УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ ТЕХНОЛОШКО-МЕТАЛУРШКИ ФАКУЛТЕТ Синиша Д. Пашагић ПИРОТЕХНИЧКЕ СМЕШЕ ЗА ИЗРАДУ ПУЊЕЊА ГАСОГЕНЕРАТОРА BASE BLEED ПРОЈЕКТИЛА 37 и 57 mm Докторска Дисертација Београд, 2016 UNIVERSITY OF BELGRADE FACULTY OF TECHNOLOGY AND METALLURGY Siniša D. Pašagić PYROTECHNIC MIXTURES FOR PRODUCTION OF GASGENERTOR CHARGES FOR BASE BLEED PROJECTILES 37 AND 57 mm Doctoral Dissertation Belgrade, 2016. Ментор: ___________________________ др Душан Антоновић, редовни професор, Универзитет у Београду, Технолошко–металуршки факултет Чланови комисије: ___________________________ др Гордана Ушћумлић, редовни професор, Универзитет у Београду, Технолошко–металуршки факултет ___________________________ др Душан Мијин, редовни професор, Универзитет у Београду, Технолошко–металуршки факултет ___________________________ др Зијах Бурзић, научни саветник Војнотехнички институт, Београд Датум одбране:__________________ Докторска дисертација Синиша Пашагић 4 Ова докторска дисертација урађена је у лабораторијама Сектора за материјале и заштиту Војнотехничког института. Посебну захвалност дугујем члановима комисије који су испратили рад на изради докторске дисертације од почетних испитивања па све до саме израде докторске дисертације. Такође, овом приликом желео бих да се захвалим и својим колегама из Сектора за материјале и заштиту Војнотехничког института, а посебно колеги Брзић Саши који је радећи на свом докторату несебично крчио пут и за мене. Колега Брзићу, да није било тебе сигуран сам да не бих био у прилици да пишем ову посвету, и зато, једно велико „ХВАЛА“ за тебе и твоју несебичност и пријатељство. Докторску дисертацију посвећујем најсветлијim тачкаma свог живота, ћеркама Нини и Хелени. Докторска дисертација Синиша Пашагић 5 ПИРОТЕХНИЧКЕ СМЕШЕ ЗА ИЗРАДУ ПУЊЕЊА ГАСОГЕНЕРАТОРА BASE BLEED ПРОЈЕКТИЛА 37 и 57 mm Резиме Током истраживања употребе пиротехничких смеша за израду пуњења гасогенератора Base Bleed пројектила израђени су различити састави на бази високоенергетских металних прахова и органских једињења, у улози гориве компоненте. Лактоза, глукоза, сорбитол и аскорбинска киселина су коришћене као органске гориве компоненте, док је магнезијум био представник групе високоенергетских горива при изради пиротехничких смеша испитаних у овом раду. Истраживање је организовано у IV фазе, од којих је свака имала улогу да кроз анализу добијених резултата, обезбеди полазне претпоставке и смернице за извршење наредне фазе истраживања. Прва фаза истраживања бавила се анализом и компарацијом добијених резултата испитивања великог броја пиротехничких састава израђених од различитих врста горива, оксиданаса, везива и адитива ради добијања података о најбитнијим функционалним карактеристикама пиротехничких смеша (брзина сагоревања, енергетски потенцијал, температура самозапаљења и максимални притисак продуката сагоревања). Уочено је да састави са идитолом као везивом, у односу на саставе са витоном А, остварују и до 42 % веће брзине сагоревања. Састави лактозе са калијум-перхлоратом и/или калијум-нитратом као оксидансом, сагоревају стабилно уз генерисање велике количине гасовитих продуката у широком спектру брзина сагоревања, без појаве чврстих или течних продуката сагоревања. Мале количине елементарног гвожђа, од само 0,02 g на 50 g смеше, показују значајан утицај на брзину сагоревања, уз повећање брзине сагоревања од Докторска дисертација Синиша Пашагић 6 око 15 %. Смеша са лактозом у односу на састав са магнезијумом, као горивом компонентом-референтни смеша, остварила је 43,4 % нижи енергетски потенцијал и 46,9 % нижу температуру самозапаљења. Састави са лактозом, за исту густину пуњења, мерењем у манометарској бомби остварили су и до 50 % веће вредности притиска продуката сагоревања. На основу закључака прве фазе истраживања, друга фаза се базирала на испитивању функционалних карактеристика одабраних органских горива. Резултати ове фазе испитивања треба да укажу на предности и мане коришћења одређеног органског горива. У односу на раније испитане саставе, предмет овог истраживања били су састави без адитива, како би до изражаја дошао утицај гориве компоненте на функционалне карактеристике. Израђена је и потребна количина референтне смеше ради карактеризације и упоредне анализе. Највише брзине сагоревања постигнуте су са саставима на бази аскорбинске киселине, 4,77 mm/s, а најниже на бази лактозе, 2,89 mm/s. Смеше на бази органског горива су се показалe „отпорнијим“ на утицај повећања густине пуњења на брзину сагоревања у односу на састав са магнезујумом. Како би се испитала стабилност припаљивања и сагоревања пуњења гасогенератора (ГГ) на бази пиротехничких смеша, израђени су пиротехнички састави на бази лактозе и магнезијума и испитани кроз полигонска испитивања, на полигону „Миоковци“ код Чачка. Кроз полигонска испитивања закључено је да је смеша на бази лактозе, иако јој је енергетски потенцијал нижи за скоро 50% у односу на референтни састав, погоднија за израду пуњења ГГ од праха магнезијума са аспекта поузданости и стабилности сагоревања током лета пројектила. Анализом снимака ултрабрзе камере са полигонских испитивања уочен је озбиљан демаскирајући ефекат сагоревања пуњења ГГ на бази магнезијума, што није био случај код пуњења на бази лактозе. Трећа фаза истраживања заснивала се на испитивању утицаја различитих технолошких параметара на вредности фунционалних карактеристика испитаних пиротехничких састава. Установљено је да се повећањем удела везива смањују вредности брзине сагоревања и коефицијента варијације уз последично побољшање хомогености испитаних пиротехничких састава. Утицај биланса кисеоника на вредност брзине сагоревања релативно је мали и уско повезан са Докторска дисертација Синиша Пашагић 7 повећањем удела оксиданса, као компоненте са бољом топлотном проводношћу. Присуство компоненте која се топи на нижим температурама фаворизује пренос топлоте ка несагорелим слојевима смеше резултујући појавом максимума брзине сагоревања при неутралном билансу кисеоника за смеше на бази лактозе, и минимумом прираста брзине сагоревања код смеша са витамином Ц. Повећање густине пуњења остварује прилично уједначен утицај на смањење вредности брзине сагоревања (БС) за све испитане саставе. Поред тога, код састава на бази витамина Ц идентификована је појава да се са повећањем густине пуњења уједначава прираст брзине сагоревања, што се објашњава доминантном улогом калијум-перхлорат у процесу предгревања несагорелих слојева смеше при максималним густинама пуњења. Утицај дебљине облоге пуњења ГГ на брзину сагоревања, заснован је на повећању површине са које се емитује топлота из зоне хемијских реакција у околину, чиме се остварује негативан ефекат на вредности брзине сагоревања. Вишепараметарском анализом утврђено је да код састава на бази лактозе, при промени дебљине зида облоге, позитиван ефекат на прираст БС остварује управо удео гориве компоненте-због њене фазне трансформације на нижим температурама. Насупрот томе, код састава на бази витамина Ц одлучујући утицај на вредности БС остварује удео оксиданса. Дебљине облоге има негативан утицај на БС пиротехничких састава са органским горивом (мала топлотна проводљивост) и за одређену дебљину облоге може се описати константом која највише зависи од вредности коефицијента топлотне проводности. Последња фаза истраживања заснивала се на испитивању алтернативних метода „финог подешавања“ брзине сагоревања пиротехничких пуњења на бази органских горива. Потреба за овим истраживањем произашла је из нежељених ефеката класичних метода повећања брзине сагоревања додавањем металних високоенергетских прахова. Уградња бакарних жица у пуњења ГГ, у својству пасивних грејача, показала се као метода са великим потенцијалом, којом се без измене састава пиротехничке смеше значајно повећава њена брзина сагоревања. Испитивање утицаја „бакарних грејача“ на брзину сагоревања извршено је са саставаима на бази лактозе и аскорбинске киселине. Резултати испитивања указују на врло конзистентан утицај бакарних грејача на вредности брзине сагоревања свих испитаних састава. Повећање брзине сагоревања у односу на Докторска дисертација Синиша Пашагић 8 саставе без уграђених бакарних грејања кретало се у опсегу од 14 до 18%. Позитиван утицај бакарних грејача на брзину сагоревања потврђују и снимци термовизијске камере, на којима је уочено формирање унутрашње зоне са температурама вишим и до 40оС од оних у остатку узорка. Зона са вишим температурама није уочена код узорака у које нису били уграђени бакарни грејачи. Уградњом бакарних грејача у опитна пуњења успешно је повећана брзина сагоревања свих састава без икаквих измена удела компонената пиротехничких смеша нити продуката процеса њиховог сагоревања. Кључне речи: base bleed пројектил, гасогенератор, пиротехничка смеша, органска горива, високоенергетски метални прахови, функционалне карактеристике, брзина сагоревања, бакарни грејачи. Научна област: Хемија Ужа научна област: Органска хемија УДК број: 662.1 Докторска дисертација Синиша Пашагић 9 PYROTECHNIC MIXTURES FOR PRODUCTION OF GASGENERTOR CHARGES FOR BASE BLEED PROJECTILES 37 AND 57 mm Summary Throughout the research of deployment of pyrotechnic compositions for production of gas-generator charge of Base Bleed projectiles various metallic powders and organic substances, were used as fuel components. In this dissertation lactose, glucose, sorbitol and ascorbic acid as organic fuel conponents and magnesium, as representative of metallic powders, were used in production of gas generator charges for carrying out experiments. The research was organized in IV phases, and purpose of every phase was to, throughout the process of results analysis, obtain valid information and guidelines for planning and execution of next investigation phase. The purpose of the first phase of investigation was to, through analysis and comparison process of investigation results of various types of fuel, oxidant, binder and additive components, provide relevant data on the most important functional characteristics of pyrotechnic compositions (combustion velocity, energy potential, temperature of self-ignition and maximal pressure of combustion products. It was observed that the compositions which had phenol-formaldehyde resin (Iditol), as binder component, in comparison to Viton A based pyrotechnic compositions, had up to 42 % higher values of combustion velocity. Lactose based pyrotechnic compositions with potassium-perchlorate and/or with potassium-nitrate, as oxidation agent burnt stable throughout wide combustion velocity spectra, generating waste quantities of gases, without, or with insignificant amounts of solid and liquid combustion products. Even small quantities of elemental iron, low as 0,02 g within the 50 g of pyrotechnic composition, had significant rise in combustion velocity, up to 15 %. Lactose based pyrotechnic compositions in comparison to magnesium based, had 43,4 % lower value of energy potential and 46,9 % lower self-ignition temperature. Furthermore, lactose based compositions with the same charge density as magnesium based ones, had up to 50 % higher values of combustion products pressure measured in manometer bomb. Докторска дисертација Синиша Пашагић 10 According to first investigation phase result analysis, the focus of second investigation phase was on investigation of functional characteristics of pyrotechnic compositions with specific organic fuel components. Data obtained throughout this investigation phase should point out advantages and disadvantages of usage of specific organic fuel component. In this investigation phase, no additives were applied in order to make influence of used fuel components on functional characteristics more obvious. Magnesium based composition was also prepared, just for characterization and comparison purposes. Ascorbic acid based pyrotechnic compositions had the highest combustion velocities, 4,77 mm/s, and lactose based ones had the lowest values of combustion velocities, 2,89 mm/s. Combustion velocity of organic based compositions has proven itself more resistive to changes of charge density than magnesium based pyrotechnic compositions. For purposes of combustion stability investigation of pyrotechnic charges for gas generators of base bleed projectiles, one lactose and one magnesium based pyrotechnic gas generator charge were prepared and investigated throughout field tests, on firing range ‘Miokovci’ near Čačak, firing form test canon and recording the projectiles flight with high speed camera. Results of this investigation have shown that, although, lactose based pyrotechnic compositions had some 50 % lower values of energy potential they were better solution for production of gas generator pyrotechnic charges because their combustion process was more stable than for magnesium based pyrotechnic composition. Through investigation of high speed camera records, serious unmasking effect of magnesium based pyrotechnic charges combustion process was observed, unlike with lactose based pyrotechnic compositions. Focus of the third investigation phases was based on investigation of influence of various production technological parameters on values of pyrotechnic mixture functional characteristics. It was observed that rise in binder portion was followed with decrease in combustion velocity and variation coefficient, and better homogeneity of pyrotechnic charges. Oxygen balance didn’t show significant influence on combustion velocity and its influence was closely related to rise in portion of oxidant component, as component with better thermal conductivity characteristics. Presence of component with low melting temperature, in lactose based pyrotechnic charges, favors conduction of heat from combustion zone towards charge layers yet to undergo combustion process yielding maximal values of combustion velocity for neutral oxygen balance. On the Докторска дисертација Синиша Пашагић 11 other hand, ascorbic based composition for neutral oxygen balance had minimal rise in combustion velocity. Rise in charge density has shown uniformity in decreasing values of combustion velocity for all investigated pyrotechnic compositions. Moreover, observing pyrotechnic compositions with ascorbic acid as fuel component, rise in charge density assimilates rise in combustion velocity, among all of pyrotechnic compositions, due to dominant role of potassium-perchlorate in heat transfer from combustion zone throughout charge volume. Influence of gas generator chamber wall thickness on combustion velocity is based on rise of the surface from which heat from combustion zone radiates to surroundings, thus reducing combustion velocity. Multi-parameter data analysis has shown that presence of low temperature melting component in lactose based compositions has positive effect on combustion velocity, compensating dissipation of heat due to rise in thickness of chamber walls. While, in case of ascorbic based composition, compensation of heat dissipation through chamber walls is done by oxidant component as the most conductive. Thickness of chamber walls has negative influence on combustion velocity of organic based pyrotechnic compositions, having poor conductive characteristics, and for certain chamber wall thickness can be observed as constant value, which is mostly based on heat conduction coefficient of chamber wall material. The last, fourth, investigation phase was based on investigation of alternative methods for ‘fine tuning’ the combustion velocity of organic based pyrotechnic compositions. Necessity for carrying out this phase of investigation is based on negative effects observed with classical methods for enhancement of combustion velocity, such as adding the metallic powders to organic based pyrotechnic compositions. Implementation of copper wires to gas generator pyrotechnic charges, as passive heaters, has proven itself as method with great potential which offers possibility to significantly enhance combustion velocity without making any changes to pyrotechnic charge composition. Investigations of influence of ‘copper wire heat guides’ on combustion velocity, has been done with pyrotechnic compositions based on lactose and ascorbic acid. Investigation results are pointing out consistency of influence of ‘copper wire heat guides’ on combustion velocity for all of investigated pyrotechnic mixtures. Values of combustion velocity for all of the investigated pyrotechnic compositions were 14 to 18 % higher to those gained with the same pyrotechnic compositions without Докторска дисертација Синиша Пашагић 12 ‘copper wire heat guides’ installed. Positive effect of ‘copper wire heat guides’ was confirmed by thermo-vision camera recordings, on which formation of inner zone in gas generator pyrotechnic charges, with up to 40oC higher temperatures then in the rest of the charge, is observed. That, higher temperature, zone hasn’t been observed in pyrotechnic charges without ‘copper wire heat guides’ installed. With installment of ‘copper wire heat guides’ into gas generator pyrotechnic charges significant enhancement of combustion velocity was obtained without any changes in pyrotechnic charge or their combustion products compositions. Key words: base bleed projectile, gas generator unit, organic fuels, functional characteristics, combustion velocity, copper wire heat guides. Scientific area: Chemistry Scientific sub-area: Organic chemistry UDK number: 662.1 Докторска дисертација Синиша Пашагић 13 САДРЖАЈ СПИСАК СКРАЋЕНИЦА И СИМБОЛА СПИСАК СЛИКА СПИСАК ТАБЕЛА 1. УВОД ......................................................................................................................................... 19 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО ................................................................................................................... 22 2.1 Развој Base Bleed пројектила ........................................................................................... 22 2.2 Улога генератора гаса ВВ пројектила ........................................................................... 29 2.2.1 Потреба за увођењем јединице ГГ ............................................................................ 29 2.2.2 Пиротехничке смеше за израду пуњења јединице ГГ ............................................... 30 2.3 Пиротехничке смеше ........................................................................................................ 32 2.3.1 Компоненте пиротехничких смеша .......................................................................... 34 2.3.1.1 Горива ................................................................................................. 34 2.3.1.2 Оксидациона средства ............................................................................................... 