованные образцы имеют малую прочность; это может привести к разрушению двигателя во время работы, что совершенно недопустимо для игрушек массового использования.
Известен также состав по а.с. N 237040 от 04.06.69, кл. С 06 B, содержащий 58-64% пороховой мякоти, 27-33% порошка алюминиево-магниевого сплава и 8.5-9.5% древесного угля. Указанный состав выбран в качестве прототипа.
Состав-прототип дает при горении яркий, зрелищный форс, однако большое суммарное содержание искрообразующих добавок (35.5 - 42.5%) в значительной степени снижает его скорость горения, расходные и тяговые характеристики, величина которых оказывается недостаточной. Кроме того, с точки зрения технологии изготовления, переработки и надежности работы двигателя состав- прототип, представляющий собой механическую смесь компонентов, имеет те недостатки, что и предыдущий состав.
Задачей настоящего изобретения является разработка пиротехнического искрофорсового состава для создания тяги в реактивных двигателях летающих игрушек повышенного зрелищного эффекта, при этом состав должен обладать высокой скоростью горения, стабильными технологическими характеристиками и допускать формование зарядов в широком диапазоне калибров.
Решение указанной задачи достигается тем, что пиротехнический состав, включающий дымный порох и искрообразующую добавку, дополнительно содержит фенолформальдегидную смолу и нитропленку, а в качестве добавки используются или алюминий, или титан, или алюминиево-магниевый сплав, или их смеси.
При этом компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: 
дымный порох 70-93 
Искрообразующая добавка 5-23 
Фенолформальдегидная смола 1,5-4,5 
Нитропленка 0,5-2,5 
Новизна предлагаемого изобретения заключается в конкретном сочетании и оптимальном соотношении известных в пиротехнической промышленности компонентов: дымного пороха, алюминия, титана, алюминиево-магниевого сплава, фенолформальдегидной смолы, нитропленки.
В предлагаемом составе дымный порох является основным газогенерирующим компонентом, обеспечивающим требуемую тягу, а также источником тепла, способствующим нагреву и выбросу частиц искрообразующей добавки в воздушную среду без существенного окисления их в камере сгорания двигателя.
В качестве добавки используются металлические горючие: алюминий, титан, алюминиево-магниевый сплав и их смеси, что объясняется особенностью их окисления и шлакообразования. Так, основные окислы всех перечисленных элементов при температуре горения находятся в конденсированном состоянии, образуют агломераты и, обладая высокой теплоемкостью, создают яркий сноп искр с длительностью свечения 1-2 секунды. При этом использование титана позволяет получить форсовый шлейф белого, алюминия - бело-голубого или золотисто-голубого, алюминиево-магниевого сплава - бело-лунного цвета.
Введение нитропленки увеличивает газообразование и скорость горения состава и соответственно тяговые параметры двигателя. Вместе с тем, высокая скорость горения способствует получению большого количества искр в единицу времени, усиливая тем самым визуальный эффект действия игрушки.
Фенолформальдегидная смола используется в составе в качестве связующего, обеспечивающего стабильные технологические и прочностные характеристики заряда. Учитывая различную растворимость нитропленки и фенолформальдегидной смолы в органических растворителях (нитропленка нерастворима в спиртах), использование этих двух материалов позволяет обеспечить хорошее гранулообразование состава при смешивании.
Выбранные пределы содержания искрообразующей добавки определены обеспечением одновременно высоких расходных параметров горения состава (и соответственно тяги) и плотностью снопа искр при работе двигателя. При уменьшении содержания добавки менее 5% значительно падает плотность искрообразования и ухудшается зрительное восприятие полета игрушки. Состав, содержащий более 23% металлов, имеет недостаточную скорость горения, пониженное содержание газообразных продуктов и низкие значения тяги.
Падение тяговых характеристик также имеет место при уменьшении количества вводимой в состав нитропленки менее 0.5%. Увеличение же содержания ее свыше 2.5% приводит к ухудшению технологических и прочностных показателей при формовании заряда, а также повышению трудозатрат при изготовлении из-за наличия избыточного растворителя в составе.
Состав, содержащий менее 1.5% фенолформальдегидной смолы, резко снижает прочность гранул состава, что приводит к их разрушению при перетаривании и транспортировке и, как следствие, к расслаиванию и нестабильной насыпной плотности. Кроме того, ухудшается процесс прессования заряда, уменьшается его прочность и коэффициент уплотнения, что снижает надежность работы двигателя. Увеличение содержания смолы более 4.5% нецелесообразно из-за снижения скорости горения и значительной трудоемкости при изготовлении.
Все компоненты предлагаемого состава недефицитны, имеют широкую сырьевую базу.
Для изготовления состава дымный порох и искрообразующую добавку применяют в порошкообразном состоянии, фенолформальдегидную смолу в виде спиртового раствора, нитропленку - в виде раствора в ацетоне. Использование двух связующих в виде растворов в различных растворителях позволяет сочетать оптимальные условия прогрева и выброса искрообразующих частиц, поддержания высоких расходных характеристик с высокой прочностью получаемых гранул и относительно малой трудоемкостью изготовления состава на имеющемся в пиротехническом производстве оборудовании.
Состав готовят по принятой в пиротехнической промышленности технологии. Смешивают в смесителе дымный порох, раствор нитропленки и искрообразующую добавку. После удаления большей части растворителя (ацетона) добавляют спиртовой раствор фенолформальдегидной смолы, проводят окончательное перемешивание и сушат.
Для проверки были изготовлены и испытаны следующие составы, рецептуры и характеристики которых в сравнении с составом-прототипом приведены в таблицах 1,2.
Как показывают результаты испытаний, предлагаемый состав имеет высокие значения скорости горения и содержание газообразных продуктов сгорания, что обеспечивает высокие тяговые характеристики двигателей и большую плотность искр во время их работы. При этом состав обладает стабильными технологическими параметрами, что допускает формование зарядов в широком диапазоне калибров.

Формула изобретения
1. Пиротехнический искрофорсовый состав для летающих игрушек, включающий дымный порох и искрообразующую добавку, отличающийся тем, что он дополнительно содержит фенолформальдегидную смолу и нитропленку, при этом компоненты взяты в следующем процентном соотношении (по массе): Дымный порох - 70 - 93 Искрообразующая добавка - 5 - 23 Фенолформальдегидная смола - 1,5 - 4,5
Нитропленка - 0,5 - 2,5
2. Пиротехнический искрофорсовый состав по п.1, отличающийся тем, что он содержит в качестве искрообразующей добавки алюминий, титан, алюминиево-магниевый сплав или их смеси.

Таблица 1

Таблица 2