ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea...
Transcript of ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea...
i
SISTEM BALISTIC DE CALIBRU MIC, RAPID CONVERTIBIL PENTRU ACȚIUNI LETALE ȘI NELETALE PCCA 297 / 2014 – UEFISCDI - ATM
ETAPA I, 2014 CERCETĂRI PENTRU INTEGRAREA CERINȚELOR OPERAȚIONALE
raport științific și tehnic Activitatea I.5. Studiu preliminar de balistică interioară.
Evaluarea parametrilor balistici ai pulberilor propulsive în vederea utilizării acestora la sistemul
CONPOSE
CONPOSE
2014
responsabil de proiect: director tehnic și de producție, ing. Lucian Bogdan Societatea Uzina Mecanică SADU SA
director de proiect: Lt. col. conf. univ. dr. ing. Marius Valeriu Cîrmaci – Matei Academia Tehnică Militară
decembrie, 2014
Form DOT F 1700.7 (8-72)
Raport Științific și Tehnic - pagină de identificare
Raport nr. 1/2014 Aviz de consultare publică nr. Nr. de catalog
Titlul
CERCETĂRI PENTRU INTEGRAREA CERINȚELOR OPERAȚIONALE
Perioada
01 Iulie 2014 – 21.12.2014
Autori
Academia Tehnică Militară
Societatea Uzina Mecanică SADU S.A.
Codul organizaţiei autorilor
ATM
UM SADU SA
Tipul raportului
Parțial Etapa I / 2014
Denumirea proiectului din care face parte raportul Finanțator
SISTEM BALISTIC DE CALIBRU MIC,
RAPID CONVERTIBIL PENTRU ACȚIUNI LETALE ȘI NELETALE
UEFISCDI – PCCA 2013
Contract nr. 297 / 2014
www.mta.ro; www.acttm.ro; www.umsadu.ro
Conținut
Activitatea I.5. Studiu preliminar de balistică interioară.
Evaluarea parametrilor balistici ai pulberilor propulsive în vederea utilizării acestora la sistemul CONPOSE
Cuvinte cheie Nivel de accesibilitate
Fără restricţii
Clasificarea de securitate a raportului Clasificarea de securitate a paginii Nr. de pagini
Neclasificat Neclasificat
1
CUPRINS
PCCA 297 / 2014 – UEFISCDI - ATM _____________________________________________________________ i
rezumatul etapei _____________________________________________________________ 2
obiectivele raportului __________________________________________________________ 2
Date iniţiale: ______________________________________________________________________ 2
TIPURI DE PULBERI BALISTICE ________________________________________________________ 3
Clasificarea pulberilor _______________________________________________________________________ 3
Clasificarea solvenților ______________________________________________________________________ 4
Caracteristicile pulberilor ____________________________________________________________ 6
Caracteristici fizico-chimice ale pulberilor balistice ________________________________________________ 6
Caracteristicile balistice ale pulberilor __________________________________________________________ 8
DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A CARACTERISTICILOR BALISTICE ________________________ 10
Determinarea experimentală a forței pulberii ___________________________________________________ 11
Determinarea experimentală a vitezei de ardere a pulberii ________________________________________ 13
Exemplu experimental: date măsurate și corelate ale vitezei de ardere pentru pulberea JA2 _____________ 14
DETERMINAREA COEFICIENTULUI LEGII DE ARDERE ______________________________________________ 16
Determinarea experimentală a exponentului legii vitezei de ardere a pulberii _________________________ 17
Determinarea propriu-zisă a indicelui _________________________________________________________ 18
Pulbere NC-03 ____________________________________________________________________________ 19
Pulbere SB 620 ___________________________________________________________________________ 20
Studiu preliminar de balistică interioară. parametrii balistici ai pulberilor ___________________ 22
Caracteristici geometrice ale pulberii SB 520 - Fişă cu rezultatele testului _____________________________ 23
Caracteristici geometrice ale pulberii SB 620 - Fişă cu rezultatele testului _____________________________ 24
CARACTERISTICILE BALISTICE ALE PULBERII SB 620 _______________________________________________ 25
CARACTERISTICILE BALISTICE ALE PULBERII NC03 ________________________________________________ 25
Estimarea caracteristicilor balistice ale munitiei. Analiza solutiei de design __________________ 26
pregătirea muniției pentru studiul efectului neletal _____________________________________ 30
2
REZUMATUL ETAPEI Activitățile derulate în Etapa I au urmat planul de realizare și au scopul de a obține informații necesare pentru
configurarea viitoare a sistemului CONPOSE. Arma cu tragere duală care face obiectul proiectului trebuie să
îndeplinească cerințele operaționale impuse armelor de asalt semiautomate; în același timp, tragerea cu muniție
neletală trebuie să asigure un nivel ridicat de siguranță, precum și funcționarea armei în regim semiautomat.
Funcționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la
prima vedere, dat fiind faptul că impulsul generat la tragere este mai mic. Din acest motiv s-a studiat varianta unei
muniții letale de calibru 9 mm, plecând de la ideea folosirii sistemului letal pe calibru standard NATO 5,56 mm.
În sensul celor arătate mai sus, au fost analizați parametrii balistici pentru diferite tipuri de muniții letale și neletale.
Componenta letală a sistemului CONPOSE va trebui să aibă caracteristici comparabile sau superioare armelor
analizate.
A fost produsă și testată o variantă de laborator pentru muniția neletală de calibru 9 mm, în baza criteriilor de
neletalitate. Am căutat să ne încadrăm în anvelopa de neletalitate a proiectilelor cinetice de calibru mic.
Pentru muniția creată s-a efectuat un studiu preliminar de balistică interioară ce a constat în definirea parametrilor
balistici ai unor pulberi. Acestea trebuie să aibă o vivacitate mare, să susțină combustia elementelor în condiții de
densitate de încărcare scăzută și să ardă predictibil (să nu apară o dispersie foarte mare a valorilor de presiune
maximă înregistrată în bomba balistică).
Pentru continuarea lucrărilor a fost aleasă pulberea SB 620. Cu această pulbere și condițiile de încărcare ale armei
neletale s-au efectuat determinări teoretice, prin simulare și experimentare. Au fost estimați o serie de parametri
balistici ai muniției (viteză, energie inițială, presiune maximă).
OBIECTIVELE RAPORTULUI Au fost aduse contribuții la realizarea următoarelor obiective ale proiectului:
Analiza nivelului posibil de interoperabilitate a sistemului CONPOSE cu muniţia de referinţă NATO Crearea modelului de calcul pentru balistică interioară şi adaptarea permanentă la caracteristicile variabile
ale muniţiilor testate Caracterizarea cerinţelor privind efectul neletal al sistemului, prin studii de caz şi simulare numerică a unor
configuraţii inovatoare de muniţii
DATE INIŢIALE:
Caracteristicile instalaţiei de măsurare a presiunii:
Denumirea tipul SERIA Caracteristica funcţională
Amplificator de sarcină NEXUS TM
2340662 Factor de amplificare: 1000 bar/V
Traductor de presiune Kistler 6201 108 Sensibilitatea medie: 2,055 pC/bar
Bombă balistică Wo = 10 cm3 Temperatura de testare: 27ºC
3
TIPURI DE PULBERI BALISTICE
Pulberile sunt substanțe explozive, al căror regim de descompunere este deflagrația, care în urma unei reacții
puternic exoterme pot furniza energia necesară mișcării proiectilului în țeava gurii de foc și pe traiectorie sau
pentru propulsia rachetelor de pulbere.
Pulberile balistice reprezintă pulberile care dezvoltă efectul de azvârlire, utilizate de gurile de foc, iar cele utilizate
de rachetele cu combustibil solid se numesc pulberi propulsive.
Aceste materii explozive, în urma reacției exoterme, pot furniza energia necesară mișcării proiectilului în gura de
foc și pe traiectorie.
Aceste materiale se aprind ușor, iar la volum închis ard uniform, viteza de ardere fiind proporțională cu presiunea.
