– «безопасность применения» – их применение по назначению по мере дальнейшего хранения без «освежения» запаса Основу второго составляет физико-химическая стабильность пороха как твердого тела.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте файл и откройте на своем компьютере.
МОДЕЛ ЮВАННЯ ПРОЦЕС І В ПРОМ ИСЛОВОГО ОБ ЛАДНАННЯ _________________________________________________________________________________ Інтегровані технології та енергозбереження 3 ‱20 12 60 УДК 623.451.4 Анипко О.Б. , Хайков В.Л. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПОРОХОВЫХ ЗАРЯДОВ КАК ЭЛЕМЕНТ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА АРТИЛЛЕРИЙСКИХ БОЕПРИПАСОВ Состояние с боеприпасами к ствольным системам, в общем, для вооруженных сил Украины и для в о енно - морских сил в частности обусловлено рядом объективных причин, к которым следует отнести: ‬ ©значительность запасовª ‬ объемы хранимых боеприпасов в несколько раз превышающую потре б ность, как по количеству, так и по номенклатуре; ‬ ©состояние запасовª ‬ все храним ые боеприпасы находятся на послегарантийном этапе их эксплуат а ционного цикла; ‬ ©безопасность примененияª ‬ их применение по назначению по мере дальнейшего хранения без ©освеженияª запаса связана с возрастающей угрозой нанесения ущерба собственному оружию , его нос и телю и личному составу; ‬ ©эффективность использования по назначениюª ‬ по мере увеличения календарного срока хр а нения с целью обеспечения требуемого боевого эффекта, возрастает необходимость в дополнительной корре к ции данных для стрельбы за счет введения специфических поправок, связанных с геронтологич е скими изменениями физико - химической природы пороха, влияющей на баллистику ствольной системы. Многочисленная статистика показывает, что пригодность боеприпаса к применению по назнач е нию в процессе его старения в основном определяется сохраняемостью его порохового метательного заряда, поэтому рассмотрение процедур контроля состояния ограничим методами, относящимися к п о роху. Если принять допущение о том, что нормативный (проектный) средний срок экспл уатации всей н о менклатуры используемых артиллерийских нитроцеллюлозных порохов составляет величину равную 40 ‬ 50 лет, с гарантийными обязательствами производителя в течении первых 10 - ти лет, то при среднем к а лендарном сроке хранения боеприпасов морской арти ллерии, составляющем на сегодня 20 ‬ 25 лет, б о е запас находится в состоянии исчерпания своего ресурса по метательному заряду с нижней границей 40 ‬ 50 % и верхней 50 ‬ 62 %. При этом следует отметить, что он приблизился к зоне риска ускорения авток а талитического разложения его основного элемента ‬ нитроцеллюлозы. В этой связи актуальными и сво е временными мероприятиями являются следующие оценки: ‬ динамики изменения состояния; ‬ влияние изменений на эффективность использования боезапаса по назначению; ‬ влияние и зменений параметров характеризующих безопасность боевого применения и безопа с ность хранения. Рассмотрение литературы по проблеме физического старения нитроцеллюлозного пороха показ ы вает то, что как явление, приводящее к неконтролируемым последствиям, оно з аявило о себе сразу же после запуска в промышленное производство боеприпасов на основе нитроцеллюлозы, а глубина пон и мания, протекающих при этом процессов, и способы противодействия им, формируются вплоть до сегодняшн е го дня. Исторически сформировались дв а самостоятельных способа анализа проблемы. Первый из них хара к теризует баллистическое ее рассмотрение и базируется на понятии баллистической стабильности пор о хового заряда. Основу второго составляет физико - химическая стабильность пороха как твердого тела. Имеет место следующее отношение между этими двумя собирательными понятиями: физико - химическая стабильность определяет баллистические качества пороха как энергетического материала. Масштаб проблемы геронтологии пороха, особенн о на начальном его этапе 189 8 ‬ 1910 гг. отмечен рядом крупных катастроф [1], произошедших на кораблях в различных флотах мира, многие из которых сопровождались многочисленными жертвами и потерей боевых единиц. Первопричина этих событий заключалась в несовершенстве технологии производ ства пороха, неправильной организации хранения боеприпасов в целом и метательных зарядов в частности. Перечень некоторых из катастроф приведен в таблице 1. В большинстве этих случаев боезапас на момент пожара и взрыва находился в состоянии хр а нения. Так у же в 1913 г. в качестве рекомендаций по хранению боеприпасов отмечается следующее [2]: … хранение пороха на кораблях должно быть сопряжено с многочисленными предосторожностями. Порох при долгом хранении теряет свои качества, а при нахождении в помещениях с высокими темп е ратурами может сделаться опасным …ª. К числу значительных катастроф, произошедших с боевыми кораблями за последние 100 лет, сл е дует отнести следующие инциденты: МОДЕЛ ЮВАННЯ ПРОЦЕС І В ПРОМ ИСЛОВОГО ОБ ЛАДНАННЯ _____ ____________________________________________________________________________ Інтегровані технології та енергозбереження 3 ‱20 12 61 ‬ взрыв плавучего судна - арсенала ©Маунт Худª (1944), надолго отбросившего назад идею о конце н трации значительного количества боезапаса в объеме одного корабля; ‬ взрыв пороховых зарядов линкора ©Айоваª (1989). Таблица 1 ‬ Катастрофы имевшие место на флотах, связанные со взрывами боезапаса №/ № Дата Корабль Стр а на Место Вид Причина (последствие) 1 0 1.09.1905 