Нітроцелюлозні порохи
Порохи є метальними вибуховими речовинами. Основний вид вибухового перетворення - горіння, що не переходить у детонацію. Порохи легко спалахують і горять паралельними шарами, що дозволяє в широких межах регулювати утворення порохових газів і управляти явищем пострілу.
Нітроцелюлозні порохи – офіційно прийнята у внутрішній балістиці назва, вони ж бездимні, вони ж колоїдні. Пороху це пластифіковані нітрати целюлози різного походження від бавовняної вати, первинної целюлози з деревини, подрібненого пергаменту та віскозної нитки до різаної макулатури. Це основна причина різної якості пороху різних виробників.
Піроксилини дуже крихкі, і з них не можна отримати однакові за формою та розміром, відносно стійкі до механічних впливів зерна. Тому з них на початку отримують пластичні та термопластичні маси шляхом додавання розчинників (пластифікаторів). За типом розчинника діляться на одноосновні (Single base powders) та двоосновні (Double base powders).
Одноосновні порохи - це порохи на летких розчинниках, ефірноспиртових сумішах. Надлишки, яких після формування зерна, видаляються сушінням. Двоосновні порохи це порохи на важколетких і не летких марнотратах, це або нітрати багатоатомних спиртів (нітрогліцерин, ніродигліколь та ін), або ароматичні сполуки (ді-і тринітротолуол та ін).
Є ще пороху емульсійного приготування, емульсії змішаних розчинників у воді. Під час роботи над цією статтею з'явилася перевірена на балістичному комплексі інформація.
Патрони, споряджені одноосновним порохом G3000/32A в минулому році і що зберігалися в приміщенні при вологостіблизько 30% показали максимальний тиск більш ніж на 200 бар вище порівняно зі свіжими (786-862 проти 596-628 бар). Що не допустимо для рушниць з патронниками 70 і 65 мм т.к. це вище за середній максимальний експлуатаційний тиск. Про отримання якісного дробового осипу при такому максимальному тиску і мови бути не може.
На думку фахівців, це пояснюється вимогами ТУ щодо зберігання патронів та порохів саме одноосновних. Вологість у приміщенні зберігання має бути не нижче 62%, нижня межа мені не відома і потребує уточнення. Рекомендують перед використанням витримати такі патрони 2 тижні у приміщенні з вологістю близько 60%.
Патрони, оснащені двоосновним порохом M92S, ніякої різниці при відстрілі не показали. Властивості цих порохів менше залежить від умов зберігання.
Властивості порохів.
Щільність (питома вага) для стрілецької зброї знаходиться в межах 1,3 -1,64 г/см3, у розрахунках практично не застосовується та виробниками не повідомляється.
Форма та розміри зерна. Це головний показник, що визначає швидкість горіння та газоутворення. Визначальним розміром є найменша товщина палаючого шару. Зерна прямокутної форми горять швидше, ніж сферичні.
Прогресивність – властивість пороху збільшувати швидкість горіння та газоутворення зі збільшенням основного простору. У порохах для стрілецької зброї прогресивність регулюється розмірами зерна, глибиною просочення та складом флегматизаторів. В артилерійських порохах – за рахунок конструкції зерна, наявності трьох і більше каналів, покриття поверхні негорючими речовинами – зерно горить із середини та поверхня горіння постійно збільшується.
Горіння супроводжується значним виділенням газоподібних продуктів та тепла. Прінормальному режимі горіння в продуктах горіння міститься в основному вуглекислий газ, чадний газ, водень, азот та пари води.
Якщо продуктах горіння з'являються оксиди азоту у великій кількості, це ознака аномального горіння. При цьому потужність пороху зменшується вдвічі.
Порох переходить у такий режим горіння при тиску нижче 40-50 бар за одними джерелами та 150 бар за іншими. При цьому порох може навіть припинити горіння у стволі. Це можуть часто спостерігати власники напівавтоматичних рушниць при чищенні ударно-спускового механізму.
Вважаю, що величина 150 бар відноситься до порохів для стрілецької зброї. Цим пояснюється вимога підтримки максимального тиску на максимально допустимому рівні та рекомендації використовувати порохи з номінальною для них вагою снарядів. Так вважається, що 35-грамовий порох Сокіл слід застосовувати зі снарядами не легше 28 г, далі зрив в аномальний режим горіння та втрата сталості бою.
Енергетичні характеристики порохів.
Об'єм газоподібних продуктів горіння 1 кг пороху. Залежить від природи, складу пороху та умов горіння. Для ніторопорохів, призначених для стрілецької зброї, об'єм продуктів горіння приведений до нормальних умов (0 градусів Цельсія, 760 мм рт. ст при пароподібній воді) становить 910-920 л/кг. Для димного пороху ця величина втричі менша.
Тепловий ефект, або кількість тепла, що виділяється при згорянні 1 кг пороху. Для порохів, призначених для стрілецької зброї, - 8000-9000 ккал/кг. Температура горіння 2800-2900 градусів Кельвіна.
Сила пороху.
Це робота, яку могли б здійснити газоподібні продукти горіння 1 кг пороху, розширившись про атмосферний тиск (760 мм рт.ст.) при нагріванні їх від нуля дотемператури горіння у градусах Кельвіна. Для порохів, призначених для стрілецької зброї 1000000 Дж.