În acest fel este posibilă reglarea în limite largi a procesului de emisie a gazelor și prin aceasta stăpânirea
fenomenului tragerii.
În afară de destinația lor principală – sursa de energie pentru sistemele cu țeavă și rachetele cu pulbere – în tehnica
artileristică pulberile se mai utilizează ca:
- Încărcături de aprindere – amorsori;
- Mijloace de transmitere a flăcării;
- Întârzietori;
- Încărcături de evacuare.
CLASIFICAREA PULBERILOR Gama pulberilor este foarte variată, de aceea se pretează clasificarea lor după anumite criterii principale.
a) După forma lor pulberile pot fi:
- Pulberi sub formă de lamă;
- Pulberi sub formă de plăci pătrate;
- Pulberi sub formă de bară;
- Pulberi sub formă de cub;
- Pulberi sub formă de tub;
- Pulberi sub formă de tub cu mai multe canale de formă diferită;
- Pulberi sub formă neregulată;
b) După tipul gurii de foc pulberile se împart în:
- Pulberi pentru armament de artilerie;
- Pulberi pentru armament de infanterie;
- Pulberi pentru aruncătoare;
- Pulberi pentru rachete.
c) După natura fizico-chimică pulberile se împart în:
- Pulberi pe bază de nitroceluloză (pulberi fără fum);
- Pulberi pe bază de amestecuri.
Pulberile pe bază de nitroceluloză se mai numesc pulberi coloidale. Ele reprezintă sisteme omogene obținute de
regulă prin plastificarea și compactizarea nitraților de celuloză cu ajutorul diferiților solvenți. Nitrații de celuloză se
obțin în urma interacțiunii dintre celuloză cu acidul azotic în prezența acidului sulfuric. Ținând cont de gradul de
nitrare se pot clasifica pulberile după criteriul de mai jos.
d) După conținutul de azot din nitrații de celuloză, pulberile pe bază de nitroceluloză pot fi:
- Piroxiline (au un conținut mai mare de 12% N);
- Coloxiline (au un conținut mai mic de 12% N);
4
Solvenții pot intra în compoziția pulberilor cu anumite funcții importante în urmărirea efectului dorit al pulberilor.
CLASIFICAREA SOLVENȚILOR - Solvenți activi
- Solvenți inerți
Solvenții activi au proprietăți explozive și contribuie din această cauză la mărirea energiei potențiale a pulberii.
După prepararea pulberii acești solvenți nu se îndepărtează din masa ei.
Exemple de solvenți activi: nitroglicerina, nitrodiglicolul, dinitrotoluenul.
Solvenții inerți nu au proprietăți explozive și din această cauză micșorează energia potențială a pulberii, în raport de
cantitatea în care ei intră în compoziția acesteia.
Exemple de solvenți inerți: alcoolul etilic cu eterul etilic, acetona, benzenul, eterul acetic, dibutilul.
e) În raport de natura solventului, pulberile pe bază de nitroceluloză pot fi:
- Pulberi cu bază dublă – conțin solvent activ;
- Pulberi cu bază simplă – când se folosesc solvenți inerți;
- Pulberi cu bază triplă – conțin 2 solvenți activi.
Clasificarea solvenților după gradul de volatilizare:
- Volatili;
- Greu volatili;
- Nevolatili.
f) În funcție de gradul de volatilizarea al solvenților și de specificul fabricației, pulberile pe bază de
nitroceluloză pot fi:
- Pulberi cu solvent volatil (obținute din piroxilină, trate cu alcool etilic; se numesc pulberi de piroxilină);
- Pulberi cu solvent greu volatil și nevolatil (obținute din coloxilină plastificată și compactizată cu ajutorul
nitroglicerinei, trinitrotoluenului, numite balistite);
- Pulberi cu solvent combinat (obținute din piroxilină tratată cu nitroglicerină, dar și cu solvent volatil, se
numesc cordite);
- Pulberi pregătite din emulsie (obținute la prelucrarea nitraților de celuloză, de regulă cu emulsie de
amestecuri ale solvenților în apă, numite și pulberi sferice).
Pulberile pe bază de amestecuri sunt compoziții neomogene obținute prin amestecarea mecanică a unei substanțe
care arde (carburant), a unei substanțe care întreține arderea (oxidant) și a unei substanțe care să le lege pe
primele (liant).
Pulberile pe bază de amestecuri au căpătat o largă întrebuințare în domeniul rachetelor cu combustibil solid,
datorită avantajelor pe care le au.
Exemple de materii prime:
a) Oxidați : azotatul de amoniu, azotatul de sodiu, percloratul de amoniu, percloratul de potasiu;
b) Liant și carburant : polimeri sintetici, poliuretan, polibutadienă, polisulfură.
Compoziția pulberilor de piroxilină se găsește în tabelul de mai jos:
5
Componenți
Compoziția (%)
Pentru guri de foc
Pentru puști Pentru pistoale Obișnuite
Slab
higroscopice
Fără flamă și
slab
higroscopice
Piroxilină 93-96 83 81 91-95 96,7
Alcool etilic 1-4 2 2 1 0,5
Difenilamină 1 1 1 1 1
Centralită - - - 2-6 -
Grafic - - - 0,2-0,3 -
Adaosuri
speciale - 13 15 - -
apă 1,5-2 1 1 1,3-1,5 1,5
Compoziția pulberilor de piroxilină
O altă categorie principală de pulberi utilizată în industria de armament este pulberea neagră sau pulberea cu fum.
Pulberile negre sunt amestecuri ternare ale unui comburant (oxidant) – azotatul de potasiu numit adesea și
salpetru și a doi combustibili: sulful și cărbunele de lemn, proporțiile fiecăruia din constituenți variind în funcție de
destinația pulberii.
Compoziția în procente de greutate a câtorva tipuri de pulberi negre este detaliată în continuare:
Felul pulberii
Componenți [%]
Cu
granulație
mare
Pentru
focoase
De
vânătoare
Azotat de potasiu 74,76 74,63 74,68
Sulf 10,07 9,64 10,37
Cărbune 14,22 14,83 13,78
Apă 0,95 0,90 1,17
FCompoziția pulberii negre [%]
6
Clasificarea pulberilor negre în funcție de utilizare:
a) Pulberi cu granulație mare (se folosesc în amorsori, în încărcături de azvârlire, pentru gurile de foc de
calibru mijlociu și mare);
b) Pulberi de armă (se folosesc ca încărcături de evacuare la proiectilele de iluminare, incendiare și pentru
difuzat materiale tipărite);
c) Pulberile pentru focoase (se folosesc pentru încărcarea părților fuzante ale focoaselor, la fabricarea
întârzietorilor, a mijloacelor de siguranță și a intensificatorilor);
d) Pulberi pentru fitile (se folosesc la fabricarea fitilelor de aprindere).
Felul pulberii
Dimensiunile
elementelor
pulberii în mm
Densitate (kg/m3)
Cu grăunți mari 5,1-10,2 1,67-1,71
De artilerie 1,25-2,0 1,57-1,63
De armă 1,75-2,25 1,60-1,70
Pentru focoase fără detonatori 0,12-0,60 1,80-1,83
Pentru fitile 0,10-0,60 1,70-1,80
Diametrele și densitățile unor mărci de pulbere neagră
CARACTERISTICILE PULBERILOR
CARACTERISTICI FIZICO-CHIMICE ALE PULBERILOR BALISTICE
Volumul masic al gazelor de pulbere
Notație:w1
Unitate de măsură: m3/Kg
Acest volum se notează cu w1 și reprezintă volumul ocupat de gazele rezultate la arderea unui kg de pulbere după
destinderea acestora la presiunea de 101325 Pa și la răcirea la temperatura de 273 K.
Volumul masic pentru pulberile folosite în mod curent la gurile de foc existente are valori cuprinse în intervalul
0,8-1,1 m3/Kg
Căldura de ardere a pulberii
Notație: Q
Unitate de măsură: J/Kg
Reprezintă cantitatea de căldură care se degajă la arderea unui kilogram de pulbere, gazele rezultate răcindu-se
până la temperatura mediului ambiant.