Броненосец ©М и касаª Яп о ния Сасебо взрыв п о гребов не установлена (гибель корабля) 2 21.01.1906 Линкор ©Акюдабанª Бр а зилия Жакареп а гуа взрыв возгорание п о роха (гибель корабля) 3 13.03.1906 Линкор ©Ке р седжª США о. Куба пожар с амовозгорание пороха 330 - мм ка р ту з ных зарядов (поврежден) 4 12.03.1907 Линкор ©И е наª Франция Тулон взрыв самовозгорание п о роха типа ©Вª (гибель корабля) 5 30.04.1908 Крейсер ©Мац у симаª Яп о ния Мако взрыв б о е запаса не установлена (гибель корабля) 6 25.09 .1911 Линкор ©Либе р тиª Франция Тулон взрыв самовозгорание п о роха типа ©Вª (гибель корабля) 7 04.11.1914 Л. крейсер ©Ка р лруэª Ге р мания о. Трин и дад взрыв нос о вой артп о г реб не установлена (гибель корабля) 8 26.11.1914 Линкор ©Бу л варкª Велик о брит а ния р. Т е м за взрыв ар т погреб не установлена (гибель корабля) 9 27.09.1915 Линкор ©Бенеде т то Бринª Ит а лия Бри н дизи пожар и взрыв б о е запаса не установлена (гибель корабля) 10 30.12.1915 Крейсер ©Н а талª Ан г лия Кр о марти внутре н ний взрыв не установлена (гибель кораб ля) 11 11.03.1916 Крейсер ©Кап и тан Пратª Чили - возгор а ние взрыв пор о ха не установлена (поврежден) 12 02.08.1916 Линкор ©Леона р до да Винчиª Ит а лия Тара н то пожар и серия взр ы вов боезап а са не установлена (гибель корабля) 13 07.10.1916 Линкор ©Имп е р а триц а М а рияª Ро с сия Сев а сто поль пожар и взрыв б о е запаса не установлена (гибель корабля) 14 14.01.1917 Крейсер ©Цукубаª Яп о ния Йок о сука пожар и взрыв п о рох. п о греба не установлена (поврежден) 15 09.07.1917 Линкор ©Ве н гердª Велик о брит а ния Скапа Флоу внутре н н ий взрыв не установлена (гибель корабля) 16 12.04.1918 Линкор ©К а вачиª Яп о ния Току я ма внутре н ний взрыв не установлена (гибель корабля) 17 08.06.1943 Линкор ©М у цуª Яп о ния Хасира д зима взрыв б о е запаса не установлена Подробные материалы по фактам ненормаль ного действия артиллерийских боеприпасов изложены авторами в работе [16]. МОДЕЛ ЮВАННЯ ПРОЦЕС І В ПРОМ ИСЛОВОГО ОБ ЛАДНАННЯ _________________________________________________________________________________ Інтегровані технології та енергозбереження 3 ‱20 12 62 Что касается арсенального хранения пороха, то количество катастроф и чрезвычайных происшес т вий в местах хранения боеприпасов по количеству случаев и масштабам их последствий намного прев ы шают корабельную статистику. В период с 1995 по 2010 гг. в мире имели место 189 чрезвычайных ситуаций (табл. 2) на наземных объектах хранения боеприпасов и их элементов. Из данного количества на долю стран СНГ и Украины приходится 26 (13,8 %) случаев , происшедших в период с 1992 по 2009 гг., таким образом вклад такого большого, как по площади, так и по количеству мест хранения, региона как СНГ в общий список инц и дентов находится на допустимом уровне. Таблица 2 ‬ Данные о чрезвычайных ситуациях в арсе налах и базах [3] Причины Количество случаев Процент Самовозгорание пороха 7 3,7 В процессе утилизации 17 9 Электрические замыкания 5 2,6 Пожары 48 25,4 Халатность 24 10,6 Высокая температура 3 1,6 Воздействие света 8 4,2 Не известная причина 68 3 6 По вине охраны 6 3,2 Другие причины 3 1,6 Всего 189 100 В 1998 г. руководство по хранению пороха © Propellant management guide ª [4], объединило в себе р е комендации по организации хранения нитроцеллюлозных порохов и систему их контроля в США и стр а нах НАТО. В предисловии к его основному содержанию в частности говорится: ©…Само по себе физическое присутствие пороха в определенном месте требует усилий по организ а ции его хранения. Ср еди всех энергетических материалов военного назначения только нитроэфи р ные пороха (главным образом на основе нитроцеллюлозы) имеют склонность к самовозгоранию без предв а рительного изменения своего внешнего состояния. Такое их свойство может привести к ущер бу с кат а строфическими масштабами. Артиллерийские пороха и пороха для стрелкового оружия являются на и более нестабильными , а поэтому опасными материалами, к тому же наиболее часто находящимися в служебном обращении и на хранении в базах и на складах. Состоя ние пороха может непредсказуемо меняться. Например, фиксировались случаи его разложения до неустойчивого состояния в течение ч е тырех (пяти) лет со дня производства. Недостаточность мер, изложенных в руководствах по хран е нию, способствовали нескольким случа ям его самовозгорания, произошедших в базах хранения ор у жия…ª Таким образом, за 85 - летний временной интервал, со дня появления ранее упомянутых рекоменд а ций по хранению 1913 г., эксплуатация пороха в условиях корабля - носителя оружия и арсенала, как о р гана обеспечения, принципиально никак не упростилась. На сегодня состав нитроцеллюлозных порохов усложнился. В пороховую массу кроме нитроцелл ю лозы входят еще 3 ‬ 5 компонентов, которые в ее составе могут выполнять около 13 - ти функций: от пл а стификации и пламяг ашения, до уменьшения эрозии канала ствола и улучшения воспламеняемости. О б щее число компонентов вводимых в нитроцеллюлозный порох достигло величины 15 ‬ 18. Значительно возросла номенклатура порохов военного назначения, так например, совокупность американск их пор о хов сухопутных войск, включает в себя 408 наименований [4]. В вооруженных силах стран НАТО проблеме контроля состояния боеприпасов и пороховых мет а тельных зарядов уделяется должное внимание. Это выражается, прежде всего: ‬ в развитии методов оценки состояния боеприпасов и пороховых зарядов, оценке последствий