Коволюм. Це величина, характерна для певного типу пороху, пропорційна обсягу газових молекул, і впливає на величину тиску. При відносно низьких тисках, як у гладкоствольній рушниці, їм можна знехтувати.
Швидкість горіння пороху при Р=1 бар. Залежить від хімічного складу пороху. Ця швидкість горіння залежить від вмісту летких речовин. Сила пороху при згоранні в постійному обсязі впливає на величину тиску та швидкість його наростання, швидкості горіння при Р=1 бар – тільки на швидкості наростання тиску. Вони є балістичними характеристиками пороху.
Крім балістичних характеристик на величину та характер наростання тиску впливає щільність заряджання, яка є характеристикою умов заряджання. Щільність заряджання є відношенням ваги заряду до обсягу, в якому горить порох.
Гравіметрична щільність. Вона характеризує ступінь компактності заряду при даній щільності пороху, вона більша у пороху, зерна якого мають округлені краї і менше у пороху з прямокутними краями і ребрами, що виступають. Найбільшу гравіметричну щільність має порох із кульовою та прутковою формою зерна.
Гравіметрична щільність (об'ємна, насипна вага) прийнято вимірювати в г/дм3 (г/л), в порохах для гладкоствольної зброї знаходиться в межах 450-650. У лінійці порохів одного виробника, чим більша гравіметрична щільність, тим менша швидкість горіння і вища прогресивність.
У патроні для гладкоствольної рушниці, при щільних способах спорядження та підтискання пороху гравіметрична щільність залишається незмінною і не залежить від величини первинного стисненняі підтискання зусиллям завальцювання, що на кінцеві параметри пострілу не впливає.
Таким чином, є три балістичні характеристики:
Сила пороху. Швидкість горіння при Р= 1 бар Розміри та форма зерна.
І характеристику умов заряджання – щільність заряджання.
Основні фази процесу горіння. Швидкість горіння.
У процесі горіння розрізняють три фази: запалення, займання та горіння.
Запалення – процес початку горіння під впливом зовнішнього імпульсу, вибуху КВ. Після того, як порох загориться хоча б в одній точці, реакція горіння йде сама собою за рахунок виділеного при цьому тепла. Початку горіння передує нагрівання та поява горючих газів. При запаленні порох повинен нагріватися швидко, тому що при повільному нагріванні горючі гази розкладаються і порох швидко втрачає свої балістичні властивості.
Для цього тиск, що створюється капсулем, повинен бути не нижче деякої межі, який залежить від складу ВР капсуля, природи пороху, щільності заряджання, калібру рушниці. Капсуля для займання спортивних та мисливських нітропорохів діляться на три класи: потужні, середні та слабкі. Універсальними вважаються потужні капсулі.
Питання застосування різних за потужністю капсулів залежно від типу пороху, калібру та умов заряджання потребує окремого розгляду.
Якщо потужність запалюючого імпульсу недостатня, і його тиск мало, то займання може статися, чи вийде затяжний постріл. Цим обґрунтовуються рекомендації підсипки димного пороху при спорядженні з нітропорохом та малопотужним капсулем ЦПВ, який призначений для димного пороху.
Бездимний порох спалахує при температурі 200 градусів Цельсія, димний при 300. Після запалення одночасно йдуть двапроцесу - займання та власне горіння.
Запалення - процес поширення горіння по поверхні порохових зерен. Швидкість займання головним чином залежить від тиску, стану поверхні зерна пороху (гладка, шорстка, пориста), від його природи, форми, від складу газів та продуктів горіння КВ.
Горіння пороху – процес поширення реакції горіння вглиб порохового зерна перпендикулярно до поверхні пороху. Швидкість горіння також залежить від тиску навколишніх порох газів, його природи та температури горіння.
На відкритому повітрі швидкість займання бездимних порохів у 2-3 рази вища, ніж швидкість горіння. Димний порох спалахує в сотні разів швидше, ніж бездимний 1-3 м/с і 10 мм/с, відповідно.
Аналізуючи формулу Закону горіння, з достатньою точністю можна прийняти, що швидкість горіння порохів для стрілецької зброї прямо пропорційна тиску.
Поняття про теорію горіння пороху.
З тридцятих років минулого століття у внутрішній балістиці прийнято теорію горіння Бєляєва – Зельдовича. Вважається, що спочатку відбувається розкладання твердого пороху та утворення газів, які вступають у горіння при сильному підвищенні температури у газовій фазі. На поверхні пороху температура відносно не висока і відповідає первинному розкладу клітковини. Щодо поверхні зерна пороху з кожної із двох його сторін є три зони.
У зоні безпосередньо на поверхні зерна відбувається реакція розкладання та газоутворення. Товщина цієї зони залежить від товщини зерна, чим воно товстіше, тим менше ця зона, і менше швидкість горіння. Над ним газоподібний шар і лише в останньому третьому шарі відбувається реакція горіння. Між твердою поверхнею зерна і шаром, що горитьзавжди є газовий шар, що не горить.
Т.к. всі зерна заряду спалахнули одночасно, той час горіння всього заряду буде визначатися часу горіння найтовстішого зерна, в ідеалі всі зерна повинні бути однакові і горіння закінчиться одночасно.