În funcție de condițiile de ardere, există căldură de ardere la volum constant Qw și căldură de ardere la presiune
constantă Qp, fiecare din ele depinzând de stare în care se găsește apa.
Raportul dintre căldura de ardere la volum constant cu apa sub formă lichidă și cea similară cu apa sub formă de
vapori este în medie egal cu 1,12.
7
Clasificarea pulberilor fără fum în funcție de căldura de ardere:
a) Pulberi reci: 2,52 MJ/kg;
b) Pulberi fierbinți: 5,25 MJ/kg.
Temperatura de ardere a pulberii
Notație: T
Unitate de măsură: K
Este temperatura pe care o au gazele de pulbere în momentul formării lor. Dacă arderea are loc la volum constant,
temperatura de ardere se notează cu T1, iar la presiunea constantă cu T0.
O temperatură mai mare oferă o forță mai mare pulberii, dar și totodată dezavantajul coroziunii țevii gurii de foc.
Pentru pulberile pe bază de nitroceluloză, T1 este cuprinsă în limitele 2400-3800K, iar T0 în limitele 1900-3000K.
Densitatea pulberii
Notație: δ
Unitate de măsură: Kg/m3
Reprezintă masa pulberii conținută în unitatea de volum la temperatura de 288K și presiunea de 101325 Pa.
Densitatea pulberilor cu fum este funcție de presiunea de presare și se situează în limitele 1500-1900 kg/m3.
Densitatea pulberilor fără fum este cuprinsă între limitele 1540-1640 kg/m3. Pulberile pe bază de piroxilină au
densitatea în jur de 1600 kg/m3, iar balistitele și corditele în jur de 1580 kg/m3.
În rezolvarea problemei balisticii interioare, densitatea pulberilor fără fum, se consideră egală cu 1600 kg/m3.
Densitatea pulberii depinde de compoziția acesteia și de condițiile tehnologiei de fabricație.
Conținutul de azot
Notație: N
Unitate de măsură: %
Reprezintă cantitatea de azot conținută de un gram din nitroceluloza pulberii. Se mai poate exprima în cm3 de oxizi
de azot ce revin unui gram de pulbere.
Conținutul de azot este cuprins, în general, între 10-14%.
Coloxilinele au un conținut de azot cuprins între 10-12%, iar piroxilinele 12-14%.
Conținutul de azot influențează direct proporțional forța pulberii și viteza de ardere a acesteia.
Felul pulberii Conținutul de azot (%)
Infanterie 13,1-13,3
Artilerie calibre mici 12,8-13,1
Artilerie calibre mari 12,5-12,9
Conținutul de azot din compoziția pulberilor balistice
Conținutul de substanțe volatile
Notație: H
Unitate de măsură: %
Reprezintă cantitatea de substanțe volatile (solvenți și apă) care se utilizează la fabricația pulberii. Este format din
conținutul de substanțe volatile eliminabile h și conținutul de substanțe volatile neeliminabile h’. Substanțele
volatile eliminabile sunt cele care se îndepărtează din masa pulberii printr-o uscare timp de 6 ore la temperatura de
368 K și se referă la apa folosită în procesul de fabricație. Substanțele volatile neeliminabile sunt acele substanțe
8
care nu se îndepărtează de masa pulberii în aceleași condiții și se referă la solvenții utilizați pentru plastificarea și
compactizarea nitrocelulozei.
Conținutul de substanțe volatile pentru pulberile pe bază de nitroceluloză variază în limitele 2-7% și depinde de
grosimea pulberii; pentru pulberi subțiri (grosimea mai mică de 1mm), H=2-2,5%; pentru pulberi cu grosimea de
aproximativ 1mm, H=4%; pentru pulberi cu grosimea până la 6mm, H=4-7%.
Conținutul de substanțe volatile influențează invers proporțional viteza de ardere a pulberii.
Caracteristicile fizico-chimie prezentate mai sus (sinteză)
Tipul pulberii w1
[m3/kg]
Qw.v
[MJ/kg]
Qw.l
[MJ/kg] T1 [K]
Pulbere cu fum 0,3 2,093 2,345 2200
Pulbere de piroxilină pentru armament de
infanterie 0,915 3,350 3,765 2850
Pulbere de piroxilină pentru armament de artilerie 0,945 3,100 3,475 2775
Balistita pentru aruncătoare de bombe 0,850 4,522 4,980 3450
Balistită „rece” pentru armament de artilerie 1,035 2,407 2,617 2350
Balistită pentru motoare-rachetă (JPN) 0,830 4,185 5,250 3700
Balistită pentru motoare-rachetă (MRN) 0,980 3,308 3,684 2900
Caracteristicile fizico-chimice ale pulberilor balistice
CARACTERISTICILE BALISTICE ALE PULBERILOR Ne referim la caracteristici balistice ale pulberilor când vorbim despre acele caracteristici care influențează
presiunea maximă sau viteza de creștere a presiunii în cazul arderii pulberii la volum constant. Ele depind de natura
pulberilor, fiind influențate în mod determinant de caracteristicile fizico-chimice ale acestora.
Forța pulberii
Notație: f
Unitate de măsură: J/Kg
Reprezintă lucrul mecanic pe care îl pot efectua gazele rezultate în urma arderii unui kilogram de pulbere, dacă se
destind până la presiunea de 101325 Pa și se răcesc la temperatura de 273 K.
Forța pulberii influențează presiunea maximă pmax și viteza de creștere a presiunii dp/dt, în cazul când pulberea
arde la volum constant.
Valoarea forței pentru pulberea cu fum este de 0,275 MJ/kg, iar pentru pulberile fără fum este cuprinsă între
limitele 0,785-1,177 MJ/kg.
Forța pulberii se calculează folosind relația:
în care:
R=371,154∙w1 – reprezintă constanta gazelor de pulbere (297-408 J/kgK);
ε – partea resturilor solide în produsele de ardere (0,5 pentru pulberile cu fum, 0 pentru pulberile fără fum);
9
Forța pulberii depinde de volumul masic al gazelor de pulbere și de temperatura de ardere a pulberii.
Dependența forței pulberii de căldura de ardere este dată de relația experimentală:
f=686465+0,09369Qw
Forța pulberii se poate determina și experimental, cu ajutorul bombei manometrice.
Covolumul gazelor de pulbere
Notație: α
Unitate de măsură: m3/Kg
Caracterizează volumul moleculelor de gaze rezultate la arderea unui kilogram de pulbere.
Deoarece raportul dintre covolum și volumul masic pentru diferite gaze variază între limite restrânse, pentru
determinarea covolumului se folosește relatia:
Ca și foța pulberii, covolumul gazelor de pulbere depinde de căldura de ardere, dependență care se exprimă pentru
toate pulberile fără fum prin relația:
Covolumul gazelor de pulbere se poate determina și experimental, pe baza rezultatelor obținute în urma arderii
pulberii în bomba manometrică.
Valoarea covolumul pentru pulberea cu fum este de 0,5∙10-3 m3/kg, iar pentru pulberile fără fum variază în limitele
0,8∙10-3-1,2∙10-3 m3/kg.
Caracteristica vitezei de ardere a pulberii
Notație: u1
Unitate de măsură: (m/s)*1/Pa
Reprezintă viteza de ardere a pulberii pentru presiunea p=1Pa și influențează numai viteza de creștere a presiunii la
volum constant.
Valoarea caracteristicii vitezei de ardere este de 0,61-0,92∙10-9 ms-1/Pa pentru pulberile de piroxilină și de (0,71-
1,52) ∙10-9 ms-1/Pa pentru pulberile de nitroglicerină.
Caracteristica u1 depinde de natura pulberii, de temperatura inițială a pulberii și de viteza de curgere a gazelor pe
lângă elementul de pulbere.
Dependența caracteristicii u1 de natura pulberii se stabilește cu ajutorul căldurii de ardere la volum constant prin
următoarea relație:
Dependența caracteristicii vitezei de ardere în funcție de alți parametrii se prezintă astfel:
a) Dependența față de conținutul de azot: dacă N[%] crește cu 1%, u1 crește cu 28%; H[%] crește cu 1%, u1
crește cu 13%.
b) Dependența față de temperatura inițială a pulberii: pentru pulberile fără fum, în cazul măririi cu un grad a
temperaturii inițiale, caracteristica u1 crește cu aproximativ 0,16%.
În calcule se utilizează valorile medii ale acestor caracteristici, astfel în figura de mai jos sunt prezentate valorile
caracteristicilor balistice pentru anumite tipuri de pulbere.
10
Tipul pulberii f [MJ/kg] α [m3/kg] u1
ms-1/Pa
Pulbere cu fum 0.275 0.5∙10-3 10.2∙10-9
Pulbere de piroxilină pentru armament de
infanterie 0.981 0.95∙10-3 0.82∙10-9
Pulbere de piroxilină pentru armament de artilerie 0.932 1.00∙10-3 0.71∙10-9
Balistita pentru aruncătoare de bombe 1.113 0.98∙10-3 1.22∙10-9
Balistită „rece” pentru armament de artilerie 0.858 1.10∙10-3 0.46∙10-9
Balistită pentru motoare-rachetă (JPN) 1.177 1.13∙10-3 0.41∙10-9
Balistită pentru motoare-rachetă (MRN) 1.039 1.06∙10-3 0.61∙10-9
Caracteristicile balistice ale pulberii
DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A CARACTERISTICILOR BALISTICE
În ziua de astăzi folosirea pulberilor este foarte restrânsă atât din punct de vedere militar, cât și din punct de vedere
civil. Caracterul exploziv al unui material este reprezentat de viteza foarte mare de transformare fizico-chimică,
însoțită de o degajare de căldură și de formare a unor gaze cu posibile efecte propulsive.
Caracteristicile care influențează în mod direct efectul la țintă și performanța pulberii utilizate sunt caracteristicile
balistice. Aceste caracteristici influențează presiunea maximă și viteza de creștere a presiunii în cazul arderii pulberii
la volum constant.
Caracteristicile balistice, prezentate anterior, sunt:
Forța pulberii;
Covolumul gazelor de pulbere;
Caracteristica vitezei de ardere a pulberii.
În vederea familiarizării cu procedurile experimentale de determinare a caracteristicilor balistice ale pulberii, vom
prezenta diferența dintre unele instalații de determinare a proprietăților materialelor explozive.
Astfel cele două bombe, și anume bomba manometrică și cea calorimetrică, au în componența instalației
gazometrul. Rezultatele obținute în trageri succesive în cele 2 bombe sunt de natură diferită și indică lucruri
diferite.
- Bomba calorimetrică oferă rezultate referitoare la proprietățile de detonație ale materialelor explozive,
cum ar fi căldura de explozie, volumul specific;
- Bomba manometrică oferă informații referitoare la presiunea pe care o ating gazele de pulbere, ea ajutând
la calcularea forței, covolumului și a vitezei de ardere a pulberii, a proprietăților balistice ale pulberilor.
11
Dezvoltarea rapidă a componenței pulberilor a dus la optimizarea tragerilor în bomba manometrică. Astfel, o serie
de firme au dezvoltat variante de bomba manometrice, bineînțeles bazate pe aceleași principii. Cu toate acestea
dimensiunile bombei manometrice pot varia și totodată culegerea de informații referitoare la tragerile în bombă,
sunt culese fie automat, prin sisteme de calcul, computere, fie sunt măsurate eșantionat în intervalul de timp al
tragerii.
O astfel de bombă manometrică arată ca mai jos, iar tragerea se face numai în poziție verticală.
Poziția de tragere Bomba manometrică Bomba calorimetrică
DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A FORȚEI PULBERII
Gazul de pulbere este un amestec complex de mai multe gaze. Pentru ca amestecul să aibă aceleași
proprietăți (independența energiei față de densitate), toate schimbările de echilibru care au loc trebuie să aibă
volumele egale și să fie independent de densitate. Acest lucru se limitează la teoria pulberilor reci, pentru acelea
pentru care temperatura nu este îndeajuns de ridicată pentru a produce o separare a principalelor componente ale
amestecului de gaze. Pentru aproximarea ecuației de stare, fiecare formulă de pulbere are o temperatură de
explozie precisă. Astfel, descompunerea unei unități de masă a pulberii eliberează întotdeauna aceeași cantitate de
energie care mai apoi încălzește gazele produse la aceeași temperatură, independente de densitate. Pentru
majoritatea pulberilor, cel mai important este echilibrul apă-gaz. Cât timp acest echilibru este echimolar, ecuația de
stare este suficient de precisă pentru folosirea în interiorul teoriei balistice a armelor. Folosirea unei ecuații de stare
mult mai precise ar complica teoria și nu ar putea fi justificată în vederea altor simplificări ale ipotezelor și
aproximațiilor care de obicei fac parte din orice formulare a teoriei. De asemenea, trebuie utilizată o ecuație de
stare precisă în tratarea termochimică a pulberilor.
Este o metodă standard în formularea teoriei balistice interioare, atribuită ecuației de stare și unei variabile de tip
covolum. Aceasta este o ecuație de stare de tip Van de Waals cu termenul „a” omis, dar nu și termenul „b” și este
cunoscută ca ecuația de stare a lui Abel. Pentru ca un gaz să aibă o astfel de ecuație, energia internă trebuie să
depindă doar de temperatură și nu de densitate.
Ecuația lui Abel este exprimată astfel:
sau
sau
12
În balistica interioară, ecuația este scrisă în termenii unei unități de masă a gazului, astfel încât V și η au
dimensiunile volum/unități de masă și n este numărul de moli din unitatea de masă. În cea de-a doua ecuație scrisă,
w1 este volumul masic al gazelor de pulbere, iar b este o constantă care ține seama de volumul moleculelor de gaz.
Mulți autori au definit R ca fiind constanta gazului pe unitate de masă, astfel încât n să nu apară explicit în ecuație.
Dacă T0 este temperatura de ardere adiabatică, energia eliberată la descompunere a unității de masă a pulberii,
numită forța pulberii are de asemenea dimensiunile energiei pe unitatea de masă, adică J/kg.
Forța poate fi determinată și experimental prin arderea încărcăturii de pulbere într-o incintă închisă, măsurând
presiunea maximă produsă și utilizând corecții de răcire potrivite. Acest lucru necesită cunoașterea lui η care poate
fi determinat simultan prin arderea unei serii de încărcături de mase diferite și măsurând presiunea maximă
corespunzătoare (acest principiu se referă la tragerile în bomba manometrică cu același tip de pulbere, dar la
densități de încărcare diferite, știind că densitatea de încărcare, Δ = ω / w0 , unde ω reprezintă masa de pulbere, iar
W0 volumul bombei manometrice).
În figura de mai jos sunt prezentate valori ale forței unor pulberi de artilerie, testate în Statele Unite ale Americii.
Forța și alți parametrii balistici ai pulberilor pot fi calculați teoretic dacă sunt disponibile informații referitoare la
caracteristicile fizico-chimice ale materialului testat.
Denumire pulbere Specificație Forța (MJ/kg)
M1 JAN-P-309 0,305
M2 JAN-P-323 0,306
M5 JAN-P-323 0,355
M6 JAN-P-309 0,317
M14 JAN-P-309 0,327
M15 JAN-P-26 0,336
Forțele unor pulberi de artilerie
Citirea tabelului: Gura de foc utilizată reprezintă codul M#, unde # indică gura de foc (tun). Astfel pentru tunurile
M1, M6 și M14 se folosește pulbere de tipul JAN-P-309.