трансформации их физико - химических и баллистических характеристик; ‬ в проведении комплекса научно - исследовательских работ по разработке новых методов контр о ля; ‬ в разработке аппаратуры, реализ ующей прогрессивные методики наблюдения за порохами и бо е припасами; ‬ во введении новых и корректуре уже принятых соглашений по стандартизации (STANAG) и дире к тивных документов, связанных с эксплуатацией боеприпасов и их элементов (АОР ‬ allied ordnance МОДЕЛ ЮВАННЯ ПРОЦЕС І В ПРОМ ИСЛОВОГО ОБ ЛАДНАННЯ _____ ____________________________________________________________________________ Інтегровані технології та енергозбереження 3 ‱20 12 63 pu blication). Названия документов в сфере боеприпасов, принятых в период 1991 ‬ 2008 гг. приведен в таблице 3, список не учитывает национальных стандартов стран участников. Таблица 3 ‬ Соглашения по стандартизации стран НАТО регулирующие вопросы обращения с б о е прип а сами и оценки и баллистических свойств №/№ Вид и номер соглаш е ния Год и з дания Наименование стандартизирующего соглашения НАТО 1 STANAG 4178 1991 Test procedures for assessing the quality of deliveries of nitrocellulose from one NATO nation to a n o ther 2 STANAG 4400 1993 Derivation of thermochemical values for interior balli s tic calculation 3 STANAG 4113 1993 Pressure measurement by crusher gauges 4 STANAG 4114 1997 Measurements of projectile velocities 5 STANAG 4115 1997 ation of ballistic properties of gun propellants 6 STANAG 4117 1998 Explosives, stability test procedures and requirements for propellants stabilized with diphenylamine, ethyl ce n tralite or mixtures of both 7 STANAG 4367 2000 Thermodynamic interior balli stic model with global p a ra m- 8 STANAG 4527 2000 Explosive, chemical stability, nitrocellulose based prope l- lants, procedures for assessment of chemical life and te m- perature dependence of stabiliser co n sumption rates 9 STANAG 4147 2001 Chemical compat ibility of ammunition components with explosives (non - nuclear applications) 10 STANAG 4541 2003 Explosives, nitrocellulose based propellants containing n i- troglycerin and stabilized with dipheny l amine, stability test procedures and requirements 11 STANAG 4110 2005 Definition of pressure terms and their interrelationship for use in the design and proof of cannons or mortars and a m- munition 12 STANAG 4315 2006 The scientific basis for the whole life assessment of mun i- tions 13 STANAG 4582 2007 Explosives, ni trocellulose based propellants, stability test 14 STANAG 4 620 2007 Explosives, nitrocellulose based propellants, stability test procedures and requirements using stab i 15 AOP 48 2008 E xplosives, nitrocellulose based propellants, stability test procedures and requirements using stab i Ввиду того, что геронтологические изменения боеприпаса воздействуют на боевой эффект в литер а туре практически нет данных о сравнительных ха рактеристиках боеприпасов с различным календа р ным сроком хранения. В этой связи интересен анализ отстрела 20 мм патронов (предположительно к си с теме Oerlikon 20 mm) произведенной в 1998 г. в Naval surface warfare center военно - морских сил США [5]. Испытан ия проводились для трех временных отрезков хранения: 0 лет (календарный срок боеприп а сов перед закладкой не указан), 10 и 20 лет. При отстрелах использованы боеприпасы 12 - ти учетных па р тий. Первые 4 - ре характеризовали момент закладки на хранение, следующие 4 - ре десятилетний инте р вал, остальные были 20 - летние. Результат усреднения данных внутри партий одного календарного срока, выполненный авторами, п о казан в таблице 4. Так как в оригинале была использована английская метрическая система, все велич и ны перев едены в систему СИ. В скобках столбцов 4, 5 указано процентное возрастание (убывание) соо т ветствующих характеристик относительно усредненного значения для партий с ©возрастомª 0 лет. Анализ публикации [5] и ранее приведенных стандартов позволяет сде лать следующие выводы: ‬ контролируемые баллистические характеристики, за исключением времени выстрела, одинаковы с контролируемыми, в отечественной практике баллистическими параметрами; МОДЕЛ ЮВАННЯ ПРОЦЕС І В ПРОМ ИСЛОВОГО ОБ ЛАДНАННЯ _________________________________________________________________________________ Інтегровані технології та енергозбереження 3 ‱20 12 64 ‬ выбранная совокупность характеристик позволяет отслеживать вариации боевого эффекта, а ко н троль непревышения пороховыми газами порогового давления и контроль времени его наступления сп о собствует оценке безопасности стрельбы; ‬ изменения баллистических характеристик боеприпасов при их хранении в условиях действия сов о купно го климатическо - временного фактора имеют нестационарный характер; ‬ обращает на себя внимание отдельное друг от друга рассмотрение характеристик баллистики пор о хового заряда и физико - химических характеристик пороха без поиска корреляционных взаимосвязи, п о добных формуле ИКОПЗ, в которой, например, по уменьшению количества летучих компонентов оцен и вают изменения в баллистике. Такое состояние можно объяснить либо отсутствием этой связи для ин о странных порохов (ее ©слабымª проявлением), что маловероятно, либо нечувствительностью в ы бранных в качестве инструментально - определяемых физико - химических характеристик к результирующему ба л листическому эффекту. Таблица 4 ‬ Результаты полигонных испытаний 20 мм боеприпасов после долгосрочного их хранения №/№ Характери стики Результаты