40 2.3.1.3 Везива ................................................................................................. 45 2.3.1.4 Адитиви ................................................................................................. 47 2.3.2 Подела (класификација) пиротехничких смеша ........................................................ 48 2.3.3 Принципи избора и прорачуна састава пиротехничких смеша ................................ 50 2.3.3.1 Биланс кисеоника ................................................................................................. 53 2.3.3.2 Удео везивне компоненте .......................................................................................... 55 2.3.4 Технологија израде пиротехничких смеша ................................................................ 56 2.3.5 Израда пиротехничких смеша ................................................................................... 57 2.3.5.1 Припрема сировина. ................................................................................................. 57 2.3.5.2 Сува хомогенизација ................................................................................................. 58 2.3.5.3 Растварање везива ................................................................................................. 58 2.3.5.4 Мешање суво хомогенизоване смеше са раствором везива ...................................... 58 2.3.5.5 Зрнчање смеше ................................................................................................. 59 2.3.5.6 Сушење смеше ................................................................................................. 60 2.3.5.7 Пресовање ................................................................................................. 60 2.3.5.8 Паковање ................................................................................................. 60 2.3.5.9 Лаборација ................................................................................................. 60 2.3.6 Функционалне карактеристике пиротехничких смеша за ГГ ВВ пројектила ................................................................................................. 60 2.3.6.1 Максимални притисак продуката сагоревања у манометарској бомби ................. 61 2.3.6.2 Брзина сагоревања ................................................................................................. 62 2.3.6.3 Енергетски потенцијал .............................................................................................. 64 2.3.6.4 Температура самозапаљења ..................................................................................... 65 2.3.6.5 Топлотна проводљивост ............................................................................................ 67 2.3.7 Стабилност пиротехничких смеша .......................................................................... 68 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ ДЕО ................................................................................................. 71 3.1 Досадашња истраживања пиротехничких смеша за лаборацију ГГ BB пројектила у нашој одбрамбеној индустрији ........................................................................... 72 3.2 Реализација истраживања ............................................................................................... 74 3.2.1 I фаза истраживања ................................................................................................. 75 3.2.1.1 Избор састава ................................................................................................. 75 3.2.1.2 Испитивање брзине сагоревања ................................................................................ 77 3.2.1.3 Испитивање енергетског потенцијала ..................................................................... 78 Докторска дисертација Синиша Пашагић 14 3.2.1.4 Испитивање температуре самозапаљења ............................................................... 78 3.2.1.5 Испитивање максималног притиска продуката сагоервања .................................. 78 3.2.2 II фаза истраживања ................................................................................................ 78 3.2.2.1 Избор састава пиротехничких смеша....................................................................... 79 3.2.2.2 Испитивање брзине сагоревања ................................................................................ 80 3.2.2.3 Испитивање енергетског потенцијала ..................................................................... 80 3.2.2.4 Испитивање температуре самозапаљења ............................................................... 80 3.2.2.5 Испитивање максималног притиска продуката сагоревања .................................. 80 3.2.2.6 Полигонска испитивања ............................................................................................ 80 3.2.3 III фаза истраживања ............................................................................................... 82 3.2.3.1 Оптимизација састава пиротехничких смеша ......................................................... 83 3.2.3.2 Удео везивне компоненте .......................................................................................... 85 3.2.3.3 Утицај биланса кисеоника на брзину сагоревања ..................................................... 85 3.2.3.4 Утицај густине пуњења на брзину сагоревања ........................................................ 85 3.2.3.5 Утицај дебљине зида облоге пуњења на брзину сагоревања .................................... 86 3.2.4 IV фаза истраживања ............................................................................................... 86 3.2.4.1 Дефинисање састава за извршење испитивања ....................................................... 87 3.2.4.2 Припрема пуњења ГГ за испитивање утицаја БГ на брзину сагоревања ................ 87 3.2.4.3 Утицај БГ на брзину сагоревања ............................................................................... 89 3.2.4.4 Утицај БГ на ефективну топлотну проводност пиротехничких пуњења .............. 90 4. ПРИКАЗ И АНАЛИЗА РЕЗУЛТАТА ИСПИТИВАЊА ...................................................... 91 4.1 Прва фаза истраживања .................................................................................................. 91 4.1.1 Брзина сагоревања ................................................................................................. 91 4.1.2 Енергетски потенцијал .............................................................................................. 93 4.1.3 Температура самозапаљења ..................................................................................... 94 4.1.4 Одређивање максималног притиска сагоревања у манометарској бомби .............. 96 4.2 Друга фаза истраживања ................................................................................................. 97 4.2.1 Полигонска испитивања ............................................................................................ 97 4.3 Трећа фаза истраживања ................................................................................................103 4.3.1 Утицај удела везивне компоненте на брзину сагоревања ..................................... 103 4.3.2 Утицај биланса кисеоника на брзину сагоревања .................................................. 104 4.3.3 Утицај густине пуњења на брзину сагоревања ...................................................... 106 4.3.4 Утицај дебљине зида облоге на брзину сагоревања ................................................ 109 4.3.5 Вишепараметарска анализа процеса сагоревања................................................... 114 4.3.6 Утицај грејача од бакарне жице на брзину сагоревања ........................................ 122 4.3.7 Утицај БГ на ефективну топлотну проводљивост пиротехничких пуњења ........ 124 5 ЗАКЉУЧАК .............................................................................................................................130 6 ЛИТЕРАТУРА .........................................................................................................................134 7 ПРИЛОЗИ ................................................................................................................................138 БИОГРАФИЈА АУТОРА ...............................................................................................................139 ИЗЈАВА О АУТОРСТВУ ...............................................................................................................140 ИЗЈАВА О ИСТОВЕТНОСТИ ШТАМПАНЕ И ЕЛЕКТРОНСКЕ ВЕРЗИЈЕ ДОКТОРСКОГ РАДА ....................................................................................................................141 ИЗЈАВА О КОРИШЋЕЊУ ............................................................................................................142 Докторска дисертација Синиша Пашагић 15 СПИСАК СКРАЋЕНИЦА И СИМБОЛА ПС Пиротехничка смеша ГГ Гасогенератор ББ Base Bleed пројектил БС Брзина сагоревања CD Коефицијент отпора дна пројектила (базни отпор), pB Потпритисак на дну пројектила, p∞ Амбијентални притисак око пројектила у лету M∞ Махов број. I Импулс убризгавања продуката сагоревања у околни ваздух, Tg Температура продуката сагоревања, β Угао задњег конуса, M& Моларна маса горива, и dj/dB Однос пречника отвора кроз који истичу продукти сагоревања и пречника базе. ПВ Пиро валенца ХКС Хетерегони кондензовани системи КРГ Композитног ракетног горива ЕЗГ Електро-запаљива главица ЕП Енергетски потенцијал ρ Густина пуњења БК Биланс кисеоника БГ Бакарни грејач Тszp Температура самозапаљења tsr Време индукције Св Средња вредност Сд Стандардна девијација КВ Коефицијент варијације ρt Теоретска густина пуњења P Порозност пуњења Докторска дисертација Синиша Пашагић 16 Слика 1. Шведски артиљеријски топ 120 mm, M70......................................................................... 23 Слика 2. Топ-хаубица НОРА Б-52 ..................................................................................................... 23 Слика 3. Попречни пресеци пуњења ГГ неких артиљеријских система системе ........................... 23 Слика 4. Употреба јединице ГГ код ракетних система .................................................................. 24 Слика 5. Најједноставније техничко решење јединице ГГ за класичну артиљеријску муницију.............................................................................................................................................. 24 Слика 6. Решење јединице ГГ са млазницама................................................................................... 25 Слика 7. Конструкција јединице ГГ класичног артиљеријског пројектила са млазницом променљивог попречног пресека ........................................................................................................ 26 Слика 8. Побољшање аеродинамичности пројектила променом његовог попречног пресека током лета пројектила ....................................................................................................... 28 Слика 9. Молекул глукозе................................................................................................................... 37 Слика 10. Добијање D-сорбитола из D-глукозе ................................................................................ 38 Слика 11. Витамин Ц ........................................................................................................................ 39 Слика 12. Молекул лактозе ............................................................................................................... 40 Слика 13. Вертикална преса „DUNKES“ ......................................................................................... 63 Слика 14. VOD 811 – уређај за мерење брзине детонације-сагоревања.......................................... 63 Слика 15. Пиротехничке смеше упресоване у челично кућиште јединице ГГ ................................. 64 Слика 16. Адијабатски калориметар ИКА-Ц400 ............................................................................ 65 Слика 17. Уређај за испитивање температуре самозапаљења ..................................................... 66 Слика 18. Муниција 57 mm са уграђенoм јединицom ГГ ................................................................... 81 Слика 19. Алат за двофазно пресовање ........................................................................................... 88 Слика 20. Основа алата са 3 пина .................................................................................................... 89 Слика 21. Дистанцер ......................................................................................................................... 89 Слика 22. Алуминијумска цевчица ..................................................................................................... 90 Слика 23. Графички приказ зависности времена индукције од температуре ................................ 95 Слика 24. Изглед пројектила са и без навијене јединице ГГ ............................................................ 99 Слика 25а,б,в Стабилност сагоревања пиротехничког пуњења јединице ГГ на бази лактозе без лаборисане припалне смеше .........................................................................................100 Слика 26а,б,в,г Стабилност сагоревања пиротехничког пуњења јединице ГГ на бази магнезијума без лаборисане припалне смеше...................................................................................100 Слика 27а,б Стабилност сагоревања пиротехничког пуњења јединице ГГ на бази лактозе и 4 g M4 припалне смеше ....................................................................................................101 Слика 28а,б Стабилност сагоревања пиротехничког пуњења јединице ГГ на бази лактозе и 2 g M4 припалне смеше ....................................................................................................101 СПИСАК СЛИКА Докторска дисертација Синиша Пашагић 17 Слика 29а,б Стабилност сагоревања пиротехничког пуњења јединице ГГ на бази магнезијума и 2,6 g M4 припалне смеше ..........................................................................................102 Слика 30а,б Стабилност сагоревања пиротехничког пуњења јединице ГГ на бази магнезијума и 2,6 g M4 припалне смеше ..........................................................................................102 Слика 31. Зависност брзине сагоревања од удела везива ...............................................................104 Слика 32. Зависност брзине сагоревања од биланса кисеоника .....................................................106 Слика 33. Утицај густине пуњења на вредност брзине сагоревања пир.смеша на бази лактозе ..............................................................................................................................................109 Слика 34. Утицај густине пуњења на вредност брзине сагоревања пир.смеша на бази витамина Ц .......................................................................................................................................109 Слика 35. Утицај облоге на вредност брзине сагоревања пир.смеша на бази лактозе (густи Слика 36. на пуњења 1,73 g/cm3) ...........................................................................................113 Утицај облоге на вредност брзине сагоревања пир.смеша на бази витамина Ц (густина пуњења 1,73 g/cm3) ............................................................................................................................113 Слика 37. Прираст брзине сагоревања пир.смеша на бази лактозе и витамина Ц у зависности од биланса кисеоника ....................................................................................................115 Слика 38. Зависност брзине сагоревања пир.смеша на бази лактозе, у стандардној и модификованој облози, од биланса кисеоника .................................................................................115 Слика 39. Брзина сагоревања пир.смеша на бази витамина Ц, у стандардној и модификованој облози, у зависности од биланса кисеоника ...........................................................116 Слика 40. Утицај удела лактозе на прираст брзине сагоревања (густина пуњења 1,73 g/cm3) .................................................................................................................................................119 Слика 41. Утицај дебљине облоге на прираст брзине сагоревања (густина пуњења 1,73 g/cm3) .................................................................................................................................................120 Слика 42. Утицај дебљине облоге на прираст брзине сагоревања (густина пуњења 1,87 g/cm3) .................................................................................................................................................121 Слика 43. Утицај дебљине облоге на прираст брзине сагоревања (густина пуњења 2,00 g/cm3) .................................................................................................................................................121 Слика 45. Термалне слике узорака смеше 007/12П1 након 0, 10, 60 и 180 s мерења (први ред-узорци без бакарних грејача, други ред-узорци са бакарним грејачима) ..................................125 Слика 46. Прираст температуре узорка смеше 001/12П1 у функцији времена, са (црвена линија) и без бакарних грејача (плава линија) ..................................................................................127 Слика 47. Прираст температуре узорка смеше 007/12П1 у функцији времена, са (црвена линија) и без бакарних грејача (плава линија) ..................................................................................127 Слика 48. Прираст температуре узорка смеше 002/12П1 у функцији времена, са (црвена линија) и без бакарних грејача (плава линија) ..................................................................................128 Слика 49. Прираст температуре узорка смеше 008/12П1 у функцији времена, са (црвена линија) и без бакарних грејача (плава линија) ..................................................................................128 Докторска дисертација Синиша Пашагић 18 Табела 1. Састав пиротехничке смеше на бази магнезијума .......................................................... 73 Табела 2. Испитани састави пиротехничких смеша у I фази истраживања ................................ 76 Табела 3. Пиротехнички састави испитани у II фази истраживања ............................................ 79 Табела 4. Испитани састави пиротехничких смеша у III фази истраживања .............................. 84 Табела 5. Резултати испитивања брзине сагоревања пиротехничких смеша из I фазе истраживања .................................................................................................................................... 91 Табела 6. Резултати испитивања брзине сагоревања пиротехничких смеша на бази различитих органских горива ............................................................................................................ 93 Табела 7. Резултати испитивања енергетског потенцијала одабраних пиротехничких смеша из I фазе истраживања ......................................................................................................... 93 Табела 8. Зависност времена индукције од температуре за пир. смешу 027/09П1 ........................ 94 Табела 9. Зависност времена индукције од температуре за пир. смешу 029/09П1 ........................ 94 Табела 10. Зависност времена индукције од температуре за пир. смешу 028/09П1 ...................... 95 Табела 11. Резултати испитивања максималног притиска продуката сагоревања у манометарској бомби за одабране пир.смеше из I фазе истраживања ......................................... 96 Табела 12. Резултати испитивања максималног притиска продуката сагоревања у манометарској бомби одабраних пир.смеша ................................................................................... 97 Табела 13. Резултати полигонских испитивања рада ГГ Base Bleed пројектила 57 mm ............... 98 Табела 14. Утицај удела везива, Витон А, на брзину сагоревања ..................................................103 Табелa 15. Утицај биланса кисеоника на брзину сагоревања .........................................................105 Табелa 16. Утицај густине пуњења на брзину сагоревања.............................................................106 Табелa 17. Утицај дебљине зида јединице ГГ на брзину сагоревања .............................................110 Табела 18. Утицај уградње бакарних грејача на брзину сагоревања пиротехничких пуњења јединице ГГ ..........................................................................................................................123 СПИСАК ТАБЕЛА 1. УВОД Синиша Пашагић 19 1. УВОД Повећање домета пројектила класичног наоружања, стална је активност свих армија света, пошто се на тај начин повећава ватрена способност јединица на терену, даје предност првог напада и обезбеђује додатно време за правилно груписање и боље организовање одбране или напада. Посматрајући пројектил, као засебну категорију, уколико би његову масу и почетну брзину узели као константе, параметар који би могао да утиче на његов домет је отпор који се јавља приликом лета пројектила кроз ваздушну средину. Поменути отпор је резултанта више његових компоненти као што су: таласни отпор, отпор трења и отпор дна пројектила [1]. Прве две компоненте отпора су биле предмет истраживања и усавршавања од самог почетка производње муниције. Позната је чињеница да отпор дна пројектила, као резултат појаве зоне подпритиска услед велике брзине опструјавања ваздуха око пројектила, делује у супротном смеру од смера кретања пројетила умањујући му домет. У случају пројектила класичног наоружања који се кроз атмосферу крећу брзинама од рецимо 2 Mach, отпор дна пројетила може да достигне и до 50% од вредности укупног отпора кретању пројектила [2]. Како је учешће прве две компоненте у укупној вредности отпора маргинализовано побољшавањем аеродинамичности пројектила, трећа компонента (отпор дна пројектила-базни отпор) је добила на значају и постала предмет интензивних истраживања од средине прошлог века па све до данас. Постоје многа решења овог проблема али једно се издваја по својој ефикасности и широкој употреби у војној индустрији многих развијених армија, а то је увођење јединице гасогенератора (ГГ) у дно пројектила. Досадашња искуства, из разлога економичности и цене средстава чије су тактичко-техничке особине биле предмет побољшавања, базирана су на уградњи јединице ГГ у пројектиле већих калибара, и у почетку су била везана за употребу двобазних и композитних ракетних горива као пуњења ГГ. Могућност уградње јединице ГГ у муницију мањих калибара омогућило је разматрање употребе пиротехничких смеше за израду погонског пуњења јединице ГГ. Услед мање количине пиротехничке смеше (ПС) потребне за лаборацију у 1. УВОД Синиша Пашагић 20 гасогенератор пројектила 57 mm, до 100 g приротехничке смеше, технолошки изазови израде већих количина ПС и њихове лаборације у тело гасогенератора, која је постојала код муниције већих калибара, су елиминисани а алати за њихову лаборацију одликују се прилично простом конструкцијом. Пошто је употреба пиротехничких смеша за израду пуњења јединице ГГ новијег датума, очекује се да ће се у овој области у будућности појавити доста нових састава који ће по својој ефикасности сасвим успешно парирати двобазним и композитним ракетним горивима који су до сада имали примат. Стручна литература из области проучавања пиротехничких смеша за израду пуњења ГГ Base Bleed пројектила изузетно је оскудна. Осим неколицине наслова који спомињу потенцијалне компоненте које би могле да се употребе за израду ових врста пиротехничких смеша, не постоји литература која нуди и конкретне резултате испитивања одређених састава. У наводима поменуте литературе налазе се и супротстављени подаци о могућностима употребе неких од потенцијалних компонената, нпр. праха магнезијума као гориве компоненте пиротехничких смеша за израду пуњења ГГ ББ пројектила. Док одређени литературни наслови спомињу прах магнезијума као неизбежну компоненту при изради ових врста пиротехничких смеша, у другим насловима наглашава се опрез при употреби магнезијума и доводи у питање стабилност сагоревања пиротехничких пуњења ГГ ББ пројектила израђених од пиротехничких смеша на бази магнезијума. Наравно, као по правилу, ни једна од наведених тврдњи није поткрепљена конкретним резултатима испитивања. Додатну отежавајућу околност представља и чињеница да су истраживања употребе пиротехничких смеша за израду пуњења ГГ ББ пројектила у нашој земљи практично тек у зачетку, тј. у почетној фази, са врло мало експериманталних података било какве врсте (не постоји ни један научни рад из ове области објављен било у домаћим или страним часописима, осим часописа проистеклих из ове докторске дисертације). Под оваквим околностима, предмет и циљ докторске дисертације усмерен је ка успостављању теоретске и експерименталне базе из области истраживања пиротехничких смеша за израду пуњења ГГ ББ пројектила мањих калибара. Имајући у виду примарну улогу гориве компоненте у остварењу функције 1. УВОД Синиша Пашагић 21 пиротехничких пуњења ГГ ББ пројектила, предмет истраживања докторске дисертације заснован је на испитивању утицаја различитих горивих компонената на функционалне карактеристике пиротехничких смеша. Израђене су и испитане пиротехничке смеше на бази органских (лактоза, глукоза, сорбитол и витамин Ц) и металних прахова (магнезијум). Испитивањем поменутих пиротехничких смеша извршена је елиминација неперспективних горивих компоненти а истраживање је усмерено ка горивим компонентама чијом употребом би се постигли максимални резултати употребе јединице ГГ. Током извршења свих испитивања вођено је рачуна о економским и тешнолошким аспектима израде пиротехничких пуњења ГГ ББ пројектила. У том смислу испитан је утицај квалитета употребљених компонената (трговачки и лабораторијски квалитет) на функционалне карактеристике израђених састава уз поштовање принципа једноставности и технолошке применљивости решења израде и лаборације пиротехничких пуњења ГГ ББ пројектила. Поред оптимизације удела и врсте гориве компоненте извршена је и оптимизација оксидационих компоненти са аспекта постизања максималних количина нискомолекулских продуката сагоревања, поузданости припаљивања и стабилности процеса сагоревања потенцијалних пиротехничких смеша. Карактеризација пиротехничких смеша и њиховог процеса сагоревања обављена је кроз истраживање утицаја технолошких параметара производње пиротехничких смеша на функционалне карактеристике израђених састава. Након дефинисања најперспективнијих пиротехничких смеша за израду пуњења ГГ ББ пројектила истражена је могућност постизања ширег спектра брзина сагоревања поменутих састава у прихватљивом опсегу најбитнијих функционалних карактеристика. Кроз реализацију ове докторске дисертације развијена је и метода уградње бакарних грејача у пиротехничка пуњења. Уградњом баккарних грејача повећана је брзина сагоревања пиротехничких смеша на бази органског горива без измене њиховог састава и продуката сагоревања. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 22 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО 2.1 Развој Base Bleed пројектила До средине ХХ века било је утемељено мишљење да смањење количине експлозива у артиљеријском пројектилу у корист уградње гасогенератора није исплативо због, како се тада мислило, малог повећања домета. Пошто су до тада артиљеријски пројектили били релативно малог домета, повећање домета од око 30 % није представљало значајније побољшање ради којег би било оправдано нарушити разорну моћ пројектила. Ово мишљење било је актуелно све до појаве артиљерије повећаног домета. Један од представника артиљерије повећаног домета била је хаубица GC-45 код које је повећање домета од 30 % износило између 5 до 10 km, што је представљало прекретницу у начину размишљања конструктора пројектила. Могућности које је уградња јединице гасогенератора у том пренутку нудила није могла да се занемари и због тога су '60-тих година прошлог века принципи рада Base Bleed (ББ) пројектила били дефинисани заједничким ангажовањем Шведске „Агенције за истраживање у области одбране“ (Försvarets forskningsanstalt) и артиљеријског завода FMV (Försvarets MaterielVerk). Истраживачи, ангажовани на овом истраживању установили су да мала количина гасова која излази из базе пројектила смањује подпритисак настао летом пројектила кроз ваздушну средину. Радило се о малој количини спорогорећег пуњења, лоцираног у бази пројектила. Убрзо затим, 1969. године, су извршена прва полигонска испитивања са челичним пројектилима калибра 105 mm. Више него охрабрујући резултати довели су до његовог патентирања 1971. године. На самом почетку, најмасовнију примену Base Bleed пројектили нашли су у обалској артиљерији. Пошто је производњу генератора гаса за шведски артиљеријски топ 120 mm М70 требало да изведе фирма из САД, са овог патента је скинута ознака „СТРОГО ПОВЕРЉИВО“ након чега су продата интернационална права на овај патент. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 23 У наоружању наше војске извршена је модификација пројектила артиљеријског наоружања калибра од 75 до 155 mm, додавањем јединице ГГ, док су највеће серије ГГ произведене за пројектиле калибра 105, 122 и 155 mm. Упоредо са развојем пиротехничких смеша за израду пуњења ГГ ББ пројектила и конституције пуњења (пуњења са централним каналом, различитог попречног пресека, и тд.), интензивно се радило и на побољшавању аеродинамичких перформанси (изменама уздужног пресека пројектила, попречним пресеком пројектила који се мења након испаљења, увођењем изменљивог попречног пресека дна пројектила у зависности од брзине кретања пројектила кроз атмосферу, ослобађање и коришћење позитивног ефекта најмање једног крила на пројектилу након испаљивања из оруђа, и тд.). Опис неких од решења за повећање аеродинамичности пројектила и смањења отпора дна пројектила могу се наћи у [2, 3, 4, 5, 6]. Слика 1. Шведски артиљеријски топ 120 mm, M70 Слика 2. Топ-хаубица НОРА Б-52 Слика 3. Попречни пресеци пуњења ГГ неких артиљеријских система системе 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 24 На Сликама 4 и 5 приказана су нека једноставнија конструкциона решења употребе гасогенератора ради повећања домета класичних (Слика 5) и пројектила са ракетним погоном (Слика 4). Слика 4 представља употребу пуњења гасогенератора за повећање домета пројектила на ракетни погон [3]. На слици 4 приказан је попречни пресек ракетног мотора чија је унутрашњост испуњена чврстим ракетним горивом (36) са централном шупљином попречног пресека у облику звезде, док је пуњење ГГ (38) лаборисано по његовом ободу. На овај начин пуњење ГГ се припаљује од стране ракетног горива на крају његовог сагоревања, како би сагоревањем утицало на смањење базног отпора на остатку трајекторије пројектила. Слика 5. Најједноставније техничко решење јединице ГГ за класичну артиљеријску муницију Где је: 10-ББ пројектил; 12-база ББ пројектила; 14-јединица ГГ; 16- пуњење ГГ; 18-припала пуњења ГГ Слика 4. Употреба јединице ГГ код ракетних система Где је: 32-комора РМ; 34-млазница; 36- ракетно гориво; 38-пуњење ГГ 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 25 На Слици 5 приказано је једноставније решење јединице ГГ уграђене у дно класичног артиљеријског пројектила [2]. Слика 5 указује на то да је у удубљење у дну пројектила (12), уграђено кућиште јединице ГГ (14), у којем се налази припала (18) и пуњење јединице ГГ (16). Ово решење предвиђа припаљивање припале ГГ (18) од стране продуката сагоревања погонског пуњења метка у цеви оруђа, да би након изласка пројетила из уста цеви ова припала обезбедила поузданост припаљивања и стабилност сагоревања пуњења ГГ током лета пројектила. Припала ГГ пројектована је тако да се припаљује и сагорева током проласка пројектила кроз цев оруђа. Сагоревање припале ГГ наставља се и известан период након изласка пројектила из уста цеви оруђа чиме се обезбеђује поузданост припаљивања и стабилност сагоревања пуњења јединице ГГ у условима драстичног пада притиска који влада иза дна пројектила непосредно након изласка пројектила из уста цеви оруђа. Слика 6 представља софистицираније решење конструкције ГГ за класичне артиљеријске пројектиле. Ово решење предвиђа навијање јединице ГГ на дно пројектила чиме је посредно могуће повећање аеродинамичности пројектила његовим издужењем и смањењем попречног пресека дна пројектила. Такође, са Слике 6 уочљиво је и да пуњење лаборисано у јединицу ГГ и, за разлику од пуњења на Слици 5, не сагорева цигаретно већ радијално у смеру од централне шупљине пуњења ка зидовима ГГ. Повећањем површине сагоревања проширењем Слика 6. Решење јединице ГГ са млазницама Где је: 1-јединица ГГ; 2-база ББ пројектила; 3-лежиште припале; 4-припала пуњења ГГ; 5 (5' и 5'')-млазнице на дну јединице ГГ; 6-пуњење ГГ. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 26 Слика 7. Конструкција јединице ГГ класичног артиљеријског пројектила са млазницом променљивог попречног пресека Где је: 1-ББ пројектил; 2-водећи прстен; 3-јединица ГГ; 4-централна шупљина; 5 навојни спој јединице ГГ и дна пројектила; 6-пуњење ГГ; 7-излазни отвор на јединици ГГ; 8-дно јединице ГГ; 9-припала пуњења ГГ; 10-место ослањања пуњења ГГ на дном ББ пројектила; 11- заптивка јединице ГГ; 12-навојни спој млазнице и јединице ГГ;13- млазница ГГ;13а- променљиви отвор млазнице ГГ;14- место ослањања пуњења ГГ на млазницу ГГ централног отвора пуњења ГГ, услед његовог радијалног смера сагоревања, процес сагоревања карактерише се и прогресивношћу, тј. повећањем производње гасовитих продуката сагоревања током времена. Конструционо решење, приказано на Слици 6, предвиђа и постојање млазница (5' и 5'') на дну кућишта јединице ГГ (1). Улога ових млазница је двојака. Прва улога млазница је да омогући припаљивање пуњења (6) и припале (4) ГГ од стране продуката сагоревања погонског пуњења метка у цеви оруђа. Друга улога млазница је повећање поузданости припаљивања и стабилности процеса сагоревања пуњења ГГ (6) кроз делимичну изолацију коморе за сагоревање ГГ и ''задржавање'' продуката сагоревања припале (4) усмерених ка централном отвору пуњења ГГ у условима наглог пада притиска иза коморе јединице ГГ. На овај начин наставља се и продужава процес припаљивања и одржава се стабилности сагоревања пуњења ГГ. Поред побољшања стабилности и перформанси рада јединице ГГ ово решење нуди и лак приступ појединим подсклоповима јединице ГГ ради њихове замене или чак замене комплетне јединице ГГ, њеним одвијањем са дна пројектила, без компликованих и опасних процедура, које су биле неопходне у претходним решењима када је јединица ГГ била директно лаборисана у дно пројектила. Конструкција јединице ГГ приказана на Слици 7, поред предности које је нудило претходно решење са Слике 6, поседује централну млазницу, променљивог попречног пресека, израђену од материјала склоног ерозији (Mg) [4]. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 27 Предности оваквог решења млазнице су вишеструке: - Мањи пречник отвора млазнице (13а) у односу на пречник отвора на дну јединице ГГ (7)–током проласка пројектила кроз цев оруђа и након изласка из уста цеви, омогућава задржавање веће количине продуката сагоревања унутар јединице ГГ а самим тим и продужено дејство припаљивања пуњења јединице ГГ. - Магензијум, од којег је израђена млазница, под ерозивним дејством проласка продуката сагоревања погонског пуњења метка кроз млазницу, бива убачен у комору сагоревања ГГ. Ужарене честице магнезијума, ношене продуктима сагоревања основног пуњења метка, остварују позитиван утицај на припаљивање пуњења ГГ. - Материјал млазнице под дејством продуката сагоревања еродира убрзано и у периоду од око 2s након испаљења пројектила, материјал млазнице у потпуности нестаје, чиме се попречни пресек отвора млазнице изједначава са попречним пресеком отвора на дну кућишта јединице ГГ кроз који истичу продукти сагоревања пуњења јединице ГГ. - Повећање попречног пресека млазнице врши редукцију притиска и брзине сагоревања пуњења унутар јединице ГГ чиме се смањује могућност лома и екслозије пуњења (неконтролисаног сагоревања) а повећава ефективност учинка пуњења јединице ГГ. - Поред свих ових предности сужени део млазнице у пределу (13 и 14) пре и током испаљења пројектила представља, поред дна кућишта јединице ГГ, додатни ослонац пуњењу ГГ чиме је повећана структурна отпорност пуњења на високе вредности силе инерције приликом испаљења пројектила из цеви оруђа. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 28 Као што је већ наглашено, упоредо са усавршавањем конструкције и састава пуњења јединице ГГ, и аеродинамичност пројектила је била предмет опширних истраживања. Као илустрација могућности, до којих се у међувремену дошло, приказано је решење кошуљице пројектила израђене од ''паметних'' материјала способних да мењају попречни пресек пројектила и повећају му аеродинамичке карактеристике, Слика 8 [6]. Ситуација „а“ на Слици 8, представља попречни пресек пројектила пре испаљења а ситуација „б“, попречни пресек пројектила у неком моменту током лета пројектила. Тако драстична промена попречног пресека пројектила могућа је једино израдом кошуљице пројектила из неколико слојева којима је омогућено међусобно померање у одређеном моменту током лета. У суштини, кошуљица пројектила (202) састоји се од два или више слојева (204-спољашњи слој и 206-унутрашњи слој). Унутрашњи слој (202) може да представља зид пројектила или неку потпорну конструкцију Слика 8. Побољшање аеродинамичности пројектила променом његовог попречног пресека током лета Где је: 202-кошуљица пројектила; 204-унутрашњи слој кошуљице; 206-спољашњи слој кошуљице; 208- „паметни“ раздвајајући елемент; 209-елемент са непроменљивим обликом; 210- елемент са особином „меморије-памћења облика“; 212-ослобађајуће пуњење; 216-размак између слојева кошуљице. а б в г 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 29 непроменљивог попречног пресека која држи на окупу спољашњи слој кошуљице и унутрашње елементе пројектила. Промена попречног пресека пројектила условљена је променом висине или примењене силе елемената (208) („паметни“ раздвајајући елементи) који пружају потпору спољашњем слоју кошуљице пројектила. Спољашњи и унутрашњи слојеви кошуљице пројектила се раздвајају уз помоћ једног или више елемената (208) и једног или више елемената са непроменљивим обликом (209), ситуација „в“. Као што се може приметити постоје две врсте елемената, једна, која у почетку помаже очувању цилиндричног попречног пресека пројектила да би касније, након одвијања критичног догађаја, утицала на трансформацију попречног пресека ради повећања аеродинамичких карактеристика пројектила и друга, неизменљивог облика, која својим распоредом по површини унутрашњег слоја кошуљице пружа потпору њеним слојевима и усмерава измену положаја спољашних слојева у односу на унутрашње. Елементи (208) најчешће се израђују од суперпластичних или материјала који имају особине опружних материјала, који се у процесу израде кошуљице уграђују у „напрегнутом“ стању. У том стању елементе (208) задржавају елементи (210)- елементи са особином „меморије-памћења облика“ (најчешће је реч о жицама или материјалима сличних особина). При дешавању критичног догађаја долази до пуцања мањих пуњења (212), као што је приказано на ситуацији „г“, при чему долази до ослобађања елемента (210) чиме је омогућено заузимање основног-ненапрегнутог положаја елемента (208) што последично доводи до померања спољашњег слоја кошуљице у односу на унутрашњи, резултујући променом попречног пресека пројектила. 2.2 Улога генератора гаса ВВ пројектила 2.2.1 Потреба за увођењем јединице ГГ Базни отпор јавља се као последица опструјавања ваздуха око пројектила, током његовог лета, при чему се непосредно иза дна пројектила јавља зона подпритиска која „повлачи“ пројектил у смеру супротном од смера његовог лета и на тај начин му смањује домет. Као што се види из једначине коефицијента базног отпора (1), смањење потпритиска pB утиче на смањење вредности коефицијента базног отпора. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 30 ( )[ ] 2 /12 ¥ ¥-= kM ppC BD (1) при чему је: CD – коефицијент отпора дна пројектила (базни отпор), pB – потпритисак на дну пројектила, p∞ – амбијентални притисак око пројектила у лету, и M∞ – махов број. Решење овог проблема, које је нашло широку примену у свим армијама света, јесте уградња јединице ГГ у дно пројектила. Повећање домета, у овом случају, последица је редукције коефицијента отпора дна пројектила која се огледа у „убацивању“ продуката сагоревања у рециркулациону зону иза дна појектила чиме се постиже повећање притиска у њој и на тај начин се смањује базна компонента отпора. Колики ће бити ефекат ГГ зависи пре свега од опште прилагођености облика пројектила аеродинамичним захтевима и режиму лета пројектила. Повећање ефикасности ГГ, у смислу повећања домета, постиже се код пројектила код којих је прилагођеном формом укупни отпор пројектила сведен на минимум. Код таквих пројектила учешће базног отпора у укупном износи чак до 40-50%. 2.2.2 Пиротехничке смеше за израду пуњења јединице ГГ Резултати досадашњих истраживања показали су да је коефицијент базног отпора комплексна величина и да зависи од великог броја параметара, од којих су најважнији дати једначином (9). [7] ( )¥= ppddMTIMfC BBjgD /,/,,,,, &b (2) где су: I – импулс убризгавања продуката сагоревања у околни ваздух, Tg – температура продуката сагоревања, β – угао задњег конуса, M& – моларна маса горива, и 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 31 dj/dB – однос пречника отвора кроз који истичу продукти сагоревања и пречника базе. Уколико се из разматрања искључе параметри који су везани за конструкцију јединице ГГ, dj/dB и β, и режим лета пројектила, М, може се закључити да је утицај пуњења ГГ на вредност коефицијента базног отпора изражен преко температуре гасовитих продуката сагоревања пуњења ГГ, Тg, импулса убризгавања продуката сагоревања у околни ваздух, I, и односа притиска на дну пројектила и амбијенталног притиска ваздуха на пројектил током његовог лета, pB/p∞. На овај начин су дефинисани кључни параметри од чијих ће вредности зависити могућност примене потенцијалних пиротехничких састава за израду пуњења једнице ГГ. Састави за израду пуњења ГГ своју улогу остварују генерисањем одређене количине ниско-молекулских продуката сагоревања у јединици времена и попречном пресеку, што је дефинисано вредношћу импулса убризгавања гасовитих продуката сагоревања у околни флуид. Продукти сагоревања пуњења јединице ГГ својим присуством у зони подпритиска, која се формира услед опструјавања ваздуха око дна пројектила током његовог лета, имају улогу да пониште тај подпритисак и на тај начин смање базну компоненту отпора. Услови које потенцијални састав за уградњу у јединицу ГГ мора да задовољи, како би се постигао максимални ефекат рада јединице ГГ на домет пројектила, су: · да буде физички и хемијски стабилан током времена складиштења муниције у коју је лаборисан, · да обезбеди поуздану припаљивост продуктима сагоревања погонског пуњења током проласка пројектила кроз цев оруђа, · мора стабилно да сагорева и при условима декомпресије након изласка пројектила из цеви оруђа, · сагоревање пуњења ГГ треба да прати ослобађање велике количине ниско-молекулских продуката сагоревања, 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 32 · да приликом сагоревања учешће чврстих и течних продуката сагоревања у укупној количини продуката сагоревања буде што мање, с обзиром на да они не учествују у повећању притиска у рециркулационој зони, и · да температура продуката сагоревања буде што нижа. Употреба једнице ГГ ради повећања домета пројектила била је везана за уградњу у артиљеријске системе већих калибара, а њихова пуњења била су искључиво на бази композитног ракетног горива. Изузетни резултати постигнути уградњом јединица ГГ у пројектиле већих калибара подстакли су размишљање да би се слична решења могла применити и на ПВО муницију која је тренутно у употреби. Посматрајући сада искључиво пиротехничка пуњења јединице ГГ и развој њихових рецептура може се рећи да су први пиротехнички састави за израду пуњења ГГ ББ били су засновани на механичким смешама металних прахова, као гориве компоненте, соли земноалкалних метала, као оксидирајуће компоненте и везивне компонене-за хомогенизацију састава пиротехничких смеша. У тим саставима метални прахови су се налазили у „вишку“, ради накнадног сагоревања у зони подпритиска иза базе пројектила. Услед повећаног удела гориве компоненте, поменути састави имали у негативан биланс кисеоника тако да су за потпуну оксидацију користили кисеоник из околине [2]. Током усавршавања састава уочавани су недостаци оваквих рецептура тако да су увођени нови материјали који су утицали на побољшавање перформанси рада јединице ГГ, стабилности њене функције и састава продуката сагоревања. 2.3 Пиротехничке смеше Реч пиротехника потиче од грчких речи ''PYRO'' што значи ватра и ''TEHNE'' што значи искуство или умеће, одакле следи да је пиротехника наука која се бави проучавањем начина добијања и карактеризације пиротехничких састава. Пиротехничке смеше које се у војним средствима употребљавају за добијање различитих ефеката представљају механичке мешавине неколико, у већини случајева, чврстих фино уситњених компоненти. Тако оптимисане смеше 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 33 у егзотермној реакцији горења ослобађају одређену количину енергије, у одређеном простору током одређеног времена. Ефекти који се остварују процесом сагоревања у погледу брзине, количине ослобођене топлоте, светлости, гаса или дима условљени су функционалним карактеристикама сваке пиротехничке смеше. Функционалне карактеристике пиротехничких смеша зависе од великог броја различитих фактора али пре свега од састава и удела основних компоненти. Пиротехничке смеше представљају механичке смеше неорганских и органских компоненти које се могу поделити у следеће групе: · горива, · оксиданси, · везива и · адитиви. Хемијске реакције које се одвијају у процесу сагоревања реакционог система чврстих компонената специфичне су и разликују се од већине познатих хемијских реакција. Чисто хемијски гледано, процес сагоревања представља оксидо- редукциону реакцију. Како се ради о реакцијама сагоревања, уобичајени назив за редукциону компоненту је гориво, а за оксидациону оксиданс. Углавном све пиротехничке смеше у свом саставу садрже и везиво, са изузетком фото-флеш смеша. Везива се смешама додају како би се: · обезбедио интиман контакт фино спрашених честица основних компоненти, · извршила заштита компоненти пиротехничке смеше од утицаја спољашњене средине, · обезбедила хомогеност састава пиротехничке смеше у целокупној запремини, · обезбедило лакше пресовање и обликовање, и др. Поред горива, оксиданаса и везива који чине основне компоненте пиротехничких састава, пиротехничке смеше често у свој састав укључују и различите додатне компоненте које могу а и не морају да учествују у реакцијама сагоревања, а сврха им је интевизирање жељених ефеката. Према функцији коју 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 34 врше у пиротехничкој смеши поменуте компоненте могу се сврстати у следеће групе: · агенси који повећавају брзину горења - катализатори, · агенси који смањују брзину горења - ретардатори, · материје које снижавају температуру пламена, · материје које дају одређену боју пламену или га интензивирају, · материје које смањују осетљивост смеша на мехничка дејства и други додаци. 2.3.1 Компоненте пиротехничких смеша 2.3.1.1 Горива Избор горива за израду одређене пиротехничке смеше оптерећен је многобројним захтевима од којих је најважнији добијање одговарајућег функционалног ефекта. Различита природа функционалних ефеката који се добијају сагоревањем одређених типова пиротехничких смеша као што су ослобађање топлоте, светлости, гасова, дима и других захтевају употребу различитих типова горива. Према хемијској природи, горива се обично деле на органска и неорганска. Обзиром на функцију коју горива остварују у процесу сагоревања пиротехничких смеша велики број редукционих средстава би могао бити употребљен. Међутим, због посебних услова која ова средства треба да задовоље у погледу топлотног потенцијала и хемијске стабилности у пракси је у масовнијој употреби само мали број поменутих хемијских врста. Пиротехничке смеше високих топлотних потенцијала подразумевају употребу прахова метала или њихових легура. Од метала који имају практичну примену у пиротехници највише се употребљавају: магнезијум, алуминијум, цирконијум, волфрам, легуре алуминијума и магнезијума, легуре цирконијума и никла, док се ређе користе: титан, манган, цинк, антимон, молибден и други. Од неметала као гориво у пиротехници користе се: фосфор, сумпор, угљеник (дрвени угаљ, или графит), бор и силицијум. Од неорганких једињења практичну примену имају антимон(II)-сулфид, феросилицијум и калцијум-силицид. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 35 Посебну групу пиротехничких горива представљају једињења органског порекла као што су различити шећери, воскови, скроб, различити полимери и други. Није редак случај да ова једињења поред улоге горива у неким пиротехничким саставима имају и улогу везивне компоненте. Магнезијум (Mg), као једно од најчешће коришћених метала који се користе при изради пиротехничких смеша коришћен је и током истраживања за потребе ове докторске дисертације. Особине металног магнезијума као што су: релативно лака припаљивост, могућност горења са кисеоником из ваздуха, висока температура горења, чврсти и тешко топиви продукти оксидације, чине га незаменљивим горивом у великом броју пиротехничких смеша [8]. Иако изванредних особина у погледу горења, магнезијум спада у најнестабилнија пиротехничка горива која се налазе у масовној примени. Његова висока хемијска активност условљена је нормалним редокс потенцијалом (Mg/Mg2+=+2,37V). Хемијска реактивност магнезијума у воденим растворима јако зависи од pH вредности раствора, док се под утицајем влаге ствара магнезијум-хидроксид (3). Mg + 2H2O ® Mg(OH)2 + H2 + енергија (3) Ова реакција је посебно интензивна у присуству соли, као што су неки оксиданси, са којим магнезијум улази у састав пиротехничке смеше (KNO3, KClO4, Ba (NO3)2, ...). Утицај атмосфере на магнезијум у великој мери зависи од релативне влажности ваздуха. Са повећањем влажности брзина корозије постепено расте (највећа је при релативној влажности од 90%) при чему се ствара кристални магнезијум-хидроксид. Магнезијум са кисеоником из ваздуха реагује према реакцији: 2Mg + O2 = 2 MgO (4) Оксидна превлака која се ствара по површини метала не представља заштиту од даље корозије јер је некомпактна и порозна. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 36 Познато је да соли хлората и перхлората могу, услед дужег складиштења у присуству влаге, да реагују са магнезијумом и на тај начин значајно промене функционалне карактеристике пиротехничких смеша. Магнезијум се топи на температури од 649оС, а температура паљења му је нешто виша, око 1107оС, што омогућава магнезијуму у вишку да испари из смеше и са кисеоником сагори у гасовитој фази обезбеђујући додатну топлоту (и светлост) у осветљавајућим смешама. Из тог разлога није потребно додатно довођење топлоте за разлагање оксиданса. Поред металних прахова угљени хидрати представљају врло важна једињења која се користе као гориве компоненте при изради пиротехничких смеша. Угљени хидрати (шећери) припадају органским једињењима која садрже истовремено у молекулу алдехидну (или кето-) групу и неколико алкохолних група. Другим речима угљени хидрати су полихидроксилни алдехидоалкохоли (полихидрокси-алдехиди) или поли-хидроксилни кето-алкохоли (полихидрокси- кетони). Угљени хидрати су широкo распрострањени у природи, посебно у биљном свету, где чине и до 80% суве масе биљака. Угљени хидрати су један од основних чинилаца исхране. У исто време они имају и велики индустријски значај. Гране индустрије, као што су хемијска, целулозно-папирна, дрвно-прерађивачка, текстилна, прехрамбена и многе друге, баве се прерадом сировина на бази угљених хидрата. Једноставнији угљени хидрати се обично називају шећерима или сахаридима. Наставак за шећере је оза, нпр. арабиноза, глукоза, малтоза. Често се употребљава назив „гликоза“ од којег се изводи префикс глико. Генерички називи се употребљавају у ситуацијама кад се не жели посебно означити шећер или дериват. Број угљеникових атома може се изразити префиксом, на пример, шећер који има пет угљеникових атома назива се пентоза, а онај са шест угљеникових атома хексоза. Слично се може префиксом означити да ли шећер садржи алдехидну групу или кето-групу, што се означава називима алдоза и кетоза. Број угљеникових атома и врста карбонилне групе може се изразити називима на пример алдопентоза и кето-хексоза [9]. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 37 Од угљених хидрата коришћених за израду смеша за ГГ, као замена високоенергестким металним праховима, употребљени су глукоза и лактоза. Моносахариди су прости шећери и не могу се хидролизовати у простије али могу настати хидролизом олиго- или полисахарида. Деле се на алдозе и кетозе у зависности да ли у свом молекулу имају алдехидну или кето групу. Општа формула моносахарида је CnH2nOn. У пророди се чешће сусрећу хексозе C6H12O6 и пентозе C5H10O5. У зависности од оксо-групе (алдехидна или кето-група) која улази у састав моносахарида, последњи се деле, као што је претходно описано, на алдозе (полихидрокси-алдехиде) и кетозе (полихидрокси- кетоне). Од хексоза највећи значај има глукоза (грожђани шећер) и фруктоза (воћни шећер). Глукоза је представник алдоза, а фруктоза кетоза. [10] Глукоза (C6H12O6, моларна маса 180.18 g/mol) је најраспрострањенији моносахарид који спада у алдохексозе. Природна глукоза је оптички активна и скреће раван поларизоване светлости удесно због чега се често назива и декстроза. Реакцијом са HCN се добија одговарајући цијанхидрин чијом се хидролизом добија n-хептанска киселина. Пет атома угљеника и један атом кисеоника формирају такозвани „пиранозни прстен“, који је најстабилнија форма алдозе са шест угљеникових атома. У овом прстену сваки угљеников атом везан је за хидроксилну (-OH) групу с једне стране и за водоник са друге стране. Изузетак је једино пети угљеников атом који се веже за шести угљеников атом, који се налази изван прстена тако формирајући CH2OH групу. Потпуним сагоревањем глукозе у довољној количини О2 ослобађају се СО2 и Н2О и топлота, пошто је реч о егзотермној реакцији сагоревања (5). Слика 9. Молекул глукозе 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 38 C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + ΔHco, ΔHco = −2805 kJ/mol (5) Тачка топљења глукозе је, за D- глукозу, 146оС а за L- глукозу 150оС што је, у односу на друга горива која се користе у пиротехници, изузетно ниска температура топљења. Због своје доступности и ниске цене глукоза је пожељна компонента пиротехничких смеша (прелиминарна истраживања извршена су са глукозом купљеном у апотеци, трговачког квалитета). Сорбитол (C6Н14O6, моларна маса 182.17 g/mol) спада у групу моносахаридних шећера са шест угљеникових атома. Добија се редукцијом алдехидне групе молекула глукозе до алкохолне групе. Потпуно сагоревање сорбитола прати стварање СО2 и Н2О уз ослобађање извесне количине топлоте по реакцији (5). 2C6Н14O6 + 13О2 ® 12СО2 + 14Н2О + ΔHco, ΔHco = -1354.2 kJ/mol (6) Температура топљења сорбитола је 95 оС а температура кључања 296 оС. Витамин Ц (С6Н8О6, моларна маса 176 g/mol, тачка топљења 192оС) је кристална супстанца беле боје растворна у води, по хемијској структури врло блиска L-глукози. Витамин Ц представља L-енантиомер аскорбинске киселине. L- аскорбат је јак редукујући агенс, и када делује у том својству конвертује се у оксидовани облик, L-дехидроаскорбат. По IUPAC номенклатури аскорбинска киселина, односно витамин Ц представља (R)-3,4-дихидрокси-5-((S)-1,2-дихидроксиетил)фуран-2(5N)-он и његова структурна формула приказана је на Слици 11. [11] Слика 10. Добијање D-сорбитола из D-глукозе 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 39 Добија се из D–глукозе уз помоћ једног од два најраспрострањенија процеса. Reichsteinov процес, развијен 1930-их, и модерни двостепени ферментациони процес, оригинално развијен у Кини, током 1960-их, уз апроксимативни принос од 60 % за оба процеса. Уништава се на високим температурама, оксидацијом и деловањем база, а отпоран је на замрзавање. У природи се може наћи само L- облик аскорбинске киселине који је биолошки активан. Аскорбинска киселина се релативно лако оксидише кисеоником из ваздуха, а нарочито у присуству јона тешких метала (гвожђа или бакра). У одсуству кисеоника аскорбинска киселина може, без промена, издржати загревање и до 100°C. Олигосахариди су сложени угљоводоници и састоје се од два или више простих молекула шећера повезаних у један молекул. Дисахариди су једињења која се састоје од два молекула простијих шећера повезаних везом између једног угљениковог атома једног простог шећера и хидроксилне групе другог. Лактоза (С12Н22О11, моларна маса 342,30 g/mol) је бели кристални прах, веома мале слаткоће слабо растворан у хладној води. Представник је дисахарида и редукујући је шећер пошто поседује латентну карбонилну групу (слободна полуацетална ОН- група). Састоји се од два молекула, једног молекула глукозе и једног галактозе спојених естарском везом између полуацеталне ОН- групе једног молекула и исте групе на четвртом атому другог молекула. Слика 11. Витамин Ц 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 40 Лактоза спада у групу органских горива која у свом саставу садрже извесну количину кисеоника. Органска горива се често користе у изради пиротехничких смеша када је потребно поред ослобађања топлотне енергије да се обезбеди и знатна количина гасовитих продуката сагоревања. [10] При хидролизи лактоза се разлаже на α-D-глукозу и β-D–галактозу. У молекулу лактозе налази се полуацетални хидроксил (у остатку глукозе) и зато лактоза постоји у два таутомерна облика, од којих је један алдехидни. Лактоза, као горива компонента, нашла је широку примену код пиротехничких смеша за генерисање обојених димова, због ниске тепмературе сагоревања тих састава која је довољно висока да преведе пигмент у стање паре а опет довољно ниска да не изазове његову деградацију. У тим смешама лактоза се углавном комбинује са калијум-хлоратом као оксидансом. Лактоза спада у групу органских горива, опште молекулске формуле CxHyOz. За потпуно сагоревање мола ове врсте горива потребно је 2х+у молова атома кисеоника (било да он потичеиз самог молекула горива, слободаног кисоника из атмосфери у којој гориво сагорева или из оксидационог средства као друге основне компоненте пиротехничке смеше). Потпуним сагоревањем једног мола овог горива ослобађа се х молова угљен-диоксида и у/2 молова воде. 2.3.1.2 Оксидациона средства Ограничења везана за сужење избора потенцијалних горивих компоненти специфичних пиротехничких смеша, услови горења и ефекти који се желе добити њиховим сагоревањем условљавају избор врсте и количине оксиданса. Слика 12. Молекул лактозе 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 41 Реакција оксидације горива на рачун редукције оксиданаса у највећем броју случајева подразумева измену кисеоника, или у неким случајевима халогених елемената (код димних смеша долази до измене хлора). Од флуорних једињења практичну примену је нашао само тефлон (политетрафлуоретилен) и то у смешама магнезијум-тефлон. Углавном се као оксиданси употребљавају чврста оксидациона средства у облику финог праха (изузетно се могу употребити и неки течни оксиданси). Поред постизања функционалног ефекта оксиданс мора бити хемијски постојан у температурном интервалу који је карактеристичан за услове складиштења муниције у којој се пиротехнички састави налазе лаборисани. Пошто се од оксиданса захтева да обезбеди довиљну количину кисеоника за сагоревање, пратично, ови материјали представљају крајње оксидационе продукте елемената што их чини инертним према дејству атмосферских гасова. Узимајући у обзир ову чињеницу, питање стабилности оксиданаса има другачији карактер у односу на стабилност горива. Утицај оксиданса на квалитет и особине пиротехничке смеше условљен је његовим физичким и хемијским особинама, а пре свега: · склоност ка стварању агломерата – згрудњавања, · хидроскопност, · температура топљења, · температура распадања - отпуштања кисеоника, · температура редукције у присуству горива. Свака од ових карактеристика може исказати огроман утицај на особине пиротехничких смеша. Фини прахови многих оксиданаса показују тенденцију да временом стварају агломерате односно увећана зрна велике тврдоће. За време дугог складиштења ова појава често доводи до промене карактеристика пиротехничких смеша. Ова појава настаје због дејства влаге и притиска између честица основних компонената пиротехничких смеша. Физичка нестабилност проузрокована стварањем агломерата, позната је и може се успешно отклонити 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 42 додатком малих количина нерастворних супстанци у облику праха, нпр. Магнезијум-карбонат, калцијум-карбонат и калцијум-фосфат. Посебно важна особина оксиданса, која велики број материјала искључује из употребе у пиротехници је хидроскопност. Ова особина, да под одређеним условима везују влагу из ваздуха, није ексклузивна карактеристика само материјала растворних у води. Док се хигроскопност нерастворних материјала објашњава активним дејством површине и капиларношћу, овај процес код материјала растворних у води има другачији карактер. Процес „упијања“ влаге од стране потпуно сувог материјала почиње на тај начин што се од адсорбоване влаге на површини и у капиларима чврсте супстанце ствара слој воде. После тога на површини кристала, супстанце која се раствара у води, ствара се танак слој засићеног раствора. Ова појава, нормално, у многоме зависи од релативне влажности ваздуха. За сваку супстанцу, на одређеној температури, може се одредити релативна влажност ваздуха при којој она не апсорбује влагу. Ова вредност релативне влажности назива се хидроскопном тачком и она зависи од температуре. Хидроскопна тачка служи као критеријум хидроскопности неке супстанце, што је она већа то је супстанца мање хидроскопна. Нечистоће заостале након синтезе многих супстанци које се користе у изради пиротехничких смеша, често имају велики утицај на хидроскопност основног материјала, из тог разлога је понекад ослањање на хидроскопне тачке чистог материјала непоуздано. Влага може проузроковати промене на самим хигроскопним компонентама које су последица хидролизе или дејства угљен- диоксида из ваздуха. Она често представља погодну средину за реакцију између компонената пиротехничке смеше, што је од посебне важности ако се као гориве компоненте користе магнезијум, алиминијум или њихове легуре. Могућност јонске измене између оксиданаса и горива у присуству влаге искључује могућност употребе соли свих метала чији је нормални редокс потенцијал електронегативнији од оног за метал који се користи као горива компонента у претпостављеној пиротехничкој смеши. Како рекодс потенцијал служи као мерило хемијске активности неког елемената логичан је закључак да би најбоља горива требала да буду изразито 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 43 електропозитивни елементи. Нормални редокс потенцијал за алуминијум је + 1,66V а за магнезијум + 2,38V. Позитивније електропотенцијале од алуминијума имају: литијум, калијум, баријум, стронцијум, калцијум и натријум, те једино њихове соли долазе у обзир као оксиданси. При том треба истаћи да су соли литијума веома скупе а калцијума веома хигроскопне, тако да у обзир долазе само соли кисеоничних киселина то јест, нитрати, хлорати, перхлорати и хромати (натријума, калијума, баријума, стронцијума). Поред соли практичну примену, као оксиданси, имају и оксиди гвожђа, олова, мангана и бакра као и неки метални пероксиди као што су баријум- пероксид и стронцијум-пероксид. Примена пероксида је ограничена пре свега због њихове физичке и хемијске нестабилности. Калијум-хлорат, KClO3, је бела, кристална супстанца, ниске хигроскопности са учешћем кисеоника од 39,2 % у укупној маси. Од хемијских једињења која имају практичну примену у пиротехничким смешама хлорати спадају у групу најснажнијих оксидационих средстава. Ова једињења због својих изражених оксидационих особина спадају у групу материјала опасних за руковање. Експлозивно реагују са већином редукционих средстава, а у првом реду с органским материјама. Било је много покушаја да се хлорати замене мање активним материјалима, али се ни до данас није у потпуности успело у томе. У многим пиротехничким смешама су незаменљиви, нарочито у иницијалним где је неопходно да мали импулс иницира смешу и покрене ланац самоодрживих реакција. Употребљава се за израду смеша које ослобађају обојене димове, за израду петарди, шибица и ватромета. Смеше у чији састав улази KClO3 су прилично склоне самозапаљењу, посебно ако у састав тих смеша улазе и компоненте са сумпором. Калијум-хлорат има ниску температуру топљења, 356оС, након које одмах почиње и његова декомпозиција која је изузетно бурна на температурама око 500оС: 2KClO3 ® 2KCl + 3O2 (7) 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 44 Реакција декомпозиције KClO3 (7), за разлику од других оксидатора, је егзотермног карактера што значајно утиче на његову нестабилност. Топлота ослобођена на овај начин смањује енергију коју је потребно довести да би се таква смеша припалила. Ниске температуре паљења пиротехничких смеша се добијају уколико у одређеном проценту садрже сумпор или нека органска горива са ниском температуром топљења, док су више температуре иницијације резервисане за смеше са металним праховима због њихове високе температуре топљења. Неотпорност смеша са KClO3 на утицај киселина, објашњава се ослобађањем ClO2 гаса који представља јако оксидационо средство, довољно јако да покрене оксидо-редукционе процесе у смеши. Калијум-перхлорат, KClO4, је бела, нехигроскопна кристална супстанца са температуром топљења око 540оС и знатно вишој температури декомпозиције. Реакција декомпозиције калијум-перхлората је благо егзотермна: КClO4 ¾¾¾¾ ®¾топлота КCl + 2O2 (8) Карактеристично је да се у његовом присуству и другим оксидансима снижавају температуре декомпозиције, па се често додаје пиротехничким смешама у количини од неколико процената само да би се снизиле њихове температуре паљења. Посебно је интересантна комбинација калијум-перхлората и баријум-нитрата. У овом случају ствара се еутектичка смеша која се топи на релативно ниској температури уз истовремену декомпозицију калијум- перхлората. Коришћењем ове комбинације оксиданаса са алуминијумом, добија се пиротехничка смеша која се пали на 400оС. Због наведених особина КClO4 је у великој мери заменио нестабилни КClO3 у изради пиротехничких смеша. Уколико се перхлорат налази у хемијски чистом стању термички је веома стабилан. Током загревања нема никаквих промена до 300оС када долази до промене кристалне структуре, односно до прелаза из ромбичне у кубичну. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 45 Смеше калијум-перхлората са металима су подложне експлозивном сагоревању уколико се нађу у условима ограничене запремине и густине пуњења. Због виших температура топљења, декомпозиције и мање количине топлоте која се при томе ослобађа, смеше у којима се налази КClO4 су мање осетљиве на спољашње импулсе (трење и удар) од оних са КClO3. Калијум-нитрат, KNO3, своју велику распрострањеност у модерној пиротехници дугује својој приступачности, ниској цени и малој хигроскопности. Међутим и најмања онечишћења у виду MgCl2 или CaCl2 значајно му повећавају хигроскопност. Осетљивост смеша са KNO3, везује се за ниску температуру топљења 334оС, док се његова декомпозиција уз ослобађање активног кисеоника одвија на вишим температурама: 2KNO3 ¾®¾ К2О + N2 + 2.5 O2 (9) Услед ендотермности реакције (9), за смеше са калијум-нитратом потребно је користити високоенергетска горива. Уколико се тај услов не испуни, већ се при изради смеша са KNO3 користе органска горива, реакција декомпозиције ће се одвијати на следећи начин: KNO3 ¾®¾ КNO2 + 1/2 O2 (10) Оваква декомпозиција калијум-нитрата ће утицати на процес сагоревања, састав продуката сагоревања и самоодрживост сагоревања такве смеше. Употреба калијум-нитрата, као оксиданса, у изради димних састава ограничена је њиховом ниском температуром сагоревања. 2.3.1.3 Везива Везиво по правилу сачињавају мале количине органских материја чији је основни циљ добијање компактне-хомогене пиротехничке масе, спречавање раслојавања и агломерације компонентата смеше, олакшавање процеса пресовања, постизање максималне густине пуњења, олакшавање иницирања смеше, итд. У погледу стабилности ове материје имају заштитно својство које се испољава физичком изолацијом компоненти пиротехничких смеша пресвучених 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 46 танким слојем везива од негативних атмосферских утицаја. По правилу су то органске материје које су нерастворне у води и нису хигроскопне. Углавном се материје које се користе као везиво лако оксидишу кисеоником из оксидационог средства, што практично значи да у смешама имају улогу секундарне гориве компоненте. При изради пиротехничких смеша најчешће се користе: фенолформалдехидна смола (идитол), шелак, колофонијум, калцијум- резинат, нитрат целулозе, етил-целулоза а у последње време флуорел и кел-Ф. Задња два поменута везива за разлику од осталих у пиротехничким смешама се понашају као секундарна оксидациона средства а не као секундарне гориве компоненте. Сва претходно побројана везива, са изузетком нитрата целулозе, веома су стабилна и отпорна на атмосферске утицаје. Под утицајем повишене температуре ослобађају гасовите продукте. Међутим, температуре деградације већине поменутих везива су прилично високе и углавном су изнад 200оC. Нитрат целулозе је отпоран на влагу али је изузетно осетљив на температурне осцилације и временом се полако распада ослобађајући нитрозне гасове који имају каталишуће дејство и врше додатну дестабилизацију одређене пиротехничке смеше. Политетрафлуороетилен, (─CF2–CF2─)p PTFE, је полимер тетрафлуоро- етилена који је синтетисан први пут 1946. године у фабрици Dipon, САД. Нешто касније је уследио и процват његове индустријске примене широм света. Добре карактеристике и лакоћа његове производње допринели су његовој широкој примени. PTFE је хемијски врло стабилно једињење, како на утицај киселина тако и база. Такође, одликује га и добра термичка стабилност и нерастворљивост у било којем познатом растварачу [13]. Почетком 60-тих већ је било познато да PTFE прах помешан са металним праховима магнезијума или алуминијума бурно сагорева [14, 15]. Од тада у врло кратком временском периоду обављена су интензивна истраживања пиротехничких смеша на бази PTFE у улози оксиданса [16-31]. Прва истраживања су се фокусирала на испитивању Mg/PTFE смеша [16- 18, 20, 27]. Ове смеше имају неколицину предности у односу на сличне пиротехничке саставе: високе вредности енергетског потенцијала, ниску хидроскопност, високу стабилност, безбедност при изради и руковању са смешама, једноставну технологију производње и пресовања, брзина сагоревања 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 47 ових састава је отпорна на утицај температуре и притиска. Теретски за израду пиротехничких састава са PTFE као горива компонента може се употребити било који елемент чија је хемијска веза јача од угљеник-флуор везе. Смеше следећих елемената са PTFE могу се наћи у доступној литератури Al/PTFE, B/PTFE, Ti/PTFE, Si/PTFE and Zr/PTFE [16,23,24,27-30]. Витон А, [(─CH2CF2)m(─CF2–C(CF3)F─)p]n, је кополимер винилиден- флуорида и хексафлуоропропилена који има широк спектар примене, како у војној тако и у цивилној индустрији. У војној индустрији користи се у изради пиротехничких смеша и гранулисаних експлозива као везивна компонента- флегматизатор. Предности Витона А у односу на сличне материје су линеарно- ланчаста структура и присуство флуора, захваљујући чему је Витон А инертан према различитим уљима, воденој средини и многим агресивним течним супстанцама. Термопластичан је, што омогућава његову примену у широком температурном опсегу чак и при екстреним променама температуре и притиска. Темпаратура декомпозиције Витона А налази се изнад 370оС, а за разлику од тефлона, Витон А, се раствара у ацетону, етил-ацетату, метил-изобутил-кетону и тетрахидрофурану што га чини погодним за употребу у пиротехничким смешама у функцији везивне компоненте. У пиротехничким смешама употреба Витон А у старту била је ограничена на функцију везива при изради Mg/PTFE састава, ради побољшавања хомогености и пресивости смеше. Додатак до 20 % витона А у пиротехничке ссмеше са PTFE не остварује значајнији утицај на функционалне карактеристике ових смеша. 2.3.1.4 Адитиви Хомогена механичка смеша одабраног горива и оксиданса са мање или више везива често није довољна да би се постигли жељени ефекти. Како би се обезбедила што боља хомогеност неке пиротехничке смеше пожељно је, пре свега, користити што мање компоненти приликом њене израде што је, врло често, ограничавајући ефекат у постизање одређеног ефекта. Због тога су честе комбинације два горива или два оксиданса а понекад се додају и супстанце које не спадају ни у једну од поменутих група, а које имају активну улогу у функцији пиротехничке смеше. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 48 Према тој улози ови додаци се деле на: · убрзивачи и успоривачи горења, · материје које интевизирају боју пламена, · каталитички додаци, · додаци који смањују осетљивост на механичка дејства, · додаци који умањују или онемогућавају нежељено дејство влаге, · додаци који штите смешу од дејства статичког електрицитета, итд. 2.3.2 Подела (класификација) пиротехничких смеша Подела пиротехничких смеша одувек је била предмет спора између аутора који су објављивали радове из ове области тако да се данас могу сусрести различите поделе. Најпотпунију и најсвеобухватнију поделу по мишљењу многих дао је А. А. Шидловский [13]: · осветљавајуће смеше, служе за лаборацију у пројектиле чија је намена осветљавање одређеног простора ноћу. Главна одлика ових смеша је генерисање светлости одређене јачине током одређеног временског интервала, · фотофлеш смеше, служе за лаборацију различитих пројектила чија је улога да у врло кратком временском интервалу осветле одређени објекат или део терена ради фотографисања у условима мале видљивости-ноћу и углавном из ваздуха, · трасерне смеше, лаборишу се у трасере пројектила и намена им је да учине путању лета пројектила видљивом стрелцу како би могао да на основу визуелних података изврши корекцију параматара од којих зависи прецизност гађања. Код ових смеша веома је битна и боја пламена. Трасери могу бити ноћни или дневни, а могу да дају и сигнал у видљивом или ИЦ спектру, · сигналне смеше, лаборишу се у различита сигнална средства која могу бити ноћна или дневна и служе за давање различитих сигнала или за обележавање одређених места, · запаљиве смеше, лаборишу се у различите пројектиле намењене за уништавање војне технике, одбранбених средстава, као и за уништење живе силе непријатеља. Ефекат ових смеша одређује се брзином и 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 49 сигурношћу паљења разних материјала стварањем великог пожара чије се жариште карактерише високом температуром. Ове смеше сагоревају уз ослобађање велике количине вреле шљаке-чврстих остатака који ће прогорети и најотпорније материјале, · димне смеше, служе за лаборацију димних кутија различитих намена. Постоје маскирни димови који имају улогу заштите сопствених снага и технике од непријатељског осматрања и гађања у видљивом и ИЦ спектру као и од термовизијског осматрања или обојени димови који служе за давање разних сигнала или обележавање одређених битних тачака на терену, · успорачке смеше, лаборишу се у елементе чија је улога обезбеђење одлагања жељеног ефекта од почетног сигнала, било да је реч о експлозији, припаљивању, итд. · иницијалне смеше, лаборишу се у разне иницијалне каписле или електрозапаљиве главице које служе за иницирање других смеша, најчешће припалних, · припалне смеше, намена им је припаљивање погонски пуњења ракетних мотора или различитих пиротехничких средстава лаборисаних неком од горе наведених смеша, и · смеше за гасогенераторе, намена ове врсте пиротехничких смеша је генерисање нискомолекулских гасовитих продуката чија је функција неутрализација подпритиска који се јавља иза дна пројектила, током његовог лета од уста цеви оруђа до циља. Без обзира којој од побројаних група одређена пиротехничка смеша припада она мора да испуни следеће основне захтеве: · да је потпуно сигурна при руковању и чувању без могућности превременог дејства, · функција поменуте смеше мора да задржи жељени ниво током периода складиштења. Да би одређена пиротехничка смеша могла бити лаборисана у одређено пиротехничко средство мора задовољити следеће особине: 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 50 · изражену функционалну карактеристику која представља основу функције пиротехничког елемента у који је лаборисана, · одговарајућа брзина сагоревања током предодређеног временског интервала, · физичку и хемијску стабилност током дужег временског периода, · што је могућа мања осетљивост на механичке и топлотне импулсе а да се не наруши поузданост иницијације у жељеном моменту, · минимална или никаква експлозивна својства, сагоревање смеше не сме прећи у детонацију, · да продукти сагоревања буду што мање отровни што је посебно изражен захтев код маскирних димова, · да процес израде поменуте пиротехничке смеше буде што једноставнији, · да компоненте од којих се израђује смеша нису скупе и · да смеше у пресованом стању постижу и задржавају одговарајуће механичке карактеристике. Код израде пиротехничких смеша које треба да задовоље горе постављене захтеве изузетан акценат се ставља на избор компоненти и прорачун састава смеше, при чему је неопходно узети у обзир физичко хемијске особине горива и оксиданса, њихову компатибилност као и компатибилност са другим компонентама које улазе у састав одређене пиротехничке смеше. 2.3.3 Принципи избора и прорачуна састава пиротехничких смеша Да би се постигао жељени ефекат (функционалност) пиротехничке смеше, најпре се води рачуна о избору компоненти, а потом о односу у којем ће се наведене компоненте мешати. Проблем односа компоненти је веома сложен уколико се смеша састоји од три и више основних компоненти. Поменути проблем је толико сложен за неке смеше да се рачунским путем и не може решити, већ се прибегава експерименталном одређивању. У пракси се срећу смеше са по седам и више компоненти тако да је било какав прорачун скоро немогућ, пошто не могу да се утврде реакције које се одвијају и како се добијају коначни продукти. У овом делу рада биће приказано 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 51 неколико примера прорачуна двојних и тројних смеша. Циљ прорачуна је максимални учинак одређене смеше кроз одређивање оптималног стехиометријског односа основних компоненти. Реалност, са друге стране, ради постизања истог циља диктира другачији приступ. Смеше мањих брзина сагоревања чија горива лако ступају у оксидо- редукционе реакције са кисеоником, горива компонента се додаје у сувишку јер ће део тог горива сагорети са кисеоником из ваздуха и постићи сличан ефекат као да је једини извор кисеоника за сагоревање потицао из оксиданса инкорпорираног у смеши. Запаљиве смеше су друга крајност пошто се код њих оксиданс додаје у сувишку како би се подржало горење запаљеног материјала. Да би се добила рецептура за двојну смешу најпре је неопходно написати једначину реакције сагоревања и да се на основу ње накнадно изврши прорачун масених садржаја компоненти у смеши. Па чак и овако темељан приступ оптимизацији састава не може да претпостави све могуће сценарије њеног сагоревања и све реакције које за последицу имају формирање одређених продуката сагоревања, као што ће показати следећи пример. Пример 1: Одређивање састава двојне смеше Мg и Bа(NО3)2. Једначине сагоревања претпостављене пиротехничке смеше гласи: 5Мg + Bа(NО3)2 = BаО + N2 + 5МgО (11) По овој једначини 121,5 g Мg реагује са 261 g Bа(NО3)2. Када се прорачуна у % добија се : Mg%32 5.382 1005.121 »× и 23 )(%685.382 100261 NOBa»× . (12) Познато је, међутим, да у недостатку кисеоника магнезијум реагује са азотом, те једначина горења горе наведених компоненти може имати и следећи облик: 8Мg + Bа(NО3)2 = BаО +Мg3 N2 + 5МgО (13) 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 52 Тада је састав смеше сасвим другачији: Mg%43 4.455 1004.194 »× и 23 )(%574.455 100261 NOBa»× . (14) Код неких смеша, састав се с намером оптимише са негативним билансом кисеоника како би се у комори за догоревање извршила накнадна оксидација (код набојно-млазних пројектила). Пример 2: Одређивање састава двојне смеше КNО3 и идитола (фенолформалдехидна смола). Прорачуни везани за сагоревање идитола користе упрошћену формулу C13H12О2 док се сагоревање идитола може извести са неутралним или негативним билансом кисеоника као што се види из наредних реакција: 12КNО3 + C13H12О2 = 6К2О + 6N2 + 13CО2 + 6H2О (15) 34КNО3 + 5C13H12О2 = 17К2О + 17N2 + 65CО + 30H2О (16) На основу прве стехиометријске једначине добија се следећи однос основних компоненти КNО3 =86%, идитол = 14%, док је на основу друге тај однос КNО3 = 77%, а идитола = 23%. Много сложенији су прорачуни за тројне смеше. Пример 3: Одређивање састава тројне смеше Мg - Bа(NО3)2 - идитол (под условом да целокупна количина идитола подлеже потпуној оксидацији до CО2 и H2О). Јеадначина сагоревања Мg са Bа(NО3)2 дата је у Примеру 1, док се једначина сагоревања идитола са Bа(NО3)2 одвија по следећој једначини: 6Bа(NО3)2 + C13H12О2 = 6BаО + 6N2 + 13CО2 + 6H2О (17) Састави двојних смеша су следећи: Bа(NО3)2 - 68% Bа(NО3)2 - 88% Мg- 32% идитол- 12% 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 53 Из горе наведених састава двојних смеша можемо израчунати састав неке тројне смеше. Рецимо да 4% идитола у смеши сасвим задовољава потребе смеше за садржајем везива. Што значи да би тројну смешу чинило 2/3 прве смеше и 1/3 друге смеше. Прорачунавањем тројна смеша би имала следећи састав: Ba(NO3)2 - %75 3 188 3 268 =×+× идитол- %4 3 112 =× Мg- %21 3 232 =× Оваква рецептура пиротехничке смеше није оптимална и састав тројне смеше је само орјентациони, пошто нису узети у обзир функционални ефекти које та смеша треба да испољи због чега се одређивање коначног састава и његова верификација врши кроз експериментална испитивања. 2.3.3.1 Биланс кисеоника Функција пиротехничких смеша лаборисаних у пиротехничке елементе остварује се кроз одређене ефекте (звучни (прасак), визуелни (димови различитих боја, трасери, осветљавајуће бакље, сигнална муниција), запаљиви, успорачки или неки други ефекат). Заједничка особина за скоро већину поменутих пиротехничких смеша је тежња ка независном одвијању процеса сагоревања од услова околине у којој остварују своју функцију. Потпуну независност процеса сагоревања у реалним условима је скоро па немогуће постићи, али се кроз процес оптимизације састава може обезбедити, рецимо, независност сагоревања пиротехничке смеше од присуства атмосферског кисеоника депоновањем довољне количине кисеоника у молекулима оксиданса пиротехничке смеше. Депоновани кисеоник је доступaн горивој компоненти за одвијање оксидо- редукционих реакција термичком деградацијом оксиданса. У суштини први корак у оптимизацији састава сваке пиротехничке смеше представља одређивање стехиометријске једначине оксидо-редукционог процеса сагоревања чиме се добија поребан однос гориве компоненте и оксиданса за неутралан биланс 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 54 кисеоника. У већини случајева за неутралан биланс кисеоника везују се и највише вредности брзине сагоревања али то никако не сме да се узме као правило, јер је процес сагоревања пиротехничких смеша изузетно компликован и зависи од великог броја параметара који остварују значајан утицај на његову брзину (спољашњи притисак, температура, одвијање процеса сагоревања у условима ограничене запремине, и тд.). Постављање стехиометријске једначине представља први проблем, пошто се на различитим температурама формирају различити продукти сагоревања који су саставни део поменуте једначине, тако да је прецизно дефинисање продуката сагоревања, а самим тим, и стехиометријске једначине готово немогуће. Међутим, увек је могуће изабрати једну од могућих једначина која обухвата већину продуката сагоревања. Најчешће је реч о једначини у којој продукте сагоревања представљају најстабилније врсте које могу да настану сагоревањем одређеног пиротехничког састава. У овој дисертацији биће приказан једноставан начин прорачуна биланса кисеоника коришћењем методе Пиро-валенце (ПВ). Метода ПВ у односу на друге методе прорачуна биланса кисеоника има предност због тога што пиротехнолозима омогућава податак о билансу кисеоника неког састава у врло кратком временском року и уз употребу врло простог математичког модела који може бити аутоматизован и у бесплатним програмским пакетима као што је рецимо MS Exсel. Једноставност методе ПВ лежи у томе што је базирана на оксидационом броју сваког хемијског елемента стехиометријске једначине у његовом најстабилнијем облику. Значи, у питању су константне вредности, доступне за све хемијске врсте у којима би одређени хемијски елемент могао да се нађе као продукат процеса сагоревања. Како би ово било јасније за схватање, приликом одређивања валенце, азот би имао валенцу 0, пошто се претпоставља да се у продуктима сагоревања он најчешће налази у виду N2 молекула, валенца угљеника би била +4 због претпоставке да се ради о потпуној оксидо-редукцији при којој се издваја СО2, и тд. Користећи се тако добијеним валенцама, за сваки хемиски елемент понаособ, могуће је израчунати валенцу сваког молекула стехиометријске једначине и на једноставан начин прорачунати потребну масу оксиданса и горива да би се хемијска реакција била стехиометријска. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 55 Прорачун биланса кисеоника (пиро-валенце) неке предефинисане смеше биће објашњен у следећем примеру. [8] Пример.4 1 1 2 4 4 2K Cl O Ti KCl TiO + - - ++ ® + Маса, g 80 20 Моларна маса, g/mol 138,6 47,9 Број молова компоненте, mol 0,577 0,418 Валенца -8 +4 Валенца за масу компоненте -4,62 +1,67 На основу овога види се да је збир пиро-валенци смеше -2,95 што говори да је смеша богата кисеоником-има позитиван биланс кисоника. 2.3.3.2 Удео везивне компоненте Утицај удела везивне компоненте на хемијску стабилност, а последично и на вредности БС, пиротехничких смеша је свакако значајан и иако се повећањем удела везива у некој пиротехничкој смеши по правилу побољшавају особине као што су: лакше мешање компоненти, боља хомогеност смеше, боља отпорност на статички електрицитет и атмосферске утицаје (повишена релативна влажност), утицај на брзину сагоревања је доста сложенији. Повећањем удела везива постижу се различити утицаји на брзину сагоревања у зависности како од врсте везива тако и самог састава пиротехничке смеше. Рецимо, уколико се ради о идитолу, честа је појава да повећањем удела идитола долази до побољшања припаљивости смеше и повећања брзине сагоревања. Позитиван утицај на припаљивост и брзину сагоревања везан је за снижење температуре самозапаљења услед повећаног удела компоненте која се разлаже на нижој температури (пошто је идитол богат атомима угљеника, водоника и кисеоника) и сагорева са кисеоником из оксиданса ослобађајући топлоте доступну за иницијацију и подржавање процеса оксидо-редукције компонената пиротехничке смеше. Нека истраживања су указала да се повећањем удела идитола у смеши повећава брзина сагоревања, међутим, са друге стране поступак зрнчања смеше са уделом идитола преко 15 % је скоро неизводљив. [31] 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 56 Повећање удела Витона А у смеши карактерише негативан утицај на вредности брзине сагоревања и позививан утицај на отпорност на атмосферске утицаје чак и при уделима Витона А мањим од 10 %. Испитивања утицаја удела везива (Витона А) на брзину сагоревања пиротехничких састава на бази органског горива у овој дисертацији су извршна ради утврђивања оптималног удела везива са аспекта задовољења услова хемијске стабилности (биће испитана у наредном периоду) и брзине сагоревања. 2.3.4 Технологија израде пиротехничких смеша Технологија израде пиротехничких смеша је позната, и суштински се није мењала од самих зачетака. Битнијих разлика у производњи пиротехнчких смеша некада и сада нема, осим што су се неке фазе производње модернизовале па се више не врше ручно већ машински, такође, и безбедност током производње је на много вишем нивоу. Иначе, фазе израде пиротехничких смеша мање-више су остале исте. Сама израда пиротехничких смеша није детаљније описана у литератури и то из више разлога. Пре свега, израда пиротехничких смеша је занат и израда појединих фаза се учи искуствено кроз праксу. Поједине фазе израде, изглед смеше или специфичан тренутак производње смеше немогуће је описати једним термином, па се прибегава описним дефиницијама као на пример „коегзистенција погодна за зрнчање“-термин који се користи за специфично стање смеше погодне влажности (засићености растварачем), оптималне за процес формирања зрна смеше. Данас, у озбиљним војним фабрикама где се пиротехничке смеше израђују, овај процес је модернизован и све фазе се изводе машински, путем даљинских команди. Ручна производња смеша још увек је заступљена у земљама са јефтином радном снагом и ниским технолошким нивоом, као и током развоја и освајања нових састава када се праве мале количине ради испитивања. Све фазе израде пиротехничких смеша било да се оне производе ручно или машински су потпуно исте. Без обзира да ли се израда пиротехничких смеша одвија ручно или машински веома је опасна и увек, без обзира на примењени степен пиротехничке безбедности и придржавање прописа постоји реална опасност од паљења. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 57 Ипак, придржавањем прописа и мера безбедности на раду минимализује се могућност настанка несреће, и што је најважније, повређивања лица директно или индиректно укључених у израду пиротехничких смеша. Инциденти током израде и руковања пиротехничким смешама дешавају се и најискуснијим пиротехничарима, што додатно потенцира придржавање поменутих мера безбедности при раду. [32] 2.3.5 Израда пиротехничких смеша 2.3.5.1 Припрема сировина. Пре припреме сировина за израду пиротехничких смеша, врши се провера квалитета сировина, тј. да ли оне задовољавају захтеве прописане одређеним стандардима. Припрема сировина састоји се од следећих операција: сушење, млевење и просејавање. Како влага има велики утицај на стабилност пиротехничких смеша, садржај влаге у сировинама који улазе у састав пиротехничких смеша не сме прелазити 0,4 %, из тог разлога их је неопходно сушити док се садржај влаге не спусти испод дозволјеног нивоа. Гранулација основних компонената је врло битан параметар који има значајан утицај на функционалне карактеристике. Да би функционалне карактеристике биле репродуктивне, између шаржи једне исте смеше, неопходно је сировине самлети а потом извршити њихову сепарацију тј. раздвајање по фракцијама-гранулацији и при изради одређене смеше користити искључиво једну, дефинисану, гранулацију за сваку компоненту поменуте смеше. Млевење сировина се врши на млиновима (постоје више типова). Сепарација веома ситних фракција код којих је величина честица испод 10 mм врши се у посебним флуидизираним сепараторима. Након поменутих припрема, проверава се садржај влаге и гранулометриски састав сировине, након чега се поменуте сировине могу уградити у неку пиротехничку смешу. Неке сировине (магнезијум, алуминијум итд) се не припремају на горе поменути начин већ се купују са већ познатим средњим пречником. Код оваквих сировина врши се само провера квалитета сировине, тј. да ли она задовољава захтеве одговарајућег стандарда. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 58 2.3.5.2 Сува хомогенизација Сува хомогенизација је механичко мешање прахова сировина од којих се смеша састоји. Мешање прахова се може вршити ручно протеривањем кроз сито, одређене величине отвора, неколико пута (обично четири до пет пута) док смеша не буде хомогена. Уколико у састав смеше улази више од три компоненте прибегава се вишефазном хомогенизовању. Тада се на пример најпре мешају оксиданси и горива одвојено, па се онда врши њихово састављање и хомогенизација. Циљ ове операције је да се постигне што већа хомогеност основних компоненти. Ова операција се може вршити и машински у бубњевима са спиралом или у В-мешачима. Време мешања се одређује експериментално за сваку смешу понаособ. 2.3.5.3 Растварање везива Везиво се, механичкој смеши основних компонената, обично додаје у облику раствора а онда се из раствора просушивањем или преципитацијом наноси на честице смеше. Уколико је везиво нека епокси маса, у том случају се у овој фази врши мешање смоле и очвршћивача у одређеном односу. У зависности од врсте везива користе се и различити растварачи. Растварање везива врши се у различитим лабораторијским чашама или боцама непрекидним мешањем или мућкањем док се везиво потпуно не раствори. Количина растварача се подешава тако да омогући растварање целукопне количине везива. Количина растварача може бити и већа уколико то поступак израде смеше захтева. 2.3.5.4 Мешање суво хомогенизоване смеше са раствором везива Уколико се ова фаза ради ручно, у растворено везиво оје се налази у порцеланском или месинганом суду додаје се суво хомогенизована смеша. Мешање се врши порцеланским или стакленим тучком. Током ове операције врши се „утрљавање смеше“ како би се свака честица смеше што боље „оквасила“ раствором везива и растварача. Истовремено, овом операцијом се врши и просушивање смеше до „коегзистенције погодне за зрнчање“ кроз испаравање растварача. Уколико се растварач налази у вишку, просушивање се може вршити и топлим ваздухом. Да би се везиво што равномерније нанело и како би 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 59 прекривеност честица смеше везивом била што већа, неопходно је константно мешање смеше. Уколико се везиво из раствора, на честице суво хомогенизоване смеше, наноси преципитацијом, након додавања сувохомогенизованих компонената смеше раствору везива додаје се нови растварач у коме се везиво не раствара а који се добро меша са растварачем у коме је везиво претходно растворено. Након додавања другог растварача, долази до преципитације везива и оно се равномерно распоређује по чврстим компонентама пиротехничке смеше. Након тога се врши декантација смеше растварача, смеша се мало просуши и припреми за зрнчање. Ова операција се такође може вршити машински у гњеталицама или посебним мешачима. Неке смеше (успорачке) је боље израђивати у гњеталицама јер код њих је веома важно да се изврши што боље „утрљавање“ компонената смеше са везивом како би се обезбедила висока репродуктивност брзине сагоревања која је код ових смеша врло битна функционална карактеристика. Ручним путем тај степен репродуктивности без обзира на уложени труд је тешко постићи. 2.3.5.5 Зрнчање смеше Након просушивања смеше до стања погодног за зрнчање, следи зрнчање смеше кроз месингана сита одређених отвора. У овој фази се „протеривањем“ смеше кроз поменута сита врши формирање гранула-зрнаца пиротехничке смеше. Од садржаја заосталог растварача у смеши која се зрнча зависиће изглед зрна смеше. Уколико је садржај растварача већи од оптималног, добијају се зрна која више личе на резанце него на правилно обликована зрна. Оваква зрна пиротехничке смеше имају смањену слободну површину а отуда и мању брзину сагоревања. Овако прозрнчана смеша поред наведеног недостатка може да изрази још неке мане у фазама сушења (долази до лепљења гранула и формирања дискова који су неподесни за даљу употребу), пресовања или лаборације такве смеше у одређене пиротехничке елементе. Са друге стране уколико је смеша „сувља“ него што би требало, приликом протеривања смеше кроз месингана сита доћи ће до лома формираних гранула и стварања прашине. Поменута прашина је непожељна, пошто њен састав није хомоген и садржи мању количину везива, тако да је подложнија спољашњим утицајима и иницијацији при „грубљој“ манипулацији. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 60 2.3.5.6 Сушење смеше Сушење смеше након зрнчања врши се у сушницама са воденим омотачем или сушницама које се загревају топлим ваздухом доведеним са стране. Смеша се распоређује по месинганим тацнама у танком слоју и суши на 65±5oC док садржај испарљивих материја у смеши не буде испод 0,4%. Уколико се као везиво користи епокси маса онда се сушење врши након пресовања, када се врши умрежавање. 2.3.5.7 Пресовање Уколико се смеше не користе у облику зрна онда се пресовањем или екструзијом обезбеђује облик који је потребан за лаборацију у одређени пиротехнички елемент. Ова операција се обавља употребом различитих преса или екструдерима у одговарајућим алатима. 2.3.5.8 Паковање Уколико се смеша не лаборише или пресује одмах након израде неопходно је прописно упаковати и чувати. Паковање се врши у херметичним посудама од електропроводљиве гуме или месинга, а чувају у посебним просторијама намењеним за ту сврху. Уколико се планира чување поменутих пиротехничких смеша у дужем временском периоду пре паковања неопходна је провера садржаја влаге и укупно испарљивих материја. 2.3.5.9 Лаборација Уградња пиротехничке смеше у одговарући пиротехнички елемент врши се поступцима прописаним за лаборацију конкретног средства. 2.3.6 Функционалне карактеристике пиротехничких смеша за ГГ ВВ пројектила Хетерегони кондензовани системи (ХКС) генерално представљају широк спектар енергетски богатих састава који укључују баруте, чврста погонска горива, пиротехничке смеше и експлозиве. Процес сагоревања хетерогених кондензованих система, у које спадају и пиротехничке смеше, представља 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 61 комплексан феномен који се карактерише следећим специфичностима: фазним променама у зони сагоревања, временска и просторна нехомогеност температуре и брзине сагоревања, агломерација и дисперзија компонената и продуката сагоревања ХКС, концентрацијске границе сагоревања, итд. Ред и потпуност хемијских реакција у зони сагоревања ХКС не зависи само од енергетских параметара већ и од структуре пуњења (порозност, облик и величина честица, итд.). [33] Особености процеса сагоревања пиротехничких смеша захтевају специјалну пажњу приликом испитивања функционалних карактеристика ради њихове коректне карактеризације. 2.3.6.1 Максимални притисак продуката сагоревања у манометарској бомби Максимални притисак продуката сагоревања у манометарској бомби неке пиротехничке смеше, за одређену густину пуњења, тј. однос масе смеше и слободне запремине у манометарској бомби, представља „отисак прста“ за конкретни састав. Чак и врло мале промене у хемијском саставу, квалитету коришћених сировина, гранулацији смеше, па чак и њеној хомогености у оквиру шарже, може се одразити на резултате испитивања. Управо због тога су резултати испитивања максималног притиска продуката сагоревања, важан извор корисних података о конкретном пиротехничком саставу. Они могу утицати на усмеравање тока наредних фаза истраживања или на процену стања испитане пиротехничке смеше. Резултати испитивања могу указати на: орјентациони састав продуката сагоревања (удео чврсте и гасовите фазе-на сонову вредности максималног притиска), припаљивост пиротехничке смеше (на основу времена кашњења припаљивања) и брзину оксидо-редукционих реакција (на основу укупног времена сагоревања). Резултати мерења максималног притиска продуката сагоревања у манометарској бомби састоје се од података о времену кашњења припаљивања, времену укупног рада- сагоревања и вредности максималног притиска који се путем аквизиционог система на опитној станици бележе у одређеним (у зависности од постављених 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 62 захтева и очекиваних вредности) временским интервалима (периодима семпловања, најчешће од око 9,999997х10-5s). 2.3.6.2 Брзина сагоревања Одређивање брзине сагоревања [34] подједнако је интересантно за скоро све врсте пиротехничких смеша, пошто она представља интегрални параметар процеса сагоревања пиротехничких смеша. Теоријe сагоревања [35, 36] хомогених барута за стрељачку муницију и експлозива, због великог броја претпоставки које би морале да се уведу нису применљиве на ХКС и пиротехничке смеше те се њеном проучавању мора прићи детаљним изучавањем утицајних параметара. Код смеша које служе за производњу гасова, брзина сагоревања уско је повезана са флуксом гасовитих продуката на дну пројектила, а самим тим и на вредност pB o чијем утицају на коефицијент базног отпора је било речи у претходном делу. Процесу сагоревања пиротехничке смеше претходи процес иницирања (предпаљења) и паљења. Испитивањем режима сагоревања, доказано је да се сагоревање у пиротехничким смешама одвија од слоја до слоја, утврђено је и да брзина сагоревања зависи од низа фактора који се могу поделити на: · утицај хемијског састава смеше који се манифестује кроз физичко- хемијске карактеристике саставних компонената и њихов масени однос, · утицај физичких фактора од којих су најважнији: температура околине, спољашњи притисак, маса смеше, пречник и дужина опитног пуњења, дисперзност компонената смеше и притисак пресовања. Постојеће методе мерења брзине сагоревања је могуће на основу физичког феномена поделити на три групе: · методе које се заснивају на регистрацији светлости пламена; · методе које се заснивају на регистровању температуре или степена јонизације фронта сагоревања; · методе које се заснивају на регистровању притиска продуката сагоравања у затвореном простору Припрема пиротехничких састава за испитивање, током израде ове дисертације, вршено је пресовањем смеша пресом "DUNKES" (слика 13) уз помоћ одговарајућег алата и константном притиску пресовања од 200 bar. 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 63 Одмеравање масе пиротехничке смеше за одређивање брзине сагоревања вршено је на аутоматској ваги. Мерење брзине сагоревања вршено је уз помоћ уређаја VOD 811 произвођача OZM Research s.r.o., Република Чешка. Пошто је уређај првобитно намењен за мерење брзина детонације експлозива извршене су измене његовог софтвера како би добијене вредности брзина сагоревања пиротехничких смеша биле коректно приказане. Узимајући у обзир период „семпловања“ (време између два узастопна мерења) од 10 ns и време трајања „семпловања“ од 1 ns, уређај VOD 811 се показао као изузетно прецизно и поуздано средство испитивања брзине сагоревања пиротехничких смеша. Слика 13. Вертикална преса „DUNKES“ Слика 14. VOD 811 – уређај за мерење брзине детонације-сагоревања 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 64 Поред лабораторијских испитивања брзине сагоревања у алуминијумским цевчицама, извршена су и мерења брзине сагоревања пиротехничких састава у челичним телима која се уграђују у кућиште оригиналног ГГ ББ пројектила 57 mm. Дебљина зидова челичних тела пуњења ГГ је 0,15 mm (Слика 15), док је густина ових пуњења била идентична густинама пуњења упресованих у алуминијумске цевчице. 2.3.6.3 Енергетски потенцијал Енергетски потенцијал се дефинише као количина топлоте која се ослободи реакцијом декомпозиције (сагоревања) 1 g пиротехничке смеше у калориметарској бомби, а одређује се сагоревањем узорка у вакууму, атмосфери аргона или азота [37]. Топлота сагоревања дефинише се као количина топлоте која се ослободи сагоревањем узорка у атмосфери кисеоника или ваздуха. Енергетски ефекат (енергетски потенцијал) при сагоревању пиротехничких смеше један је од битних фактора који одређује њихову употребљивост и ефикасност. Количина топлоте која се ослободи при сагоревању пиротехничких смеша одређује се најчешће у калориметарској бомби (или неком другом еквивалентном систему). Енергетски ефекат се може одредити и рачунским путем, на основу вредности стандардних топлота (енталпија), стварања реактаната и продуката реакције сагоревања (Хесов закон). Слика 15. Пиротехничке смеше упресоване у челично кућиште јединице ГГ 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 65 Прорачун енергетских карактеристика даје непрецизне резултате ако се узму у обзир и чињенице да се реакције сагоревања одвијају у условима који се доста разликују од стандардних. Пошто су реакције сагоревања веома комплексне, и у већини случајева ради се о већем броју паралелних реакција (често је реч и о претпостављеним реакцијама, при чему се тешко може издвојити реакција чији егзотермни ефекат доминира, енергетске карактеристике пиротехничких смеша се најчешће одређује експериментално. Одређивање енергетског потенцијала извршено је у адијабатском калориметру ИКА-Ц400, Слика 16, по методи описаној у [38]. 2.3.6.4 Температура самозапаљења Одређивање осетљивости пиротехничких смеша на енергетски импулс састоји се пре свега у одређивању температуре самозапаљења, кроз процес индиректног загревања смеше [39]. Све методе испитивања температуре самозапаљења засноване су на истом експерименталном принципу, при чему се разлике заснивају само у поступку мерења. Метода испитивања температуре самозапаљења грејањем узорка у металном блоку представља принцип рада уређаја на којем су вршена испитивања за потребе израде ове дисертације. Температура самозапаљења предстаља најнижу температуру на којој долази до тренутног паљења пиротехничке смеше. У моменту паљења смеше јавља се сигнал у виду различитих ефеката који могу бити: пламен, дим или Слика 16. Адијабатски калориметар ИКА-Ц400 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 66 прасак, који представља завршетак мерења. Осетљивост пиротехничке смеше на дејство топлоте је врло важно са аспекта безбедности, производње, складиштења и практичне примене, као и за њено поуздано иницирање у жељеном тренутку. Температура самозапаљења није строго одређена величина. Она може варирати у зависности од масе узорка, гранулације, начина и брзине загревања, конструкције апаратуре и других фактора који одређују услове преноса топлоте и процеса самоодржања реакције сагоревања. Ако се загревање смеше врши споро, може се десити да до паљења уопште и не дође, уколико се већи део смеше разложи у области нижих температура чиме се разлагање смеше завршава без паљења. За одређивање температуре самозапаљења могу се користити различите апаратуре, међутим, суштина овог процеса заснована је на томе да се одређена количина смеше (око 0,05 g) унесе у отвор мерног блока, са тачно дефинисаном температуром, и мери време до њеног самозапаљења. Време које протекне од тренутка уношења смеше, у средину загрејану до температуре на којој може доћи до запаљења смеше, до момента њеног спонтаног паљења, назива се „време индукције“ и зависи од више фактора као што су: топлотна проводљивост смеше, способност сагоревања, итд. Резултати испитивања времена индукције на одабраним темепературама су параметри чије се вредности приказују на дијаграму зависности температуре испитивања и времена после којег долази до самозапаљења смеше. Слика 17. Уређај за испитивање температуре самозапаљења 2. ТЕОРЕТСКИ ДЕО Синиша Пашагић 67 Након извршења мерења у дефинисаном опсегу температура, ограниченом временом индукције (260 %), који у односу на остале компоненте уједно има и највећи коефицијент топлотне проводљивости. Из ове констатације изводи се закључак да при повећању густине пуњења, састава на бази витамина Ц, долази до повећања масене концентрације калијум-перхлората чиме се побољшава топлотна проводљивост смеше. На тај начин се, постојањем доминантног фактора, разлике у функционалним карактеристикама посматраних састава смањују, док прираст БС тежи да поприми вредност константе за све саставе-пошто се и удео оксиданса креће у врло уским границама (од 62,5 до 69,1 %). Разлике које су ипак уочљиве, за максималне вредности густине пуњења, потичу од разлике у хемијским саставима пиротехничких смеша, тј. од расположиве количине топлотне енергије ослобођене у зони сагоревања доступне за процес предгревања несагорелих слојева смеше. 4.3.6 Утицај грејача од бакарне жице на брзину сагоревања Услови испитивања су: – Густина пуњења је 1,73 g/cm3, – Дебљина зида облоге пуњења ГГ је 2 mm, – Опитна пуњења са и без БГ. 4. ПРИКАЗ И АНАЛИЗА РЕЗУЛТАТА Синиша Пашагић 123 Резултати мерења брзине сагоревања испитаних пиротехничких састава дати су у Табели 18. Табела 18. Утицај уградње бакарних грејача на брзину сагоревања пиротехничких пуњења јединице ГГ Назив смеше ρ, [g/cm3] Брзина сагоревања, [mm/s] БСа, [mm/s] Прираст брзине сагоревања, [%] 001/12П1* 1,73 0,79 0,77 0,79 0,83 0,80 15,94 001/12 П1** 0,70 0,66 0,70 0,71 0,69 004/12 П1* 0,77 0,76 0,78 0,79 0,77 14,92 004/12 П1** 0,68 0,67 0,64 0,67 0,67 005/12 П1* 0,71 0,79 0,76 0,74 0,75 17,19 005/12 П1** 0,64 0,63 0,63 0,64 0,64 006/12 П1* 0,77 0,81 0,83 0,81 0,80 17,65 006/12 П1** 0,69 0,67 0,66 0,70 0,68 010/12 П1* 0,81 0,79 0,87 0,79 0,81 14,08 010/12 П1** 0,73 0,70 0,68 0,74 0,71 * са бакарним грејачима; ** без бакарних грејача; БСa – средња вредност брзине сагоревања. Као што се може видети из резултата мерења брзине сагоревања приказаних у Табели изнад, регистрован је значајан прираст брзине сагоревања код вих састава са уграђеним БГ. Овај прираст брзине сагоревања, као што је било и претпостављено, био је врло уједначен, и у зависности од састава пиротехничке смеше кретао се од 14,08 до 17,65%. 4. ПРИКАЗ И АНАЛИЗА РЕЗУЛТАТА Синиша Пашагић 124 4.3.7 Утицај БГ на ефективну топлотну проводљивост пиротехничких пуњења Услови испитивања су: – Испитани су узорци са и без БГ, – Пиротехнички састави су упресовани у цилиндре без алуминијумске облоге при чему је густина пуњења била 1,76 g/cm3, – Извор топлоте је био загрејан на 200 оС, – Период снимања узорака, након постављања на грејну површину, је 180 s и вршена су FLIR SC620 термовизијском камером. Термовизијска камера FLIR SC620, подешена је тако да обрађује регистроване податке за тачно дефинисану површину опитних узорака-означену са правоуглом на Сликама 44 и 45. Пошто је предвиђено да јединица ГГ своју функцију остварује током 20 s од момента испаљења пројектила из оруђа, овај временски период ће бити детаљније анализиран, док ће остатак периода снимања FLIR SC620 термовизијском камером послужити за доношење закључака везаних за утицај БГ на ефективну термалну проводљивост пиротехничких пуњења. 4. ПРИКАЗ И АНАЛИЗА РЕЗУЛТАТА Синиша Пашагић 125 Слика 44. Термалне слике узорака смеше 001/12П1 након 0, 10, 60 и 180 s мерења (први ред-узорци без бакарних грејача, други ред-узорци са бакарним грејачима) Слика 45. Термалне слике узорака смеше 007/12П1 након 0, 10, 60 и 180 s мерења (први ред-узорци без бакарних грејача, други ред-узорци са бакарним грејачима) 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 110 120 130 140 150 160 170 180 190 17,8 oC 191,4 oC 30 40 50 60 70 80 90 100 0 110 120 130 140 150 160 170 180 190 20 17,8 oC 191,4 oC 4. ПРИКАЗ И АНАЛИЗА РЕЗУЛТАТА Синиша Пашагић 126 Како би поређење резултата испитивања било што коректније, Слике 44 и 45 представљају узорке смеша 001/12 и 007/12, које имају неутралан биланс кисеоника и удео везивне компоненте од 5 %. Као што се са Слика примећује, оба узорка са уграђеним БГ показали су значајан пораст температуре у мерној зони у односу на узорке истих састава али без уграђених БГ. Такође, код узорака са уграђеним БГ приметна је и боља запреминска дистрибуција топлоте у односу на узорке без БГ, код којих горњи део на крају периода од 180 s делује доста „хладније“. Разлика у топлотној проводљивости између узорака са и без БГ најочигледнија је на сликама узорака након истека периода од 180 s. На пример, уколико погледамо последњи снимак узорка у горњем реду Слике 44, приметићемо да су горњи слојеви узорка обележени тамнијом нијансом плаве у односу на снимак испод који представља узорак са уграђеним БГ. Такође, последњи снимак у другом реду ове слике, указује и на формирање унутрашње зоне у узорку, око регије у коју су били уграђени БГ, са значајно вишом температуром од остатка узорка. Ова појава додатно потврђује претпоставку да ће уграђени БГ остварити значајан позитиван ефекат на ефективну топлотну проводљивост пиротехничког пуњења. Чињеница да код узорака без БГ није констатована појава централне зоне са вишом температуром само иде у прилог овој констатацији. Остали снимци других пиротехничких састава неће бити приказани пошто су врло слични снимцима приказаним на Сликама 44 и 45. Утицај уграђених БГ на предгревање слојева изнад „зоне сагоревања“, у нашем случају, зоне загревања, биће анализиран поређењем вредности температура у зони мерења које је забележила термовизијска камера током периода од 180 s. 4. ПРИКАЗ И АНАЛИЗА РЕЗУЛТАТА Синиша Пашагић 127 Слика 46. Прираст температуре узорка смеше 001/12П1 у функцији времена, са (црвена линија) и без бакарних грејача (плава линија) Слика 47. Прираст температуре узорка смеше 007/12П1 у функцији времена, са (црвена линија) и без бакарних грејача (плава линија) Посматрајући Слике 46 и 47 неколико закључака се сами по себи намећу. Први, да је прираст температуре код узорака са уграђеним БГ значајно стрмији у периоду првих 60 s мерења. Максимална разлика између температуре узорака са и Те м пе ра ту ра , [ o C ] Време, [s] 001/12 без БГ 001/12 са БГ Време, [s] 007/12 без БГ 007/12 са БГ Т ем пе ра ту ра , [ o C ] 4. ПРИКАЗ И АНАЛИЗА РЕЗУЛТАТА Синиша Пашагић 128 Време, [s] 002/12 без БГ 002/12 са БГ Т ем пе ра ту ра , [ o C ] Слика 48. Прираст температуре узорка смеше 002/12П1 у функцији времена, са (црвена линија) и без бакарних грејача (плава линија) Слика 49. Прираст температуре узорка смеше 008/12П1 у функцији времена, са (црвена линија) и без бакарних грејача (плава линија) без уграђених БГ постиже се у првих 40 s мерења, после чега се температуре узорака приближавају једне другима, ова појава је наочигледнија на Слици 47. Време, [s] 008/12 без БГ 008/12 са БГ Т ем пе ра ту ра , [ o C ] 4. ПРИКАЗ И АНАЛИЗА РЕЗУЛТАТА Синиша Пашагић 129 На Сликама 48 и 49 приказана су још два пиротехничка састава, на бази лактозе и аскорбинске киселине, чисто ради потврде теорије о побољшању ефективне топлотне проводљивости уградњом БГ. Сва запажања приликом анализе Слика 46 и 47 важе и за ова два састава. 5. ЗАКЉУЧАК Синиша Пашагић 130 5 ЗАКЉУЧАК Током истраживања употребе пиротехничких смеша за израду пуњења гасогенератора ББ пројектила, израђени су различити састави на бази високоенергетског металног праха (магнезијум) и органских једињења (лактоза, глукоза, сорбитол, витамин Ц) у улози гориве компоненте. Као везивне компоненте за израду пиротехничких састава коришћени су Витон А и идитол. Испитан је утицај различитих адитива (елементарно гвожђе, Fe2O3, угљеник, и др.) на повећање брзине сагоревања. У првој фази истраживања извршена је анализа и поређење резултата испитивања пиротехничких смеша израђених од различитих врста горива, оксиданаса, везива и адитива ради у циљу испитивања њиховог утицаја на функционалне карактеристике пиротехничких смеша (брзина сагоревања, енергетски потенцијал, температура самозапаљења и максимални притисак продуката сагоревања). Установљено је да су састави са идитолом, као везивном компонентом, остварили и до 42% више брзине сагоревања од аналогних састава са Витоном А. Сви испитани састави су сагоревали стабилно уз генерисање велике количине гасовитих продуката. У зависности од састава смеше остварене су брзине сагоревања у широком опсегу од 0,65 mm/s (004/09П1) до 3,22 mm/s (029/09П1). Додатком Fe2O3, као адитива, повећана је топлотна проводљивост смеше и постигнута највиша брзина сагоревања код смеша са Витоном А, од 1,1 mm/s, уз значајно повећање количине чврстих продуката сагоревања. Истраживањем утицаја адитива на вредности брзине сагоревања утврђено је да и врло мале количине елементарног гвожђа имају значајан утицај на брзину сагоревања, и до 15,3 % више вредности БС у односу на исте саставе без овог адитива. Састави у којима се као главно оксидационо средство користио калијум-нитрат захтевали су употребу високоенергетског горива које ће својим сагоревањем неутралисати ендотермност процеса деградације калијум- нитрата. Резултати испитивања енергетског потенцијала указују на чињеницу да референтни састав са магнезијимом, као горивом компонентом, има чак 76,5 % више вредности од састава са лактозом, 027/09П1. Састави са лактозом, за исту густину пуњења, у манометарској бомби остварили су и до 50 % више вредности притиска 5. ЗАКЉУЧАК Синиша Пашагић 131 продуката сагоревања од смеше на бази магнезијума. Вредности максималног притиска продуката сагоревања пиротехничких смеша на бази различитих органских горивих компонената не показује значајна одступања. У другој фаза истраживања испитани су смеше без употребе адитива, како би до изражаја дошао утицај гориве компоненте на функционалне карактеристике. Највише брзине сагоревања постигнуте су са саставима на бази аскорбинске киселине, 4,77 mm/s, а најниже на бази лактозе, 2,89 mm/s. Смеше на бази органског горива показале су се „отпорнијим“ на утицај густине пуњења на брзину сагоревања у односу на пиротехничку смешу на бази магнезијума. Како би се испитала стабилност припаљивања и сагоревања пуњења ГГ на бази пиротехничких смеша, израђене су пиротехничке смеше на бази лактозе и магнезијума и испитане кроз полигонска испитивања, на полигону „Миоковци“ код Чачка. Кроз полигонска испитивања закључено је да је смеша на бази лактозе, иако јој је енергетски потенцијал нижи за 43,3 % у односу на састав са магнезијумом, погоднија за израду пуњења ГГ од праха магнезијума, са аспекта поузданости и стабилности сагоревања током лета пројектила. Пиротехничка пуњења ГГ на бази магнезијума, остварила су половичан успех по питању стабилности рада током лета пројектила. Насупрот њима, пиротехничка пуњења ГГ на бази лактозе постигла потпуну припаљивост и континуитет процеса сагоревања, када је са основном смешом била упресована и припална смеша. Пуњења ГГ са пиротехничком смешом на бази лактозе, сагоревала су без појаве бљеска иза дна пројектила, што је потврђено снимцима ултрабрзе камере. У трећој фази истраживања испитан је утицај различитих технолошких параметара на вредности фунционалних карактеристика испитаних пиротехничких састава. Установљено је да се повећањем удела везива смањују вредности брзине сагоревања и коефицијента варијације, уз последично побољшање хомогености испитаних пиротехничких састава. Уочена одступања у односу на тренд пада БС и коефицијента варијације са повећањем удела везива, објашњавају се нехомогеношћу смеша, коју је немогуће елеминисати током процеса израде пиротехничких смеша. Пад БС смеша на бази лактозе при повећању удела везива од 3-6 % износи само 5,63 %, док је код смеша на бази витамина Ц забележен пад од чак 48,65 %. 5. ЗАКЉУЧАК Синиша Пашагић 132 Узимајући у обзир да су сви параметри испитивања за смеше на бази лактозе и витамина Ц идентични, разлика у паду БС повећањем удела везива може се објаснити само различитим физичко-хемијским особинама гориве компоненте. Утицај биланса кисеоника на вредност брзине сагоревања, релативно је мали и уско повезан са повећањем удела оксиданса, као компоненте са бољом топлотном проводношћу. Присуство компоненте која се топи на нижим температурама, лактоза, фаворизује пренос топлоте ка несагорелим слојевима смеше резултујући појавом максимума брзине сагоревања при неутралном билансу кисеоника. Повећањем густине пуњења остварује се прилично уједначен утицај на смањење вредности БС за све испитане саставе. Поред тога, код састава на бази витамина Ц идентификована је појава да се са повећањем густине пуњења уједначава прираст брзине сагоревања пиротехничких смеша, што се објашњава повећањем утицаја калијум-перхлорат у процесу предгревања несагорелих слојева смеше при максималним густинама пуњења. Утицај дебљине облоге пуњења ГГ на брзину сагоревања, заснован је на повећању површине са које се емитује топлота из зоне хемијских реакција у околину, чиме се остварује негативан утицај на вредности брзине сагоревања. Вишепараметарском анализом утврђено је да код састава на бази лактозе, при смањењу дебљине зида облоге, позитиван ефекат на прираст БС остварује удео гориве компоненте-због њене фазне трансформације на нижим температурама, чиме се повећава кондуктивни пренос топлоте кроз пуњење. Насупрот томе, код састава на бази витамина Ц, одлучујући утицај на вредности БС остварује удео оксиданса. Повећање дебљине облоге има негативан утицај на БС пиротехничких састава са органским горивом (мала топлотна проводљивост) и за одређену дебљину облоге може се описати константом која највише зависи од вредности коефицијента топлотне проводности материјала облоге. Последња фаза истраживања базирана је на испитивању алтернативних метода „финог подешавања“ брзине сагоревања пиротехничких пуњења на бази органских горива. Кроз двофазни процес пресовања пиротехничких пуњења ГГ, извршена је уградња по три бакарне жице у централни део пуњења, ради побољшања процеса провођења топлоте кроз пуњење. Уградња бакарних жица у пуњења ГГ, у својству пасивних грејача, показала се као метода са 5. ЗАКЉУЧАК Синиша Пашагић 133 великим потенцијалом којом се без измене састава пиротехничке смеше и продуката сагоревања повећава брзина сагоревања. Испитивање утицаја „бакарних грејача“ на брзину сагоревања извршено је са смешама на бази лактозе и аскорбинске киселине. Резултати испитивања указују на врло уједначен утицај бакарних грејача на вредности брзине сагоревања свих испитаних састава. Повећање брзине сагоревања у односу на саставе без уграђених бакарних грејања кретало се у опсегу од 14 до 18 %. Позитиван утицај бакарних грејача на брзину сагоревања потврђују и снимци термовизијске камере, на којима је уочено формирање унутрашње зоне са температурама вишим и до 40оС од оних у остатку узорка, поменута зона није уочена код узорака у које нису били уграђени бакарни грејачи. Максимално повећање температуре посматране зоне узорка, констатовано је након првих 10 s загревања, с тим, да се овај тренд наставља све до 60 s загревања узорака, када температуре посматране зоне са и без БГ почињу да конвергирају. На основу резултата испитивања може се закључити да се оптимални састав пиротехничке смеше за израду пиротехничког пуњења ГГ ББ пројектила 37 и 57 mm, у зависности од калибра и услова лета пројектила, налази у границима које дефинишу смеше на бази лактозе (002/12П1) и витамина Ц (009/12П1). Услови лаборације пиротехничког пуњења ГГ дефинисани су следећим параметрима: густина пуњења 1,73-1,87 g/cm3 - овај опсег обезбеђује неопходни структурни интегритет пуњења; маса припалне смеше М4 од 1,5 до 2,0 - у зависности од дужине цеви оруђа из којег се испаљује пројектил, упресоване заједно са основном пиротехничком смешом. Након израде пуњења ГГ обавезна је херметизација пуњења, било на нивоу самог пуњења или јединице ГГ. Пожељан материјал облоге пиротехничког пуњења ГГ представља алуминијум. Спољашњи пречник облоге пуњења требао да буде бар за 1,5-2,0 mm мањи од унутрашњег пречника кућишта јединице ГГ. Приликом разматрања начина утврђивања облоге пуњења у јединици ГГ, треба тежити минималној контактној површини између облоге пуњења и кућишта јединице ГГ ради смањења дисипације топлоте преко кућишта јединице ГГ (оптимални спољашњи изглед облоге пиротехничког пуњења јединице ГГ одговара изгледу лаборисаних пуњења представљених на Слици 15 ове дисертације). 6. ЛИТЕРАТУРА Синиша Пашагић 134 6 ЛИТЕРАТУРА [1] Z. Subotić, S. Jaramaz, Projektovanje generatora gasa za povećanje dometa artiljerijskih projektila, ВТИ, Београд, 1991. [2] B. Boggs, H. Zilcosky, W. Smith, Gun Fired Projectile Having Reduced Drag, United States Patent, No 4.130.061, 1978. [3] L. Nicasto, J. Munger, Base Drag Reduction, United States Patent, No 3.885.385, 1975. [4] K. Andersson, N. Gunners, Y. Nilsson, Base Bleed Unit, United States Patent, No 4.807.532, 1989. [5] A. Franzen, V. Johansson, Base-Bleed Gas Generator For a Projectile, Shell or The Like, United States Patent, No 4.846.071, 1989. [6] J. Raastegar, R. Pelz, Methods and Apparatus for Increasing Aerodynamic Performance of Projectiles, United States Patent 6.982.402 B1, 2006. [7] М. Injac, Spoljnobalističke mogućnosti povećanja dometa artiljerijskih projektila 130mm и 152mm primenom gasogeneratora, TI-02-27-116, VTI, Beograd 1984. [8] J. Conkling, C. Mocella, Chemistry of Pyrotechnics, 2nd Edition, CRC Press Taylor & Francis Group, Boca Raton, 2010. [9] I. Ćirić, Hemija organskih jedinjenja, Visoka tehnološka škola strukovnih studija, Šabac, 2016. [10] Atta-ur- Rahman, Studies in Natural Products Chemistry, vol 31, (2005), [11] A. Hacisevki, An Overview of ascorbic acid biochemistry, Journal of Faculty of Pharmacy of Ankara, vol. 38, 2009. [12]H. Padh, Vitamin C: Newer insights into its biochemical functions, Nutrition Review, vol. 49, 1991. [13] Ю. А. Паншин, С. Г. Малкевич, Ц. С. Дунаевская, Фторопласты, Химия, Ленинград, 1978. [14] H. Ellern, Military and Civilian Pyrotechnics, Chemical Publishing Company INC, New York, 1968. [15] А. А. Шидловский, Основы пиротехники, Машиностроение, Москва, 1964. 6. ЛИТЕРАТУРА Синиша Пашагић 135 [16] N. Kubota, C. Serizava, Combustion Process of Mg/TF Pyrotechnics, Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 12(5), 145-148, 1987. [17] A. J. Peretz, Investigation of Pyrotechnic MTV Composition for Rocket Motor Igniters, J. Spacecraft, vol.21 (2), 1984. [18]A. A. Šidlovskij, V. V. Gorbunov, Fizika Gorenia i vzryva, 14 (1), 1978. [19] R. Crosby, G. C. Mullenix, I. Swenson, Design and Development of a Hot Particle Igniter, AIAA Paper, 1972. [20] A. Peretz, Investigations of Pyrotechnic MTV Compositions for Rocket Motor Igniters, AIAA Paper, 1982. [21] V. V. Gorbunov, A. A. Šidlovskij, Fizika Gorenia i vzryva, 22 (6), 1986. [22] A. J. Peretz, J. Cohen, Israel Journal of Technology, vol. 18, 1985. [23] J. F. Valenta, MTV as a Pyrotechnic Compositions from Solid Propellant Ignition, 13th Seminar, Grand Junction, Colorado, USA, 1988. [24] N. Kubota, The Mechanism of Super-rate Burning of Catalized Double-Base Propellants, AMS Report No.1087, Aerospace and Mechanical Sciences, Princeton University, Princeton, NJ. 1973. [25] L. F. Fetherlof, M. D. Chen, S. T. Snyder, A. T. Litzinger, K. K. Kuo, Ignition and Combustion Behavior of MTV Igniter Materials for Base Bleed Applications, 1st International Sympozium on Special Topics in Chemical Propulsion Base Bleed, Athens, Greece, 1988. [26] D. M. Chen, W. H. Hsieh, T. S. Snyder, V. Yang, K. K. Kuo, Study of the Thermophysical Properties Behavior of Metal Based Solid Fuels, AIAA/ASME/SAE ASEE, 24th Joint Propulsion Conference, Paper No AIAA-88-3041, Boston, 1988. [27] Y. A. Dolgoborodov, N. M. Makhov, V. I. Kolbanev, E. V. Fortov, Detonation in an aluminum-teflon mixture, JETP leters, vol. 81(7), 2005. [28] A. A. Denisaev, S. A. Shteinberg, A. A. Berlin, Initiation of a Reaction in Aluminum-Teflon Multilayeer Thin-Film Samples by Drop-Hammer Impact Loading, Russian Journal of Phisical Chemestry, vol. 2 (3), 2008. [29] S. M. Elliot, J. F. Smith, M. A. Fraser, Synthetic Procedures Yielding Targeted Nitro and Nitroso Derivatives of the Propellant Stabilisers Diphenylamine, N-Methyl-4- 6. ЛИТЕРАТУРА Синиша Пашагић 136 nitroaniline, and N,N′-Diethyl-N,N′-diphenylurea, Propellants Explosives Pyrotechnics, vol. 25 (1), 2000. [30] D. Negoicić, V. Živojinović, Pirotehničke pripalne smeše na bazi politetrafluoroetilena, Naučnotehnički pregled, vol. L (4-5), 2000. [31] S. Pašagić, Pirotehničke smeše za izradu punjenja gasogeneratora Base Bleed projektila, TI-004-01-0577, VTI, Beograd, 2009. [32] S. Kapor, Opšti tehnološki postupak izrade pirotehničkih smeša, TI-004-01-0428, VTI, Beograd, 2006. [33] Y. Frolov, Some Phenomenological Aspects of Heterogeneos Combustion of Condensed Systems, Propellants, Explosives, Pyrotechnics vol. 25, 2000. [34] M. Bošnjaković, Osvajanje postupka merenja brzine gorenja pirotehničkih sastava, TI-004-01-0277, VTI, Beograd, 1973. [35] Ya. Zel’dovich, Theory of Powder and Explosives Combustion, Zurnal Electro- Techcheskoi Physiki, vol.11-12(4), 1941. [36] A. F. Belyaev, About Explosives Combustion, Zurnal Physicheskoi Khimii, vol. 12(1), 1939. [37] M. Stanković, Kalorimetrijsko ispitivanje eksplozivnih materija, ИС–042104, VTI, Beograd, 1992. [38] M. Bošnjaković, Osvajanje postupka merenja temperature paljenja i vremena indukcije, ТИ-0320, VTI, Beograd, 1974. [39] D. Negoicić, Lj. Antičević, N. Petronijević, Uticaj temperature i vlage na stabilnost pirotehničkih smeša, VII Simpozijum o eksplozivnim materijama, Lučani, 1988. [40] N. J. Blay, I. Dunstan, Compatibility Testing of Primary Explosives and Pyrotechnics, Technical Report No115, Ministry of Defense, Explosives Research and Development Establishment, Waltham Abbey, England, 1973. [41] Magnezijum prah, Zahtevi za kvalitet i metode ispitivanja, SORS 1404/03, 2003. [42] Stroncijum-nitrat, Zahtevi za kvalitet i metode ispitivanja, SORS 1397/05, 2005. [43] Politetrafluoroetilen, Zahtevi za kvalitet i metode ispitivanja, SORS 1740/02, 2002. [44] Fluorel, Fluoroelastomer, Product information, FC-2175. 6. ЛИТЕРАТУРА Синиша Пашагић 137 [45] F. C. Christo, Thermochemistry and Kinetics Models for Magnesium/Teflon/Viton Pyrotechnic Compositions, DSTO-TR-0938, 1999. [46] L.V. de Yong, K. J. Smit, A theoretical study of the combustion of Magnesium/Teflon/Viton pyrotechnic compositions, MRL-TR-91-25, 1991. [47] R. Greene, Solid pyrotechnic compositions for projectile base-bleed systems, United States Patent, 1991. [48] S. Pašagić, J. Petković, Pirotehnička punjenja gasogeneratora Base Bleed projektila na bazi organskih komponenata, TI-004-01-0658, VTI, Beograd, 2012. [49] S. Pašagić, D. Antonović, S. Brzić, Influence of Technological Parameters on the Combustion Velocity of Pyrotechnic Compositions for Gas Generator of Base Bleed Projectiles, Central European Journal of Energetic Materials, vol.12(2), 2015. [50] S. Pašagić, D. Antonović, R. Sirovatka, J. Petković, Influence Copper Wire Heat Guides on the Combustion Velocity of Organic Based Charges for Gas Generators of Base Bleed Projectiles, Central European Journal of Energetic Materials, vol. 12(3), 2015. [51] S. Pašagić, J. Petković, Usage of Organic Substances as Fuels in Production of Gase Generator Pyrotechnic Charges for Base-Bleed ProjectIles, 4th International Scientific Conference on Defensive Technologies, OTEH 2011, Belgrade, 2011. [52] S. Pašagić, Ispitivanje funkcionalnih karakteristika odabranih pirotehničkih smeša za izradu punjenja gasogeneratora Base Bleed projektila, TI-004-01-0614, VTI, Beograd, 2010. [53] S. Pašagić, Investigation of Pyrotechnic Charges for Base Bleed Projectiles, Scientific Technical Review, vol.61 (3-4), Belgrade, 2011. 7. ПРИЛОЗИ Синиша Пашагић 138 7 ПРИЛОЗИ 7. ПРИЛОЗИ Синиша Пашагић 139 БИОГРАФИЈА АУТОРА Синиша Д. Пашагић, рођен је 26.08.1979.године у Новом Саду, Република Србија. Основну школу ''Ђура Јакшић'' у Каћу, општина Нови Сад, завршава 1994. године. Школовање наставља у Војној гимназији у Београду, а затим и Војној академији, Одсек-Логистика, Смер–Техничка служба КоВ, Специјалност–Убојна средства, коју завршава 2003. године са просечном оценом 8.13. Војну каријеру започиње као заменик начелника сектора за ремонт и демилитаризацију УбС у Техничком ремонтном заводу у Крагујевцу. Стручна знања из области пиротехнике стиче од 2007. године када са службом прелази у Војнотехнички институт у Београду, где до 2012. године стиже до звања водећег истраживача у области пиротехнике. До сада је овјавио 2 научна рада у часописима међународног значаја, 1 рад у часопису од националног значаја и саопштио 2 рада на скуповима међународног значаја, који су штампани у целости.