În timpul tragerii gazul este produs la temperatura T0 și scade la temperatura T datorită pierderii de căldură în țeava
gurii de foc, performanța pulberii scăzând în timpul destinderii gazului. Schimbarea în energie internă pe unitate de
masă a gazului poate fi exprimată ca C(T0-T), în care C este valoarea medie a căldurii specifice gazului la volum
constant. Această energie este utilizată la încălzirea armei și transmiterea energiei cinetice către proiectil, gaz și
părțile de recul ale armei. Cantitatea CT0 reprezintă energia specifică sau potențialul pulberii.
13
DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A VITEZEI DE ARDERE A PULBERII
Noțiuni despre procedeul experimental și ecuații folosite:
Viteza de ardere a pulberii prin definiție reprezintă viteza cu care se deplasează suprafața care arde pe direcția
normală la suprafața respectivă, în virtutea legii geometrice de ardere a pulberii.
Un strand burner este un vas de presiune mică (de obicei cu ferestre) unde o sfoară de pulbere (de ex: diametrul
6.5 mm si lungimea 50-100 mm) este instalat pentru a arde până la capăt pentru a se determina viteza de ardere,
sub condiții de presiune și temperatură bine controlate prin folosirea unui gaz inert (de ex: nitrogen) pentru a
simula condițiile de presiune și diferite temperaturi inițiale. Toate suprafețele laterale sunt acoperite cu un material
inhibitor, lăsând descoperită doar suprafața superioară expusă arderii.
Formula vitezei de ardere utilizată în calculele teoretice este:
În această formulă apare o funcție exponențială față de formula lui Vieille ( ).
Acest termen este de fapt , deoarece .
Viteza de ardere poate fi măsurată cu semnale electrice, încorporate în fire, capabile să transmită informația prin
unde ultrasonice. Cea mai utilizată metodă este de a încorpora mai multe fire întrerupte în plaja pulberii în mai
multe locuri de-a lungul lungimii. Odată ce pulberea a luat foc pe o lungime în care întreruperea firului este
încorporată, firul se întrerupe (hence) și oprește transmiterea semnalului electric către receptor. Similar, semnalul
este oprit la întreruperea în următoarea locație, de-a lungul sforii de pulbere. Viteza de ardere este determinată
prin măsurarea timpului necesar arderii (timpul între două opriri ale semnalului) a unei lungimi fixe de pulbere
(distanța dintre 2 întreruperi consecutive are firelor din sfoară), și/sau măsurând vizual prin ferestrele vasului.
Precizia scăderii vitezei măsurate cu această metodă depinde de erorile de măsurare ale lungimilor eșantionate și
ale timpului de ardere. De obicei un gaz inert, ca și hidrogenul, este utilizat pentru presurizarea camerei și este lăsat
să zboare în continuu ca gasul purificator în timpul testului. Temperatura gasului de purificare poate fi controlată la
un nivel dorit pentru precondiționarea temperaturii inițiale a sforii.
Viteza de ardere măsurată cu sfoara arzătoare (strand burner) este de obicei mai mică decât cea obținută în
tragerile la scară reală cu propergoli (cu 4-12%), deoarece ea nu simulează cu adevărat mediul cald al vasului în care
are loc arderea. Legătura dintre viteza de ardere măsurată cu sfoara arzătoare și tragerea în motor, de obicei este
determinată experimental pentru orice categorie de pulbere/propergol și pentru orice configurație a granulelor de
pulbere. Datele sforii arzătoare sunt folositoare pentru descrierile pulberilor și în operațiile de control a calității.
Totuși, datele la scară reală a motoarelor testate sub o varietate de condiții, constituie comportamentul final al
vitezei de ardere.
Condițiile suprafeței de ardere a sforii de pulbere pot varia semnificativ, bazându-se pe ingrendientele folosite în
compoziția pulberii. De exemplu un porpergol pur ca RDX, generează o suprafață de ardere la presiune scăzută. În
contrast, o pulbere numită JA21, poate genera reziduuri carbonifere. În ciuda acestor efecte multi-dimensionale la
suprafață, procesul de scădere globală încă poate fi aproape de un proces unidimensional.
1 JA2=compoziția pulberii: nitroceluloză, dietilglicodinitrat și nitroglicerină
14
Arderea unor tipuri de pulbere diferite și efectul acestora
(stânga propergol pur RDX, dreapta pulbere JA2)
EXEMPLU EXPERIMENTAL: DATE MĂSURATE ȘI CORELATE ALE VITEZEI DE ARDERE PENTRU PULBEREA JA2
Caracteristicile de ardere a pulberii JA2 au fost studiate atât experimental cât și teoretic de Kuo și Zhang în anul
2006. Ei au investigat comportamentul stării stabile de ardere , fapt care s-a concretizat folosind un strand burner
(vas de ardere) optic. Parametrii măsurați au fost rata de regres, profilul temperaturii sub suprafața de ardere și
temperatura suprafeței de ardere la diferite temperaturi inițiale (-40 < Ti < 80°C) și presiuni (0,1 < p < 68 MPa).
Viteza de ardere măsurată a fost corelată cu temperatura inițială și presiunea până la 300 MPa.
Cum am mai menționat, viteza de ardere este în funcție de presiune, temperatura inițială și sensibilitatea la
temperatură. Sensibilitate la temperatură (σp) a JA2 scade cu creșterea presiunii, dobândind o valoare asimptotică
de 0,0024 K-1 la presiuni înalte.
Legătura dintre presiuni și sensibilitatea la temperatură este dată de formula:
Măsurările au fost făcute pentru evidențiere posibilității modelării vitezei de ardere în funcție de temperatura
inițială.
15
Seturi de date:
Viteza de ardere a pulberii JA2 la diferite temperaturi funcție de presiune
Pentru presiuni din afara intervalului, mai multe pulbere au un exponent al presiunii diferit. Acest fenomen este
cunoscut ca slope-break (pantă-ruptă) în expresia vitezei de ardere, care reprezintă schimbarea în mecanismul de
ardere a pulberii de o presiune la alta.
Pentru pulberea JA2 care are temperatura inițială egală cu temperatura ambientală, viteza de ardere poate fi
exprimată prin două relații diferite:
Pentru presiuni între 0,7 < p < 13.8 MPa, Ti=Tamb, valoarea vitezei de ardere este:
Pentru presiuni între 13.8 < p < 96.5 MPa, Ti=Tamb, valoarea vitezei de ardere este:
16
Observăm o variație foarte mică a vitezei de ardere de la funcția liniară care descrie viteza de ardere. Astfel putem
considera exponentul presiunii foarte mic, reprezentând o constantă experimentală determinată de-a lungul
tragerilor în bomba manometrică la diferite densități de încărcare, respectând condițiile de presiune maximă
impusă.
DETERMINAREA COEFICIENTULUI LEGII DE ARDERE
Pentru determinarea vitezei de ardere a pulberii este necesară cunoașterea definiției ei și a componentelor ei.
Astfel viteza de ardere a pulberilor, numită în engleză burning rate este viteza de deplasare a suprafeței care arde
pe direcția normalei la suprafața respectivă.
Formula conform definiției este: u = de/dt
unde e – semigrosimea elementului de pulbere ars până la momentul t.
Viteza de ardere a pulberii depinde de natura pulberii, de temperatura inițială a acesteia, de presiunea gazelor care
înconjoară pulberea și de viteza de scurgere a gazelor pe lângă elementul de pulbere.
Dependența vitezei de ardere a pulberilor de presiune poartă denumirea de legea vitezei de ardere. Ea se
determină prin prelucrarea curbei presiunii în funcție de timp obținute în urma tragerilor efectuate în bomba
manometrică.
O altă noțiune legată de viteza de ardere este caracteristica vitezei de ardere2. Dacă viteza de ardere a pulberii se
măsoară în spațiu/timp, caracteristica vitezei de ardere are altă însemnătate, ea măsurându-se în
spațiu/(timp∙presiune). Aceasta din urmă reprezintă viteza de ardere a pulberii pentru presiunea de p =1 Pa și
influențează numai viteza de creștere a presiunii la volum constant.
Pentru exprimarea legii vitezei de ardere au fost enunțate mai multe forme empirice ale vitezei de ardere.
Una dintre aceste forme este ce a lui Vieille la începutul ultimului deceniu al sec. al XIX-lea sub forma:
unde:
A – coeficient care este funcție de temperatura inițială a pulberii;
A, υ – coeficienți experimentali ce depind de natura pulberii și de condițiile de ardere a acesteia.
O altă relație pentru legea vitezei de ardere a pulberilor a fost propusă de un grup de cercetători francezi
(Sébert, Hugoniot, Moisson), la începutul deceniului al optulea al secolului al XIX-lea sub forma:
unde:
A1 – reprezintă coeficient experimental ce depinde de natura pulberii și de condițiile de efectuare a
experiențelor.
17
Pentru ușurarea calculelor și utilizarea mai fructuoasă a datelor experimentale în calcule, pentru p =1 Pa, atunci u =
A1. După cum se observă coeficientul A1 are semnificația caracteristicii vitezei de ardere u1 și prin urmare legea
vitezei de ardere devine:
Această relație din urmă este folosită în rezolvarea problemei fundamentale a Balisticii interioare.
DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A EXPONENTULUI LEGII VITEZEI DE ARDERE A PULBERII
Pentru determinarea acestui experiment se folosește ecuațiile [17] și [19], cu semnificațiile următoare:
Prima relație se folosește pentru rezolvarea sistemului de determinare a exponentului presiunii, iar a doua se
folosește pentru determinarea vitezei de ardere, deoarece determinarea experimentală a dus la obținerea unor
valori referitoare la caracteristica vitezei de ardere u1.
Expresia vitezei de ardere, prezentată sub forma primei ecuații se utilizează când curbele I = f(Ψ) pentru diferite
densități de încărcare sunt divergente, situație întâlnită la pulberile cu mai multe canale. Divergența curbelor se
explică prin utilizarea legii fizice a arderii pulberilor și a caracteristicilor acesteia. Astfel pulberea arde neuniform,
prin existența unei presiuni mai mari în interiorul canalelor comparativ cu presiunea de la suprafața elementelor de
pulbere. Raportul acestor presiuni variază o dată cu densitatea de încărcare, iar pe timpul arderii pulberii variază în
funcție de dimensiunile canalelor.
Curbele din graficul I = f(Ψ) se prezintă astfel:
Curbele I = f(Ψ) la diferite densități de încărcare
Condiția de divergență a curbelor din graficul prezentat este ca să existe următoarea relație între densitățile de
încărcare:
I
Ψ 1
18
DETERMINAREA PROPRIU-ZISĂ A INDICELUI
Indicele υ este exponentul presiunii și are o valoare <1, pentru a asigura liniaritatea descrisă de diversele forme ale
vitezei de ardere. Acesta se determină experimental pe baza tragerilor successive din bomba manometrică la două
densități de încărcare diferite, .
O observație de-a lungul tragerilor în bomba manometrică este că pentru a doua densitate de încărcare se ia o
valoare care asigură în bomba manometrică o presiune similară cu cea din gura de foc, iar pentru prima valoare a
densității de încărcare se alege o valoare care să asigure o bună precizie la determinarea coeficientului și să coexiste
cu pierderile energetice minime.
Pentru determinarea indicelui υ se urmăresc pașii de mai jos:
Se particularizează expresia legii vitezei de ardere pentru cele două densități de încărcare, obținându-se un sistem
cu două ecuații și două necunoscute.
Ecuația legii vitezei de ardere se logaritmează astfel:
(forma logaritmată a legii vitezei de ardere, unde u reprezintă viteza de ardere a pulberii [mm/s])
Sistemul de ecuații se formează astfel:
- se scrie forma logaritmată a legii vitezei de ardere corespunzătoare pentru cele două densități de încărcare
diferite;
- va rezulta un sistem cu două ecuații și două necunoscute υ și A;
- coeficientul A, fiind foarte mic se reduce la 0;
- sistemul de ecuații cu două necunoscute se transformă într-un sistem de ecuații cu o singură necunoscută
și aceea fiind exponentul υ;
- exponentul υ este din punct de vedere al dimensiunii – adimensional.
Sistemul celor 2 ecuații este:
Din acest sistem, utilizând pașii enumerați mai sus, exponentul υ capătă următoarea formă:
u A p
log u( ) log A p
log u( ) log A( ) log p
log u( ) log A( ) log p( )
log u1 log A( ) log p1
log u2 log A( ) log p2
logu2
u1
logp2
p1
19
Acest coeficient devine egal cu 1 după arderea completă a elementelor de pulbere, deoarece conform legii fizice de
ardere a pulberii, elementele de pulbere ard neuniform, în primul rând datorită diferenței de dimensiune dintre
elementele de pulbere și în al doilea rând datorită aprinderii succesive a acestora. După procesul explicat anterior
se poate aplica cu ușurință legile liniare de variație a vitezei de ardere a pulberii.
În concluzie, determinarea coeficientului υ se face pe cale experimentală și poate conduce, dacă se cunoaște
variația acestuia cu fracțiunea de pulbere arsă, la aflarea coeficientului A, care reprezintă raportul dintre
semigrosimea elementului de pulbere și impulsul gazelor de pulbere, ținând cont de valoare coeficientului υ.
PULBERE NC-03
Alegerea pulberii: NC-03 (pulbere pe bază de nitroceluloză, pulbere cu bază simplă, în formă de bastonaș
de producție sârbească);
Temperatura de testare: 27°C;
Volumul bombei manometrice: W0 = 10 cm3;
Cantități de pulbere testate: 1 g, 1,5 g, 2 g.
S-a urmărit determinarea următoarelor valori:
Presiunea maximă la cele 3 trageri în bomba manometrică (p = [bar]);
Impulsul gazelor de pulbere (reprezintă spațiul de sub graficul p = f(t), astfel reprezintă o integrală
Caracteristica vitezei de ardere (u1 = [mm/(bar∙s)]);
Rezultatele unor trageri preliminare în bomba manometrică:
Pulberea NC-03
Denumirea caracteristicii Simbolul Unitate de
măsură Prima tragere A doua tragere
Densitatea de încărcare Δ [g/cm3] 0.1 0.15
Presiunea maximă pmax [bar] 1200 1820
Impulsul gazelor de pulbere I [bar∙s] 0.998 1.184
Caracteristica vitezei de ardere u1 [mm/(bar∙s)] 0.154 0.1303
Rezultatele măsurătorilor conform experiențelor efectuate
După rezultatele obținute referitoare la caracteristicile balistice ale pulberii, pot spune că pulberea testată este o
balistită.
20
În prealabil, pentru determinarea exponentului υ, trebuie determinată viteza de ardere a pulberii.
Viteza de ardere a pulberii se determină astfel:
- Pentru prima tragere:
-
- Pentru a doua tragere:
Valoarea exponentului υ:
PULBERE SB 620
Temperatura de testare: 27°C;
Volumul bombei manometrice: W0 = 10 cm3;
Cantități de pulbere testate: 1 g, 1,5 g, 2 g.
S-a urmărit determinarea următoarelor valori:
Presiunea maximă la cele 3 trageri în bomba manometrică (p = [bar]);
Impulsul gazelor de pulbere (reprezintă spațiul de sub graficul p = f(t), astfel reprezintă o integrală pe
domeniul timpului din p; [bar∙s]);
Caracteristica vitezei de ardere (u1 = [mm/(bar∙s)]);
u11 0.154mm
bar s
pmax.1 1200bar
u1 u11 pmax.1 u1 0.185
m
s
u12 0.1303mm
bar s
pmax.2 1820bar
u2 u12 pmax.2 u2 0.237
m
s
logu2
u1
logpmax.2
pmax.1
0.599
21
Rezultatele unor trageri preliminare în bomba manometrică:
Pulberea SB 620
Denumirea caracteristicii Simbolul Unitate de
măsură Prima tragere A doua tragere
Densitatea de încărcare Δ [g/cm3] 0.1 0.15
Presiunea maximă pmax [bar] 1180 1820
Impulsul gazelor de pulbere I [bar∙s] 1,001 1.016
Caracteristica vitezei de ardere u1 [mm/(bar∙s)] 0.2367 0.2331
Rezultatele măsurătorilor conform experiențelor efectuate
În prealabil, pentru determinarea exponentului υ, trebuie determinată viteza de ardere a pulberii.
Viteza de ardere a pulberii se determină astfel:
- Pentru prima tragere:
-
- Pentru a doua tragere:
Valoarea exponentului υ:
Se observă că această pulbere are factorul de amplificare al presiunii ≈1, ceea ce înseamnă că pentru
rezolvarea problemei fundamentale a Balisticii interioare se poate folosi și forma liniară a expresiei legii vitezei de
ardere.
u11 0.2367mm
bar s
pmax.1 1180bar
u1 u11 pmax.1
u1 0.279m
s
u12 0.2331mm
bar s
pmax.2 1820bar
u2 u12 pmax.2
u2 0.424m
s
logu2
u1
logpmax.2
pmax.1
0.965
22
STUDIU PRELIMINAR DE BALISTICĂ INTERIOARĂ. PARAMETRII BALISTICI AI PULBERILOR
Cartuşul cal. 9x19 mm cu glonţ neletal trebuie să fie un cartuş la care cerinţele de balistică terminală au rolul
principal în stabilirea caracteristicilor de încărcare: tipul pulberii şi masa acesteia. S-au studiat variantele posibile de
pulbere balistică și s-a stabilit masa încărcăturii de azvârlire necesare îndeplinirii cerinţelor de balistică terminală.
Deoarece criteriile de balistică terminală nu sunt exact stabilite deocamdată, masa încărcăturii de azvârlire va
constitui un parametru al studiului.
Pulberile pentru arme sunt pulberi coloidale realizate din amestecuri omogene ce conţin una sau mai multe substanţe furnizoare de energie, în mod curent denumite baze. Pe lângă acestea, mai sunt folosite şi alte substanţe cu rol de stabilizator, gelatinizator, flegmatizator, moderator, aditiv balistic. Pentru sistemul CONPOSE trebuie ales un tip de pulbere din următoarele clase:
pulbere monobazică (pe bază de nitroceluloză - NC)
pulbere bibazică sau pulbere sferică (pe bază de NC şi nitroglicerină - NG)
pulbere multibazică (NC + NG + nitroguanidină - NQ)
.
Pulberile care au făcut obiectul cercetărilor teoretice şi experimentale sunt prezentate în tabelul de mai jos.
Pulberile pentru arme analizate
Nr.
crt.
Denumirea / marca pulberii
/ fabricant
Lot /
an de fabricaţie
Destinaţie
Compoziţia chimică
Component Proporţie
masică (%)
1.
Pulbere SB 620 fabricată de
„Milan Blagojevic”
Namenska
Serbia&Muntenegru
1028/2010 Cartuş cal.
9x19mm
Nitroceluloză (13,19%N) 83,35
Nitroglicerină 11,43
Centralită I 2,84
Grafit 0,21
Dibutilftalat 4,98
Difenilamină 1,28
Umiditate şi solvent volatil 0,89
2.
Pulbere
LOVEX D 083-02 fabricată
de „EXPLOSIA” Pardubice
Cehia
2/2001 Cartuş cal.
7,62x 51mm
Nitroceluloză (13,25%N) 82,74
Nitroglicerină 9,4
Centralită I 0,3
Dinitrotoluen 0,28
Dibutilftalat 5,81
Difenilamină 0,2
3.
Pulbere NC-03 fabricată de
„Milan Blagojevic”
Namenska
Serbia&Muntenegru
10175/
2010
Cartuş cal.
9x19 mm
Nitroceluloză (13,3%N) 97,25
Difenilamină 1,22
Grafit 0,23
Umiditate 1,11
Solvent volatil 0,19
23
CARACTERISTICI GEOMETRICE ALE PULBERII SB 520 - FIŞĂ CU REZULTATELE TESTULUI Laborator LTECAM
2e1 – grosimea de combustie, D – diametrul granulei, Dech – diametrul echivalent, S1 – suprafața inițială,
V1 – volumul inițial, S1/V1 – raportul vivacității
Nr.
2e1
[mm]
D
[mm]
d
[mm]
Dech
[mm]
S1
[mm2]
V1
[mm3]
S1/V1
[1/mm]
1 0,311 0,786 0,714 0,75 1,62 0,14 11,76
2 0,359 0,778 0,74 0,759 1,76 0,16 10,84
3 0,321 0,63 0,61 0,62 1,23 0,10 12,68
4 0,335 0,79 0,7 0,745 1,66 0,15 11,34
5 0,307 0,79 0,697 0,7435 1,58 0,13 11,89
6 0,318 0,89 0,724 0,807 1,83 0,16 11,25
7 0,359 0,87 0,818 0,844 2,07 0,20 10,31
8 0,321 0,715 0,684 0,6995 1,47 0,12 11,95
9 0,357 0,48 0,489 0,4845 0,91 0,07 13,86
10 0,357 0,72 0,64 0,68 1,49 0,13 11,48
11 0,381 0,74 0,702 0,721 1,68 0,16 10,80
12 0,377 0,57 0,568 0,569 1,18 0,10 12,33
13 0,339 0,79 0,66 0,725 1,60 0,14 11,42
14 0,348 0,6 0,55 0,575 1,15 0,09 12,70
15 0,353 0,595 0,59 0,5925 1,21 0,10 12,42
16 0,34 0,75 0,657 0,7035 1,53 0,13 11,57
17 0,331 0,735 0,697 0,716 1,55 0,13 11,63
18 0,336 0,7 0,64 0,67 1,41 0,12 11,92
19 0,355 0,725 0,64 0,6825 1,49 0,13 11,49
20 0,316 0,82 0,638 0,729 1,56 0,13 11,82
Minim 0,307 0,48 0,489 0,4845 0,911657 0,065785 10,31037
Maxim 0,381 0,89 0,818 0,844 2,069775 0,200747 13,85817
Media 0,34105 0,7237 0,6579 0,6908 1,498312 0,12909 11,77346
24
CARACTERISTICI GEOMETRICE ALE PULBERII SB 620 - FIŞĂ CU REZULTATELE TESTULUI Laborator LTECAM
2e1 – grosimea de combustie, D – diametrul granulei, Dech – diametrul echivalent, S1 – suprafața inițială, V1
– volumul inițial, S1/V1 – raportul vivacității
Nr.