стрельб 0 лет (*) 10 лет (**) 20 лет (**) 1 Давление в канале ствола, МПа 378,18 371,63 ( ‬ 1,73 %) 379,38 (+ 0,32 %) 2 Начальная ск о рость, м/с 1032,51 1030,22 ( ‬ 0,22 %) 1031,38 ( ‬ 0,11 %) 3 Время выстрела, мс 2,6 2,5 (+ 3,9 %) 2,55 (+ 1,9 %) 4 Срабатывание трассера, % 97,75 95,25 ( ‬ 2,6 %) 95,25 ( ‬ 2,6 %) Примечание : * ‬ перед закладкой на длительное хранение; ** ‬ после 10, 20 лет хранения в усл о виях арсенала. Организация контроля без выявления и дальнейшего использования корре ляционных связей между физико - химическими характеристиками и баллистическим эффектом лишает систему гибкости, дел а ет ее трудоемкой и финансово затратной. Для пояснения этого тезиса приведем три цитаты из © Ordnance pa m- ‬ 4. Ammunition. Instruction for the naval serviceª 1943 г . [6], посвященного обращению с пор о хом : (1) ©…По мере того как зерно пороха подвергается процессу разложения в нем всегда присутс т вует азотная (азотистая) кислоты, молекулы которой атакуют остаточный растворитель (этанол), с о держа щийся в некотором количестве в пороховой массе, при этом качество поверхности ухудшае т ся. Микроскопические тонкие трещины развиваются по краям порохового элемента, там происходит зн а чительная потеря летучих веществ. В этих местах зерно делается ломким, а его структура начин а ет выкрашиваться и ломаться…ª. (2) ©… При хранении пороха не должно быть никаких вариаций с весом порохового заряда, однако такие изменения возможны, если происходят следующие явления: поглощение влаги, которое обусловит замедление горен ие пороха, что приводит к уменьшению дульной скорости по сравнению с первоначал ь ной кондицией; удаление остаточных летучих веществ, содержащихся в пороховой массе из - за чре з мерной жары, что обусловит убыстрение горения пороха и даст приращение дульной скор ости .ª (3) ©… Следует отметить, что потеря устойчивости пороха, пока она не сделает порох фактич е ски непригодным, сама по себе заметно не влияет на его баллистику…ª Первая из них на качественном уровне дает описание механизма разложения порохового элемента, вторая показывает связь изменения физико - химических характеристик с баллистическим эффектом. О д нако третья фактически отрицает ранее сказанное в первом и во втором утверждениях. Данный факт подчеркивает противоречивость эксплуатационных документов, основа нных на гипотезе ©несуществе н ностиª процесса разложения. В 2001 г. в работе сотрудников концерна ©Нитрохимияª во главе с Б. Фогельзенгером [7], дается о б щая качественная картина процессов сокращающих срока службы нитроцеллюлозного пороха, основн ы ми из них являются следующие (рис. 1): ‬ деградация нитроцеллюлозы; ‬ деградация стабилизатора химической стойкости; ‬ диффузия продуктов в пороховой массе; ‬ вторичная деградация компонентов распада и возникновение проблемы их несовместимости. В 2006 г. исследоват ели Ливерморской национальной лаборатории США А. Бурнхан, Л. Фрид [8], и с следуя вопросы деградации пластических бризантных взрывчатых веществ, устанавливают количестве н ную модель протекания начальной стадии деградации нитроцеллюлозы. Их уравнение, записанн ое с и с пользованием инженерных формул, приводится ниже: МОДЕЛ ЮВАННЯ ПРОЦЕС І В ПРОМ ИСЛОВОГО ОБ ЛАДНАННЯ _____ ____________________________________________________________________________ Інтегровані технології та енергозбереження 3 ‱20 12 65 C 6 H 7,7 N 2,3 O 9,6 → C 5,95 H 7,99 N 1,9 O 8,76  нитропроизводные ДФА  0,001 N 2 + 0,024 N 2 O + + 0,012 CO + 0,012 CO 2 + 0,012 H 2 O , где ДФА ‬ дифениламин. Эта зависимость показывает, что нитроцеллюлоза как нитр ополимер при начальном содержании в ней азота 12 ‬ 12,5 % постепенно дегр а дирует к состоянию с содержанием азота в 9 ‬ 10 %. Этот процесс сопровождается образованием 4 - х газовых компонент, воды и производных дифениламина. Распад ни т рополимера приводит к потери 7,2 % его массы, 82 % которой удержив а ется стабилизатором химической стойкости, играющим роль своеобразной губки и выполня ю щим двойную функцию: ‬ агента удержания в составе пороховой массы веществ важных с точки зрения постоянства энергет и ки пороха; ‬ зам едлителя течения автокат а литических реакций. Рисунок 1 ‬ Основные причины, влияющие на продолжительность срока службы пор о ха Безвозвратные потери за счет химических изменений, протекающих в направлении ©твердое тело ‬ газª, составляют 1,3 % от первичной массы. Таким образом, если взять следующую условную пороховую рецептуру, где содержание ее комп о нентов взято в процентах , то при деградации вещество может терять до 3,3 % своей массы за счет потерь в виде: 1 % пластификатора; 1 % воды (вторую половину об щего количества влаги будем считать св я занной и удерживаемой в пороховой массе) и 1,3 % газовыделения за счет энергетической основы. Если пороховой заряд 100 мм корабельного орудия приравнять к массе 5250 г, то при длительном его хран е нии можно получить пр едельный ©дефектª массы (недостающая масса) равный 173,25 г от первоначал ь ного значения. Такой эффект полностью соответствует физическим представлениям, приведенным в ц и татах (1, 2) выше упом я нутого © Ordnance ‬ 4ª [6]. энергетическая основа: нит роцеллюлоза (азот 12 %) ‬ 96 ,0 пластификатор: этанол ‬ 0,5 диэтиловый эфир ‬ 0,5 стабилизатор химической стойкости: дифениламин ‬ 1,0 вещества паразиты: вода (влага) ‬ 2 ,0 Исследования процессов старения пороховых зарядов раздельного заряж ания 4Ж40 на этапе 25 ‬ 30 лет, приведенное в [17], дало обнаружение ©дефектаª массы в ≈ 400 г., что при средней массе п о роха в 5000 г дает убывание массы до 8%, что сопоставимо с результатом вышеприведенной модели разлож е ния, ввиду того, что корпус 4Ж40 не металлический, а сгораемый на нитр о целлюлозной основе. Таким образом, если массу артиллерийского выстрела представить в виде системы, изображе н ной на рис. 2 , то пороховой заряд следует рассматривать как основной, и относительно других стру к турных элементо в выстрела, самый динамично меняющий свою массу ко м понент. В 2011 г . в серии ©International ammunition technical guielineª издаются рекомендации ©Surveillance and in - service proofª [9]. Этот документ наряду с трактовкой терминов и методов физико - химически х исследований порохов приводит модели уменьшения этого срока при увеличении средней те м пературы хранения. Основным фактором, влияющим на сокращение срока службы пороха, убыстряющего процесс дегр а дации нитроцеллюлозы (в том числе стабилизатора химической стойкости) и увелич и вающего скорость МОДЕЛ ЮВАННЯ ПРОЦЕС І В ПРОМ ИСЛОВОГО ОБ ЛАДНАННЯ _________________________________________________________________________________ Інтегровані технології та енергозбереження 3 ‱20 12 66 молекулярной диффузии, является температура окружающей среды. Приведенная модель поясняется следующим о б разом [9]: ©Во время длительного хран е ния, скорости протекающих в порохе деструктивных процессов пр и мерно удваиваю тся на каждые 10 °С после превышения темп е ратурного порога равного 30 °C. Бол ь шинство порохов, в зависим о сти от их рецептурного состава в условиях хранения при постоянной те м пературе 30 °C имеют срок использования равный 15 ‬ 40 г о дам. Он возрастет, если тем п е ратура хр а нения уменьшится до уровня 10 ‬ 20 °C, что соотве т с т вует умеренному климату. В усл о виях возде й ствия высоких темп е ратур стабилизатор хим и ческой стойкости истощается гораздо быстрее, а в е роятность самово з горания пороха ввиду пр о текания автокаталитических реакций становится гораздо в ы ше…ª . Модели уменьшения срока эксплуатации пороха представл е ны на рисунке 3. На фрагментах а , б из о бражены аксонометрическое изображение поверхностей, хара к теризующих сокраще ние срока. По оси Х отложены заданные (проектные) временные интервалы хранения порохов ‬ 15 ‬ 40 лет. Ось Y показывает увеличение темп е ратуры в диапазоне 20 ‬ 90 о С. Считается, что температура не меняется на всем промежутке хран е ния. Ось Z характеризует уменьш ение срока эксплуатации по критерию химич е ской стойкости относительно пе р воначального (проектного) значения. Эффект сокращения срока объя с няется протеканием реакций ра з ложения (автокатал и за) в пороховой массе. На фрагментах в , г являются изображение верхни х рисунков с использованием способа ©семействаª кривых. Отличие фрагментов в от г , а, следовательно, а от б заключается в том, что второй из них более ©жесткоª оценивает уменьшение эк с плуатационного срока в окрестностях температуры 30 о С (кривая больше про седает). Аппроксимация кривых рис. 2 г выполненная с использованием полиномов 4 - го п о рядка представлена в таблице 5. Достоинство приведенных моделей заключается в том, что они показывают динамику сокращения срока службы пороха, од нако их недостаток ‬ отсут ствие характеристик пороха, подвергающиеся во з действию со стороны автокатализа и которые можно инструментально контролировать. Таким образом, на лицо описание явления с точки зрения его усредненной феноменологии. Таблица 5 ‬ Полиномиальная аппроксимация м одели уменьшения срока эксплуатации Срок эксплу а тации Коэффициенты полинома вида Y = p 1 ∙ t 4 + p 2 ∙ t 3 + p 3 ∙ t 2 + p 4 ∙ t + p 5 p 1 p 2 p 3 p 4 p 5 15 лет - 2,1802e - 6 0,00048794 - 0,034263 0,56994 13,762 20 лет - 2,8291e - 6 0,00063219 - 0,044181 0,71143 18,853 30 лет - 4,2254e - 6 0,00094512 - 0,0661 1,0637 28,302 40 лет - 5,6763e - 6 0,0012683 - 0,088654 1,4317 37,619 Наряду с оценкой фактического срока службы пороха развивается математический аппарат пр о гноза степени опасности боеприпаса. Так согласно [10 ‬ 12], в качестве характеристики опасности боепр и паса в Основной источник потерь массы Рисунок 2 ‬ Составляющие массы артиллерийского выстрела МОДЕЛ ЮВАННЯ ПРОЦЕС І В ПРОМ ИСЛОВОГО ОБ ЛАДНАННЯ _____ ____________________________________________________________________________ Інтегровані технології та енергозбереження 3 ‱20 12 67 отношении длительного хранения введена оценка вероятности его самовоспламенения ( autoign i tion ). В отчетах [11 ‬ 12] такая характеристика рассчитана для реактивного порохового двигателя неупра в ляемых реактивных с нарядов 155 мм M 55. Основу его твердотопливного двигателя составляет двухо с новной нитроцеллюлозный порох М28 массой 8700 г, находящийся в камере сгорания в виде шашки. Календа р ный срок хранения рассматриваемых образцов M 55 при расчете не указан, однако мож но пре д положить, что их закладка на хранение произошла в 1963 ‬ 1968 гг. Из содержания следует о наличии д о пустимой вероятности самовоспламенения двигателя, однако ее конкретная величина не указана. Рисунок 3 ‬ Влияние теплового фактора на уменьшение срока эксплуат а ции Таблица 6 ‬ Оптимистичный прогноз вероятностей (©оценка сверхуª) самовоспламенения ракет 155 мм неуправляемых ракет M 55 для пяти баз их хранения Года Название баз хранения оружия и вероятности самовозгораний ( Р а і ), год - 1 Среднее зн а чение Tooele Anniston Umatilla Pine Bluff Blue Grass 2010 7,8∙10 - 17 9,0∙10 - 16 1,4∙10 - 15 1,2∙10 - 15 1,7∙10 - 15 1,06∙10 - 15 2015 5,1∙10 - 14 5,2∙10 - 13 8,3∙10 - 13 6,6∙10 - 13 9,1∙10 - 13 5,94∙10 - 13 2020 5,2∙10 - 12 5,2∙10 - 11 8,2∙10 - 11 4,9∙10 - 11 8,5∙10 - 11 5,46∙10 - 11 2025 2,0∙10 - 10 1,7∙10 - 9 2,7∙10 - 9 1,8∙10 - 9 2,7∙10 - 9 1,82∙10 - 9 2030 3,8∙10 - 8 3,1∙10 - 8 4,8∙10 - 8 3,0∙10 - 8 4,7∙10 - 8 3,88∙10 - 8 Побудительным мотивом к началу работы по исследованию М55, снаряженной химической голо в ной частью было то, что при пожаре БЧ может разге рметизироваться и привести к значительному уще р бу. К а б в г МОДЕЛ ЮВАННЯ ПРОЦЕС І В ПРОМ ИСЛОВОГО ОБ ЛАДНАННЯ _________________________________________________________________________________ Інтегровані технології та енергозбереження 3 ‱20 12 68 тому же саморазогрев порохового двигателя приводит к повышению летучести ее химического агента, что затрудняет эксплуатацию данного вида оружия. Прогноз самовоспламенения выполнен на временной интервал в 20 лет (2010 ‬ 2030 гг.) для пяти баз хранения в виде оценок вероятности самовоспламенения боеприпаса за вр е мя 1 год. Авторами статьи проведено усреднение данных таблицы 6 и нанесение получе н ных результатов на полулогарифмическую шкалу (рис. 4). Прогнозная кривая ОА BC с возрастанием времени увеличивает вероя т ность реализации самовоспламенения, однако тенденция уменьшения скорости приращения этой вер о ятности при сроках хранения достигающих на 2015 г. (2015 - 1965 = 50 лет), слишком ©опт и мистичнаª. Более логи чен был бы ее рост по траектории OFTF (где OD рассматривается как ось симметрии) с более быстрым достиж е нием значения 1∙10 - 6 , что требует снятия изделия с эксплуатации по показателю безопасн о сти. Таким образом, на этапе 1998 ‬ 2010 гг. в зарубежных исследов аниях посвященных аспектам долг о срочного и безопасного хранения оружия с учетом его геронтологии все бол ь шее внимание уделяется не только качеству перехода боеприпаса в предельное состояние, но и колич е ственной его оценке: ‬ вводится новая характеристика вероятность самовоспламенения за счет протекания автокаталитич е ских реакций разложения ни т роцеллюлозы; ‬ осознается факт возрастания этой величины со временем, а, следовательно, и опасн о сти; ‬ вводится понятие о приемлемой вероятности неблагоприятного исхо да; ‬ описываются предпосылки скачкообразного увеличения величины вероятности самовоспламен е ния. Однако вопрос адекватности методического аппарата и физики явления самораз о грева пороховой массы остается пока откр ы тым. Поскольку на современном уровне знани й не представляется возможным устранить причины, прив о дящие к автокаталитическому разложению нитроцеллюлозы, как основного компонента пироксилинов о го пороха, то единственными действенными контрмерами, на настоящий момент являются мер о приятия по стабилизаци и его химической стойкости и контроль состояния пороховой массы. Мероприятия по стабилизации химической стойкости планируется на стадии разработки пороховой рецептуры и реализуется на этапе ее производства. Теория стойкости высоком о лекулярных соединений да вно вышла за пределы нитроцеллюлозных порохов и на сегодня является самостоятельно развива ю щимся научным направлением, с которым мы каждодневно встречаемся, например, при покупке пищи. Известна целая группа веществ, широко используемых в качестве стабилиз а торов. Контроль состояния пороховой массы осуществляется после выделки пороха на этапе эксплуатации боеприпаса. Учитывая то, что эксплуатационный этап жизненного цикла этих изделий может длит ь ся 30 ‬ 50 и более лет, в течении которых боеприпас, как однораз овое невосстанавлива е мое изделие ожидает применения по назначению, то постро е ние рациональных систем контроля является важным аспектом решения проблемы, связанной с геронтологией порохового заряда на эксплуат а ционном этапе его жи з ненного цикла. Успехи ан алитического приборостроения, н а метившиеся за рубежом в последние 30 лет, пр и вели к разработке и внедрению новых физ и ко - химических методов исследования высоком о л е кулярных и полимерных соединений, к кот о рым в частности относятся нитроцеллюлозные пор о ха. Зна чительная их часть ориентирована на и с пользование в условиях передвижных лабор а т о рий. Только в американском техническом ста н дарте по ВВ военного предназначения (ТМ 9 - 1300 - 214 [13]), который был опубликован в 1984 г., в главе о свойствах и о экспериме н тал ь н ых методах исследования порохов привед е ны 23 метода их испытаний. Кроме этого продолжают развиваться неконтактные методы контроля п о роха на основе ультразвука, рентгеновского сканирования и других мет о дик. Не раскрывая, подробности каждого из существующих методов отметим, что принципиально все они базируются на трех подходах: термодинамическом, химическом и тепловом. Термодинамический подход основан на том, что любое тело, поглощая тепло извне, перерабатывая его в себе, должно возвращать часть его обратно в среду не меняя своей структуры. Основу термодин а Рисунок 4 ‬ Функции убывания усредненной Р аі в завис и мости от времени МОДЕЛ ЮВАННЯ ПРОЦЕС І В ПРОМ ИСЛОВОГО ОБ ЛАДНАННЯ _____ ____________________________________________________________________________ Інтегровані технології та енергозбереження 3 ‱20 12 69 мических методов, которые исторически положили начало экспериментальному исследованию свойств порохов, являются процедуры контролируемого нагрева и слежения за изменением