2e1
[mm]
D
[mm]
d
[mm]
Dech
[mm]
S1
[mm2]
V1
[mm3]
S1/V1
[1/mm]
1 0,39 0,96 0,73 0,845 2,16 0,21860 9,86
2 0,35 1,02 0,921 0,9705 2,55 0,25878 9,84
3 0,336 1,1 0,89 0,995 2,60 0,26113 9,97
4 0,332 1,01 0,72 0,865 2,08 0,19500 10,65
5 0,33 0,96 0,74 0,85 2,02 0,18716 10,77
6 0,316 1,09 0,96 1,025 2,67 0,26062 10,23
7 0,313 1,01 0,793 0,9015 2,16 0,19969 10,83
8 0,353 0,91 0,82 0,865 2,13 0,20734 10,29
9 0,362 0,906 0,76 0,833 2,04 0,19718 10,33
10 0,341 1,12 0,88 1 2,64 0,26769 9,87
11 0,318 1,03 0,73 0,88 2,09 0,19331 10,83
12 0,318 0,94 0,92 0,93 2,29 0,21590 10,59
13 0,292 1,124 1,06 1,092 2,87 0,27334 10,51
14 0,317 0,992 0,337 0,6645 1,35 0,10988 12,33
15 0,325 1,04 0,891 0,9655 2,45 0,23783 10,30
16 0,322 1,03 0,987 1,0085 2,62 0,25709 10,18
17 0,318 1,02 0,734 0,877 2,08 0,19200 10,85
18 0,329 0,815 0,78 0,7975 1,82 0,16426 11,09
19 0,318 0,826 0,78 0,803 1,81 0,16096 11,27
20 0,304 1,01 0,75 0,88 2,06 0,18480 11,12
Minim 0,292 0,815 0,337 0,6645 1,35468 0,10988 9,835873
Maxim 0,39 1,124 1,06 1,092 2,873401 0,273337 12,32871
Media 0,3292 0,99565 0,80915 0,9024 2,224289 0,212127 10,58529
25
CARACTERISTICILE BALISTICE ALE PULBERII SB 620
Lotul 1028 din 2010
Temperatura de testare: 27ºC
1 = 0,1 g/cm3
2 = 0,15 g/cm3 3 = 0,2 g/cm
3
pmax1 = 1180 bar pmax2 = 1820 bar pmax3 = 2480 bar
I11 = 1,001 bars I12 = 1,016 bars I13 = 0,7378 bars
u11 = 0,2367 mm/bars u12 = 0,2331 mm/bars u13 = 0,225 mm/bars
12 = 0,521 l/kg 23 = 0,404 l/kg 13 = 0,462 l/kg
f12 = 1118,5 kJ/kg f23 = 1139,79 kJ/kg f13 = 1125,5 kJ/kg
CARACTERISTICILE BALISTICE ALE PULBERII NC03
Lotul 1028 din 2010
Temperatura de testare: 27ºC
1 = 0,1 g/cm3
2 = 0,15 g/cm3 3 = 0,2 g/cm
3
pmax1 = 1200 bar pmax2 = 1820 bar pmax3 = 2540 bar
I11 = 0,998 bars I12 = 1,184 bars I13 = 1,187 bars
u11 = 0,154 mm/bars u12 = 0,1303 mm/bars u13 = 0,1299 mm/bars
12 = 0,21505 l/kg 23 = 0,787 l/kg 13 = 0,5223 l/kg
f12 = 1174,19 kJ/kg f23 = 1170,093 kJ/kg f13 = 1137,31 kJ/kg
26
ESTIMAREA CARACTERISTICILOR BALISTICE ALE MUNITIEI. ANALIZA SOLUTIEI DE DESIGN
Având în vedere rezultatele obţinute pentru caracteristicile balistice al pulberilor s-a ales pentru încărcare pulberea
cu marca SB 620, lot 1028 din 2010.
IPOTEZE DE LUCRU
La rezolvarea numerică a problemei fundamentale a balisticii interioare pe baza legii geometrice de ardere a pulberii, se admit următoarele ipoteze simplificatoare:
arderea pulberii se desfăşoară conform legii geometrice
legea vitezei de ardere se exprimă sub forma u = u1p
presiunea la care arde pulberea se consideră o presiune medie p
lucrurile mecanice secundare sunt proporţionale cu lucrul mecanic principal al mişcării de translaţie a
proiectilului şi se evaluează cu ajutorul coeficientului de masă fictivă , care nu se mai consideră constant
pierderile de energie prin cedare de căldură se iau în considerare prin intermediul forţei gazelor de pulbere
tăierea glonţului în ghinturile ţevii se consideră treptată şi nu instantanee, aşa cum se consideră de cele mai multe ori
indicele = γ−1 se consideră constant, deşi variază odată cu temperatura gazelor de pulbere de la o valoare mică, când temperatura gazelor este T1, la o valoare mai mare, când temperatura este Tg
lucrul mecanic consumat pentru învingerea rezistenţei aerului din ţeavă, lucrul mecanic consumat pentru deformarea elastică a ţevii, energia termică care se pierde prin scăparea gazelor printre glonţ şi peretele ţevii se neglijează
mişcarea glonţului în ţeavă se studiază până în momentul când acesta părăseşte ţeava
27
Au fost realizate simulări numerice pentru următoarele configurații:
masa glonţului este 2,61 g, determinată de volumul cămăşii glonţului şi de tipul răşinii folosite pentru umplere
masa încărcăturii de azvârlire a fost aleasă în ecartul 0,21 g şi 0,3 g, cu următoarele valori: 0,21 g, 0,24 g, 0,28 g, 0,30 g, în funcţie de diferitele grade de umplere ale camerei de încărcare şi de energiile cinetice aşteptate la gura ţevii şi la distanţa de 5 m (unde se va masura viteza iniţială medie a gloanţelor.
Rezultatele sintetice ale caracteristicilor balistice obţinute prin simulare numerică sunt prezentate mai jos:
Omega
[g]
PMAX
[bar]
V0
[m/s]
Ec0
[J]
V5
[m/s]
Ec5
[J]
Ec5/A
[J/cm2]
0,21 192 208 56,5 207 55,9 89,3
0,24 243 233 70,8 232 70,2 112,2
0,28 330 270 95,1 268,5 94,1 150,3
0,30 382 289 109,0 287 107,5 171,7
Pentru determinarea experimentală a caracteristicilor balistice au fost utilizate următoarele echipamente:
Ţeavă balistică EPVAT, prevăzută cu orificii pentru traductorii piezoelectrici
Dispozitiv suport ţeavă balistică și banc de tragere
Sistem electronic pentru măsurarea presiunii cu traductor piezoelectric de presiune
Sistem electronic de măsurare a vitezei gloanţelor (cu senzori), capabil să menţină erorile la un nivel mai mic de ± 1 m/s
28
Arma balistică de calibrul 9 mm cu traductorii piezo montaţi Sistem Oehler de măsurare a vitezei gloanţelor
Configuraţia experimentală utilizată în timpul testelor cu sistemul electronic Oehler de măsurare a vitezei gloanţelor
Exemplu cu înregistrări de presiune pentru cartuşul cu letalitate scăzută:
Tragerea 1
ω2 = 0,24 g
pmax1 = 348 bar
V5 1 = 312 m/s
Ec 1 = 126,54 J
După efectuarea tragerilor balistice cu cartuşele cu glonţ normal, s-a trecut la determinarea caracteristicilor
balistice ale cartuşelor cal. 9x19 mm cu glonţ cu letalitate redusă. Modul de realizare al gloanţelor şi cartuşelor va fi
prezentat în capitolul următor.
Este important de menţionat faptul ca pentru acest tip de muniţie se consideră că parametrul principal care
afectează letalitatea sau neletalitatea este energia cinetică a glonţului.
Pulberea aleasă pentru încărcare a fost pulberea marca SB 620, iar masa încărcăturii de azvârlire a fost aleasă în
ecartul 0,21 g şi 0,3 g, cu următoarele valori: 0,21g, 0,24g, 0,28 g, 0,30g, în funcţie de rezultatele simulării numerice
a problemei directe de balistică interioară (a se vedea capitolul 5 „Modelarea numerică a balisticii interioare şi
exterioare a proiectilelor cinetice”).
29
Rezultatele experimentale obţinute sunt prezentate în continuare.
30
PREGĂTIREA MUNIȚIEI PENTRU STUDIUL EFECTULUI NELETAL
Realizarea unei muniţii a cărei glonţ să aibă letalitate redusă a presupus parcurgerea următoarelor etape:
Realizarea gloanţelor pregătirea cămăşilor de gloanţe
aşezarea în suport și dozarea răşinii de umplere
polimerizarea răşinii
curăţarea cămăşilor de gloanţe
bordurarea gloanţelor
Pregătirea elementelor cartuşului prelevarea pulberii din încărcătura de azvârlire (marca SB 620
lot 1028/2010)
prelevarea tuburilor cartuş capsulate
cântărirea masei încărcăturii de azvârlire
Asamblarea şi verificarea dimensională a cartuşului
încărcarea tuburilor cartuş
asamblarea gloanţelor la tubul cartuş
verificarea cu calibrul de formă şi lungime cartuş