состояния пороха. Химический подход основан на аксиоме постоянства химического состава. Любое отступление от этого правила является сигналом начала необратимых процессов в пороховой массе. Успехи аналитич е ской химии и химии полимеров обогатили их арсенал высокочувствительными инструментами обнар у жения течения автокаталитических реакций. Одним из современных быстроразвивающихся методов химического анализа порохов является выс о коэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ). Ее англоязычным эквивалентом является те р мин ©high performance liqui chromatographyª (HPLC). ВЭЖХ на сегодня является наиболее соверше н ным методом разделения с ложных смесей веществ , каким и является пороховая масса. Общий вид совреме н ного прибора жидкостной хромотографии представлен рис. 5 а. Рисунок 5 ‬ Общий вид современных приборов жидкостной хромотографии ( а ) и калориметрии ( б ) Тепловой подход представляет собой разновидност ь термохимических представлений. Протекание экзотермических химических реакций в толще пороховой массы делают ее источником тепловой эне р гии, интенсивность выделения которой фиксируется калориметрами. В работе [15] приведен диап а зон изменения массовой плот ности теплового потока, который равен 500 ‬ 5000 мкВт/г. На рис . 5 б из о бражен калориметрическая пороховая станция 3206 фирмы Bodvcote CMK Materials testing [14]. Ее диапазон и з мерений соответствует величине 5 мкВт ‬ 60 мВт. Зарубежная практика контроля поро ха опирается на совокупность нескольких методов экспериме н тальны исследований пороха, например комплекс средств BoMic II Boycote CMK использует ВЭЖХ и микрокаллориметрию. В работах Франхоферского института химической технологии (ФРГ) [15], посв я щенных спо собам оценки срока службы пороха приводится иная совокупность экспериментальных м е тодов исследования (табл. 7): Таблица 7 ‬ Методы экспериментальных исследований физико - химического состава пороха №/№ Характеристика порохового материала Способ определ е ния 1 Средняя молярная масса гель хроматография 2 Уровень стабилизатора химической стойкости ВЭЖХ 3 Содержание вещества антиоксиданта ВЭЖХ 4 Содержание пластифицирующих веществ ВЭЖХ 5 Содержание веществ контролирующих процесс горения ВЭЖХ 6 Падение м ассы вещества взвешивание 7 Генерация газа газовый контроль 8 Генерация тепла микрокалориметрия 9 Контроль теплоты взрывчатого превращения (к а лорийности) калориметрическая бомба 10 Эластичность динамический ан а лиз материала Таким образом, в отношении нитроцеллюлозных артиллерийских порохов можно говорить о пост е пенном переходе от контроля за одним параметром к контролю их совокупности, которые уже рассма т риваются системно в их взаимосвязи. Помимо наблюдений за динамикой изменения выбранной сов о купност и характеристик, их объединяют в виртуальное ©состояниеª пороха. Такое объединение инфо р мации происходит на базе заранее разработанной математической модели порохового заряда как физич е ского объекта, которые являются ©ноу - ха у ª того или иного производителя. Далее на основе системат и ческих наблюдений, и при наличии модели переходят к более сложной операции ‬ прогнозу изм е нения а б МОДЕЛ ЮВАННЯ ПРОЦЕС І В ПРОМ ИСЛОВОГО ОБ ЛАДНАННЯ _________________________________________________________________________________ Інтегровані технології та енергозбереження 3 ‱20 12 70 ©состоянияª порохового заряда на перспективу. Такая трехступенчатая система получила название с и с темы мониторинга состояния. В отечест венной практике эксплуатации боеприпасов и средств поражения имеются определенные о т ставания. Несмотря на ряд техногенных катастроф, произошедших в Украине в течение последнего десят и летия, системных исследований направленных на установление параметров тра нсформаций состояния бо е припасов и средств поражения при их старении не ведется. Имеют место отдельные работы, посв я щенные изменению свойств танковых артиллерийских боеприпасов и боеприпасов к стрелковому оружию [17]. Развитие методов оценки физического с остояния пороховых зарядов к ствольным системам при сов о купном действии на них фактора ©климат - времяª; оценка степени их опасности; а также интенси в ность внедрения передовых методик контроля адекватны современному состоянию отечественных баз и скл а дов. С у четом того, что геронтологические изменения пороховых зарядов трансформируют внутрибалл и стические параметры, практически важным представляется решение задачи об определении степени вл и яния этих модификаций состояния на боевые, технические и эксплуатационны е свойства ствольных с и стем. Эта задача приобретает особую важность применительно к корабельным артиллерийским ко м пле к сам ввиду специфических условий, складывающихся при нахождении надводного корабля в авт о номном плавании. К ним следует отнести: ограниченн ые ресурсы на корабле, в том числе по боеко м плекту и совместному нахождению артиллерийского и минно - торпедного боезапаса в рамках надводного корабля как носителя оружия. Критически подходя к иностранному опыту мониторинга состояния боеприпасов и средств по раж е ния, в частности к мониторингу пороховых зарядов, следует отметить то, что западными аналитиками сделана ставка на высокоточные методы жидкостной хроматографии и калориметрии с последующим сравн и тельным причинно - следственным анализом их результатов. В этой связи важными является учет еще одного аспекта. С точки зрения методологии западный подход добиваясь высокой точности опред е ления текущего состояния химической стойкости (стоимость боевого корабля ‬ носителя оружия возро с ла 5 и более раз, объем носимо го боезапаса также увеличивается), платит за это повышенной удельной стоим о стью цикла измерений и относительно низкой удельной пропускной способностью лаборатории (один анализ длится 20 и более суток). К тому же, совокупность методов выбранных в качестве б азовых, не позволяет ничего определенного сказать о втором аспекте стойкости ‬ баллистической. Это происх о дит ввиду того, что выбранные параметры контроля (дифениламин и его нитропроизводные) не являются энергетическими компонентами, и на их основе нельзя выявить связь ©новое физико - химическое состо я ниеª ‬ ©измененный баллистический эффектª. Категории химической нестабильности артиллерийских порохов по стандартам принят ы м в США представлены в таблице 8 [4] . Таблица 8 ‬ Категорий химической нестабильности а ртиллерийских пороха по стандартам , прин я т ы м в США Кат е го рия Процент стабилизат о ра Характер потерь стабилизат о ра Степень опасность пороха А более 0,45 % незначительная потеря стаб и лизатора порох безопасен для длительного хран е ния В от 0,45 до 0,3 % п риемлемая потеря стабилиз а тора порох безопасен для длительного хран е ния С от 0,3 % до 0,2 % существенная потеря стабил и затора порох не представляет непосредственной опа с ности, но приближается к потенциально опа с ному состоянию нестабил ь ности D менее 0, 2 % недопустимо высокая потеря стабилизат о ра порох представляют потенциальную опа с ность и недопустим к длительному хран е нию Здесь хочется привести один из известных приме ров установления такой связи ‬ так называемая формула испытательной комиссии Охтенск ого порохового завода (ИКОПЗ), которая с точки зрения п о роховой геронтологии интересна тем, что учитывают величину δН % ‬ процентное содержание летучих веществ в пороховой массе [17], о чем в частности говорится в американском стандарте © Ordnance pa m- ‬ 4ª [6]: , . МОДЕЛ ЮВАННЯ ПРОЦЕС І В ПРОМ ИСЛОВОГО ОБ ЛАДНАННЯ _____ ____________________________________________________________________________ Інтегровані технології та енергозбереження 3 ‱20 12 71 Малоразвитость экспериментальной базы аналитического приборостроения на рубеже 1890 ‬ 1920 гг. не давала возможности определить δН с необходимой точностью и оперативностью, что не позволило формуле ИКОПЗ стать действенным инструментом в войсках, а ограничило ее статус уровнем академ и ческого изучения внутрибаллистических процессов. Однако сегодня положение изменилось и для об ъ е диненного рассмотрения физико - химической и баллистической стабильно сти пороха сложились благ о приятные условия. Литература 1. Dale G.F. Stability of nitrocellulose based powder. Warship international . XVII №4. 1980. ‬ p . 23 ‬ 28. 2. Российский императорский флот. ‬ СПб: Издательское товарищество И.Д. Сытина. 1915, ‬ 230 с . 3. The threat from explosive events in ammunition storage areas. Электронный интернет ресурс ‬ http://www.iansa.org/un/documents/ExplosiveEvents1995 ‬ 2009.pdf . 4. Propellant man agement guide. Logistics review and technical assistance office. U.S. Army industrial o p e r- ations command. Rock Island. 1998. ‬ 46 р . 5. Wilson J. A. A new approach for service life evaluation of gun propellant. Naval surface warfare center. Crane division. 1998. ‬ 10 p. ‬ 4. Ammunition. Instruction for the naval service. 1943. ‬ 190 р . 7. Vogelsanger B., Ossola B., Schadeli U., Antenen D., Ryf K. Ballistic shelf life of propellants for medium and small calibre ammunition ‬ influence of a tio n- al Symposium of Ballistics, 7 - 11 May 2001, Interlaken, Switzerland. 41 - 48 р . - CONF - 224391. 7th aging, compatibility and stock pile stewardship conference. Los Alamos, NM, USA. September 26, 2006 ‬ September 28, 2006. ‬ 6 p. 9. Surveillance and in - service proof. International ammunition technical guideline. IATG 07.20. First ed i tion. 2011. ‬ 26 p. 10. Effects of degraded agent and munitions anomalies on chemica l stockpile disposal operations . Washin g- ton, DC: The National Academies Press, 2004. ‬ 66 р . r deen proving ground. Md.: Prog ram manager for chemical demilitarization. 2002. for chemical demilitarization. 2002. 13. Military Explosives. TM 9 - 1300 - 214. HPLC system for surveillance testing of propellants. Bodvcote CMK Mat e- rials testing. o s i- e, 1996. Conference proceedings 586. 16. Анипко О.Б., Гончаренко П.Д., Хайков В.Л. Преждевременные разрывы снарядов корабельной а р тиллерии и методы их предупреждения. Зарубежный опыт. // Збірник наукових праць Академії військ о во - морських сил имени П.С. Нах имова. ‬ 2011. ‬ №4(48). ‬ С. 6 ‬ 16. 17. Анипко О.Б., Бусяк Ю.М. Внутренняя баллистика ствольных систем при применении боепр и пасов длительных сроков хранения. ‬ Харьков.: Изд - во академии внутр. войск МВД Украины, 2010. ‬ 130 с. УДК 623.451.4 Анипко О . Б . , Х айков В . Л . АНАЛІЗ МЕТОДІВ ОЦІНКИ СТАНУ ПОРОХОВИХ ЗАРЯДІВ ЯК ЕЛЕМЕНТ СИСТЕМИ МОНІТОРИНГУ АРТИЛЕРІЙСЬКИХ БОЄПРИПАСІВ Розглядаються методи оцінки стану порохових зарядів, що дозволяють враховувати зміну бойового ефекту, безпеки стрільби та безпеки зберіг ання боєприпасів . Anipko O . B ., Khaykov V . L . METHODS ANALYSIS FOR ASSESSMENT OF PROPELLANT CHARGES AS A PART OF THE ARTILLERY AMMUNITION MONITORING SYSTEM rfo r- m

Приложенные файлы

  • pdf 37816902
    Размер файла: 599 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий