способ расснаряжения боеприпасов

Формула изобретения

1. Способ расснаряжения боеприпасов, заключающийся в выжигании заряда взрывчатого вещества из вертикально установленной металлической оболочки боеприпаса путем инициирования послойного горения взрывчатого вещества со стороны его свободной поверхности воздействием на эту поверхность нагретым до высокой температуры поджигающим телом, отличающийся тем, что берут в качестве поджигающего тела и теплоносителя псевдоожижаемый текучий зернистый материал, для чего устанавливают полузамкнутую металлическую оболочку боеприпаса открытой горловиной вниз, направляют на горловину натекающую струю смеси текучего зернистого материала и несущего воздуха с начальной температурой выше температуры воспламенения взрывчатого вещества, пропускают часть зернистого материала струи через горловину внутрь металлической оболочки для использования в качестве поджигающего тела при воздействии на поверхность горения взрывчатого вещества, смешивают истекающие из металлической оболочки отраженный от поверхности горения зернистый материал и продукты горения взрывчатого вещества с оставшейся вне металлической оболочки частью натекающей струи для дожигания продуктов неполного сгорания и нагрева всего зернистого материала струи до конечной температуры, отделяют газовую часть продуктов полного сгорания с избытком воздуха от текучего зернистого материала и отводят последовательно в теплообменник нагрева воздуха и выходной сепаратор, перемещают нагретый до конечной температуры текучий зернистый материал в аккумулятор тепла с дальнейшим использованием в качестве теплоносителя для обеспечения работы потребителей тепловой энергии, выделяемой по разности конечной и начальной температур текучего зернистого материала, возвращают текучий зернистый материал с начальной температурой для смешения с нагретым воздухом и формирования натекающей струи.

2. Способ расснаряжения боеприпасов по п.1, отличающийся тем, что конечную температуру продуктов сгорания и текучего зернистого материала регулируют путем изменения расхода зернистого материала, скорости натекания струи на горловину металлической оболочки боеприпаса или начальной температуры текучего зернистого материала.

3. Способ расснаряжения боеприпасов по п.1, отличающийся тем, что текучий зернистый материал из аккумулятора тепла используют как теплоноситель в теплообменнике для нагрева рабочего тела паротурбинного электрогенератора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области утилизации вооружений, а именно к способам расснаряжения боеприпасов (БП), основное поражающее действие которых обеспечивается зарядами взрывчатого вещества (ВВ).

Известны способы расснаряжения БП, заключающиеся в выплавлении заряда ВВ из корпуса путем нагрева его горячим паром или жидкостью, растворении заряда ВВ в растворителях различного состава, удалении ВВ путем высверливания или вытачивания механическим инструментом, выжигания ВВ из корпуса в специальных печах или на открытом огне и выжигания с локальным инициированием горения ВВ в месте прожига корпуса струей жидкого железа, полученного при термитной реакции.

Все известные способы имеют существенные недостатки. Так, способы, заключающиеся в переводе твердого ВВ в жидкое состояние или растворы, не могут быть использованы для БП, снаряженных неплавящимися и плохорастворимыми ВВ. Способ механического удаления ВВ требует сложного технологического оборудования, дорог и опасен. Способ выжигания в печах является малопроизводительным, энергоемким и требующим специальной защиты вследствие реальной возможности инициирования теплового взрыва заряда ВВ при перегреве корпуса БП внешним источником тепла [1].

Известен также способ расснаряжения БП, содержащих неплавящиеся и плохорастворимые ВВ, путем выжигания зарядов ВВ из металлических корпусов, которое проводят в режиме послойного горения со стороны открытой поверхности ВВ. Инициирование послойного горения производят воздействием нагретого до высокой температуры металлического тела либо на поверхность ВВ в БП, либо промежуточного горючего вещества, например пороха, которое предварительно помещают в БП на поверхность ВВ. Недостатком этого способа является низкая его производительность при расснаряжении БП с ВВ в полузамкнутой внутренней полости сложной формы, которая часто встречается в артиллерийских снарядах, т.к. необходимо в каждый снаряд вкладывать металлическое тело и организовывать его нагрев, что требует дополнительных расходов и времени. При этом начальная свободная поверхность ВВ ограничена каналом от удаленного взрывателя, так что послойное горение в плоскости, перпендикулярной продольной оси, может не реализовываться. Это приведет к неполноте выгорания несамогорящих ВВ и увеличению продолжительности выжигания в случае самогорящих ВВ. Вход во внутреннюю полость БП ограничен очком горловины, диаметр которой меньше диаметра внутренней полости с ВВ [2].

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является способ расснаряжения БП, заключающийся в выжигании заряда ВВ из вертикально установленной металлической оболочки БП путем инициирования послойного горения ВВ со стороны его свободной поверхности воздействием на эту поверхность нагретого до высокой температуры поджигающего тела, поджигающее тело выполняют из безгазового теплоинерционного теплового состава, размещенного в БП в контакте со всей свободной поверхностью ВВ, и воспламеняют поджигающее тело. Состав поджигающего тела выполнен на основе оксида хрома Сr₂О₃ и алюминия. Состав выбран из условия обеспечения самораспространяющегося процесса высокотемпературного синтеза. Поджигающее тело представляет собой навеску свободно текучих сферических или цилиндрических гранул [3].

Недостатком известного способа является необходимость иметь производство свободно текучих гранул из алюмотермитного состава и индивидуального обслуживания каждого выжигаемого снаряда. Кроме того, энергетический ресурс ВВ полезно не используется.

Решаемой технической задачей является способ экологически безопасного расснаряжения БП без применения низкопроизводительных операций, кроме загрузки БП и выгрузки пустых корпусов, со стимулированием повышенной скорости горения ВВ для увеличения производительности и с возможностью одновременного выжигания нескольких БП при централизованном использовании средств обеспечения операций и извлечении энергетических ресурсов ВВ.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе расснаряжения боеприпасов, заключающемся в выжигании заряда взрывчатого вещества из вертикально установленного металлического корпуса боеприпаса путем инициирования послойного горения взрывчатого вещества со стороны его свободной поверхности воздействием на эту поверхность нагретым до высокой температуры поджигающим телом, берут в качестве поджигающего тела и теплоносителя псевдоожижаемый текучий зернистый материал, для чего устанавливают полузамкнутую металлическую оболочку боеприпаса открытой горловиной вниз, направляют на горловину натекающую струю смеси текучего зернистого материала и несущего воздуха с начальной температурой выше температуры воспламенения взрывчатого вещества, пропускают часть зернистого материала струи через горловину внутрь металлической оболочки для использования в качестве поджигающего тела при воздействии на поверхность горения взрывчатого вещества, смешивают истекающие из металлической оболочки отраженный от поверхности горения зернистый материал и продукты горения взрывчатого вещества с оставшейся вне металлической оболочки частью натекающей струи для дожигания продуктов неполного сгорания и нагрева всего зернистого материала струи до конечной температуры, газовую часть продуктов полного сгорания с избытком воздуха отделяют от текучего зернистого материала и отводят последовательно в теплообменник нагрева воздуха и выходной сепаратор, перемещают нагретый до конечной температуры текучий зернистый материал в аккумулятор тепла с дальнейшим использованием в качестве теплоносителя для обеспечения работы потребителей тепловой энергии, выделяемой по разности конечной и начальной температур текучего зернистого материала, возвращают текучий зернистый материал с начальной температурой для смешения с нагретым воздухом и формирования натекающей струи. Конечную температуру продуктов сгорания и текучего зернистого материала регулируют путем изменения расхода зернистого материала, скорости натекания струи на горловину металлической оболочки боеприпаса или начальной температуры текучего зернистого материала. Текучий зернистый материал из аккумулятора тепла используют в теплообменнике для нагрева рабочего тела паротурбинного электрогенератора.

Сравнительный анализ существенных признаков прототипа и предлагаемого устройства показывает, что отличительными признаками предложения являются те, в соответствии с которыми:

- берут в качестве поджигающего тела и теплоносителя псевдоожижаемый текучий зернистый материал;

- направляют на горловину металлической оболочки натекающую струю смеси текучего зернистого материала и несущего воздуха с начальной температурой выше температуры воспламенения взрывчатого вещества;

- пропускают часть зернистого материала струи через горловину внутрь металлической оболочки для использования в качестве поджигающего тела при воздействии на поверхность горения взрывчатого вещества;

- смешивают истекающие из металлической оболочки отраженный от поверхности горения зернистый материал и продукты горения взрывчатого вещества с оставшейся вне металлической оболочки частью натекающей струи для дожигания продуктов неполного сгорания и нагрева всего зернистого материала струи до конечной температуры;

- перемещают нагретый до конечной температуры текучий зернистый материал в аккумулятор тепла с дальнейшим использованием в качестве теплоносителя для обеспечения работы потребителей тепловой энергии, выделяемой по разности конечной и начальной температур текучего зернистого материала.

Сущность настоящего предложения будет более понятна из рассмотрения фигур, где:

фиг.1 представляет общую схему устройства для осуществления предлагаемого способа;

фиг.2 показывает схему модуля выжигания предпочтительного исполнения на основе аппарата с псевдоожиженным фонтанирующим слоем и обрабатываемым боеприпасом;

фиг.3 изображает структуру течений материалов внутри свободной полости боеприпаса,

и следующего описания исполнения изобретения.

Как показано на фиг. 1, устройство для реализации предлагаемого способа экологически чистого расснаряжения боеприпасов с извлечением энергетических ресурсов в виде электроэнергии и горячей воды тепловых сетей имеет контур циркуляции псевдоожижаемого текучего зернистого теплоносителя по цепи из группы модулей выжигания 1, аккумулятора тепла 2 на основе текучего зернистого материала, теплообменника 3 передачи тепла от текучего зернистого материала к рабочему телу замкнутого контура турбины 4 с электрогенератором 5, бункера хранения 6 отработавшего цикл текучего зернистого материала и терморегулятора 7. Замкнутый контур турбины 4 с электрогенератором 5, содержащий насос 8 циркуляции рабочего тела, рассчитан на съем тепловой энергии на трех переделах: с теплообменником 3 на первом переделе используют перепад температур от конечной температуры зернистого материала, например 900°С, до начальной температуры в псевдоожиженном фонтанирующем слое, например 400°С, на втором переделе с теплообменником 9 внутри замкнутого контура 8 реализуют перепад температур от 250°С до 150°С для работы магистральных тепловых сетей. В последнем переделе с теплообменником 10 снижают температуру рабочего тела от 150°С до 80°С для использования тепла в сушилках, тепловых экранах и в аналогичных устройствах. После теплообменника 3 текучий зернистый материал с температурой около 400°С отводят в бункер хранения 6 и возвращают по потребности в модули выжигания 1 для участия в формировании натекающих струй из смеси с нагретым воздухом.

Модуль выжигания 1, схема которого представлена на фиг. 2, содержит цилиндроконический корпус 11 с центральной трубой пневмотранспорта 12. Нижний конец трубы пневмотранспорта установлен выше основания корпуса 11 на расстояние, определяющее перенос частиц из кольцевого псевдоожиженного слоя 13, преимущественно в конической части корпуса, в трубу пневмотранспорта 12. Основание корпуса 11 содержит входной участок трубы 14 подачи нагретого несущего газа, воздуха, в трубу пневмотранспорта 12 и в псевдоожиженный слой 13. Для псевдоожиженного слоя берут текучий зернистый материала из группы D по классификации Гелдарта. Верхний конец трубы пневмотранспорта 12 устанавливают соосно с гнездом 17 на верхней крышке 18 корпуса модуля 1 для БП 19, помещаемого открытой горловиной вниз. БП 19 в рабочем положении утоплен внутрь корпуса 11 на расстояние, определяющее радиальный зазор для отвода газообразных продуктов сгорания по трубе 20 в циклонный сепаратор 21. Свободный передний конец БП с горловиной вниз помещен в отверстие периферийного отражателя 22. Отражатель снабжен поворотной заслонкой 23. Внутри цилиндрической части корпуса II установлен конический сборник 24, соединенный с каналом стока текучего зернистого материала в аккумулятор тепла 2. В аккумулятор тепла также поступает отделенный от газа в циклонном сепараторе 21 текучий зернистый материал. Расходуемую загрузку псевдоожиженного слоя 13 пополняют из бункера хранения 6 по трубе 25. Модуль оснащен регуляторами расхода воздуха в трубу пневмотранспорта (не показаны). Корпус модуля и трубы снабжены теплоизоляцией, снижающей тепловые потери (не показана). Верхняя крышка 18 корпуса модуля 1 снабжена средствами отделения ее от корпуса в случае резкого повышения внутреннего давления (не показаны). Гнездо 17 снабжают средствами жесткого скрепления с БП 19 и верхней крышкой 18 (не показаны). В корпусе 11 в радиальном зазоре отвода продуктов сгорания и трубе 20 размещен теплообменник нагрева воздуха 26. Вход теплообменника соединен с нагнетателем воздуха (не показан), который является общим для всех модулей выжигания в устройстве. Выход теплообменника 26 сообщен с трубой 14 подачи нагретого несущего воздуха в нижнюю часть корпуса 11.

Реализация предлагаемого способа начинается с запуска установки на непрерывную продолжительную работу, который включает разогрев текучего зернистого материала, поступающего из бункера хранения 6, в терморегуляторе 7 до начальной рабочей температуры, которая выше температуры воспламенения ВВ по меньшей мере на 100°С, и направляют вместе с нагретым воздухом далее в псевдоожиженный слой 13. Циркуляцию текучего зернистого материала осуществляют при пониженном расходе воздуха, обеспечивающем минимальное псевдоожижение слоя 13. В начале работы аккумулятор тепла 2 пуст и заполняется по мере выхода установки на рабочий режим. После выхода температуры псевдоожиженного слоя 13 на заданный уровень, при закрытой заслонке 23, в гнезде 17 закрепляют БП 19 с открытой вниз через горловину свободной поверхностью горения 27, фиг. 3, и повышают расход нагретого воздуха через трубу 14 до расчетного уровня с дозированием подачи текучего зернистого материала из кольцевого псевдоожиженного слоя 13 в трубу пневмотранспорта 12 через промежуток между основанием корпуса и нижним концом трубы пневмотранспорта 12. Скорость воздуха устанавливают выше скорости витания частиц. Инертный текучий зернистый материал группы D, например, речной песок с размером частиц 1,5-2 мм, поступающий из псевдоожиженного слоя, подхватывается газовым потоком вследствие аэродинамической подъемной силы и ускоряется до конечной скорости, равной скорости газа за вычетом скорости скольжения. Скорость скольжения обычно принимают равной скорости витания частиц. Выходящая из пневмотранспортной трубы 12 двухфазная струя начинает расширяться. При этом, вследствие большей инерционности твердых частиц, концентрация твердой фазы в центральной части сохраняется или повышается. При натекании струи на закрытую заслонку 23 и периферийный отражатель 22 происходит радиальное растекание струи с переходом в нисходящий кольцевой слой текучего зернистого материала. Через радиальный зазор между периферийным отражателем 22 и верхней крышкой 18 корпуса несущий газ, а также газообразные продукты сгорания отводят из корпуса 11 по трубе 20 в циклонный сепаратор 21. После очистки в циклоне газообразные продукты отводят в атмосферу, а отделенный текучий зернистый материал перемещают в аккумулятор тепла 2. Нисходящий кольцевой слой зернистого материала в корпусе 11 собирают в коническом сборнике 24, откуда его перемещают по каналу стока в аккумулятор тепла 2.

Для выжигания БП открывают заслонку 23. За счет этого создают проход для двухфазной струи с температурой по меньшей мере на 100°С выше температуры воспламенения ВВ к свободной поверхности горения 27. Для ускорения воспламенения свободную поверхность горения предварительно покрывают слоем легковоспламеняющегося материала, например, пороха. При послойном горении заряда 28 ВВ пропускаемая внутрь полости струя 29 из преимущественно зернистого материал взаимодействует с поверхностью горения, повышая его температуру и увеличивая линейную скорость горения. Непрерывный подвод тепла к поверхности горения с текучим зернистым материалом позволяет поддерживать высокую скорость горения в течение всего периода выжигания. Для октогена экспериментально установлено, что температурам поверхности 667К, 714К, 770К и 833К соответствуют скорости горения 0,1, 0,5, 1,0 и 5 мм/с соответственно (разбросы до 50К) при атмосферном давлении. Расчеты по модели кинетики газификации для гексогена при температурах поверхности горения 600К, 650K и 700К показали, что массовые плотности тока газификации гексогена при атмосферном давлении повышаются от 0,08 до 0,212 и 0,465 г/см² соответственно (0,5, 1,325 и 2,91 мм/с соответственно). Коэффициент теплоотдачи от текучего зернистого материала к плоской поверхности по результатам экспериментов Sheldon J. et al. Development of a Novel Thermal Energy Storage System Using Sand as the Medium, Solar 2010 Conference Proceedings, составляет 300-400 Вт/м² К. При температуре нагрева зернистого материала на 100К выше температуры поверхности горения удельный тепловой поток к поверхности горения будет составлять, например, 30 кВт/м² или 3 Вт/см². При толщине прогретого слоя 0,1 мм, плотности материала слоя 1,6 г/см ³ и удельной теплоемкости материала слоя 1,5 Дж/г·К прогретый слой будет дополнительно нагрет этим удельным тепловым потоком на T=125K.

Зернистый материал вызывает эрозию поверхности горения. Натекающая на поверхность горения центральная струя 29 отражается преимущественно в радиальном направлении вдоль поверхности горения к стенкам полости и образует кольцевой нисходящий слой 30 из твердых частиц с продуктами сгорания, который истекает кольцевым слоем из горловины. В процессе течения в кольцевом слое происходит теплообмен между более нагретыми продуктами сгорания и зернистым материалом, что приводит к снижению общей температуры, уменьшая вероятность образования оксидов азота. В горловине БП возникают два противоположно направленных потока, один из которых, центральный с текучим зернистым материалом, пропускают внутрь полости металлической оболочки, а другой действует в направлении выхода из полости металлической оболочки. Истекающие из полости БП газы тормозят газовую часть центрального потока и пропускают внутрь более инерционные твердые частицы. При недостаточной дальнобойности твердой фазы в полости металлической оболочки БП повышают скорость истечения из трубы пневмотранспорта 12. При недостаточном подводе тепла к поверхности горения повышают нижнюю начальную температуру процесса. Вертикально вниз истекающий из горловины БП двухфазный поток продуктов сгорания сталкивается с радиально растекающейся по периферийному отражателю 22 части двухфазной струи из пневмотранспортной трубы 12. При смешении потоков происходит дожигание продуктов неполного сгорания ВВ, выравнивание температур всех материалов смеси и отвод газообразных продуктов через радиальный зазор между периферийным отражателем 22 и верхней крышкой 18 по трубе 20 в циклонный сепаратор 21. Проходящие через радиальный зазор продукты сгорания нагревают воздух, поступающий из нагнетателя (не показан) в теплообменник 26 для последующего формирования потока смеси с текучим зернистым материалом в трубе пневмотранспорта 12 и кольцевого псевдоожиженного слоя 13 в корпусе модуля 1.

При оптимизированном режиме работы выровненная конечная температура смеси составляет 800-900°С. Нагретый до 800-900°С текучий зернистый материал, прошедший через полость БП, совместно с твердой фазой, оставшейся вне полости БП части струи из трубы пневмотранспорта, в виде периферийного кольцевого слоя поступает в конический сборник 24, откуда его направляют по каналу стока в аккумулятор тепла. При завышенной конечной температуре твердой фазы повышают массовую плотность тока твердой фазы в трубе пневмотранспортна 12 путем увеличения высоты промежутка между нижним концом пневмотранспортной трубы и основанием корпуса 11. После завершения выжигания заряда ВВ 28 БП 19 закрывают заслонку 23, извлекают пустой корпус БП и устанавливают в гнездо 17 новый подготовленный БП 19. Затем открывают заслонку 23 и начинают новый цикл выжигания.

При линейной скорости горения ВВ 4 мм/с время выжигания снаряда составит около 100 c. При массе корпуса снаряда 13 кг и толщине стальной стенки 12,5 мм время одностороннего прогрева пластины такой толщины ориентировочно запаздывает на 30 с от перемещения фронта горения, что позволяет исключить вероятность каких-либо реакций на границе между стенкой и ВВ в течение времени выжигания.

В другом предпочтительном исполнении модуля выжигания (не показано) псевдоожиженный слой образуют в цилиндрическом аппарате с плоской донной воздухораспределительной решеткой вокруг трубы подачи воздуха в пневмотранспортную трубу. Подачу текучего зернистого материала в пневмотранспортную трубу дозируют с помощью отверстий в нижней части пневмотранспортной трубы 12, соединенной с трубой подачи нагретого воздуха 14.

Энергетические затраты на осуществление выжигания определяются энергией для начального разогрева текучего зернистого материала до начальной температуры процесса и мощностью нагнетателя воздуха для работы трубы пневмотранспорта. При общей массе текучего зернистого материала для одного модуля, например, 50 кг, нагрев ее до 400°С потребует около 20 МДж или 5,55 кВт-ч. В случае работы с трубой пневмотранспорта внутренним диаметром 35 мм и высотой 3 м при скорости нагретого несущего воздуха 110 м/с и массовой плотности тока зернистого материала 40 кг/м²c выжигание БП калибром 100 мм потребует мощности нагнетателя воздуха около 500 Вт для работы трубы пневмотранспорта и псевдоожижения кольцевого слоя, так что расход энергии за 100 с процесса составит 50 кДж. Генерация тепловой энергии при сгорании одного заряда ВВ на основе гексогена с массой 1,7 кг составит около 17 МДж. Расхода энергии также потребуют подъемно-транспортные механизмы загрузки БП и выгрузки пустых металлических оболочек, перемещения текучего зернистого материала в аккумулятор тепла, теплообменник рабочего тепла турбины, в бункер хранения, терморегулятор и в модуль выжигания.

В аккумуляторе тепла 2 проводят тепловую гомогенизацию текучих зернистых материалов, поступающих из всех задействованных модулей выжигания 1. Дальнейшее извлечение энергетических ресурсов боеприпасов проводят по известным технологиям солнечно-электрических станций, например, по патенту Eck M. Verfahren zur solarthermischen Gewinnung elektrischer Energie und solarthermisches Kraftwerk//DE 10329623 B3 2005, F01K 3/0 или по публикации Warerkar S., Schmitz S., Goetsche J., Hoffschmidt В., Tamme R., Air-Sand Heat Exchanger for High-Temperature Storage//ASME 2009, 3-rd International Conference on Energy Sustainability, Vol. 2. Такое извлечение энергетических ресурсов может быть эффективным при массовом одновременном выжигании снарядов на установках с десятками загрузочных мест, общими аккумулятором тепла и парогенератором. Энергия полного сгорания гексогена составляет около 10 МДж/кг. Для обеспечения бесперебойной работы ТЭЦ, например, мощностью 500 кВт необходимо при общем к.п.д. 0,2 ежедневно сжигать по 128 снарядов/час с массой взрывчатого снаряжения 7 кг в каждом, например, 152-мм снарядов. Для этого потребуется 20 загрузочных мест с производительностью 6,4 снаряда/час на каждом.

Первичное горение ВВ внутри металлической оболочки БП происходит при недостатке кислорода для полного сгорания, Вследствие этого температура продуктов неполного сгорания низкая и оксиды азота не образуются, за исключением тех, что возникают при разложении ВВ в незначительном количестве. Дожигание продуктов неполного сгорания с избытком воздуха осуществляют в присутствии большого количества балластирующего текучего зернистого материала, который снижает температуру сгорания до 800-900°С. В этих условиях образование вредных оксидов азота минимально. Кроме того, способ позволяет вводить в текучий зернистый материал твердотельные катализаторы разложения оксидов азота, например на основе оксидов никеля и железа. Эффективность таких катализаторов в псевдоожиженных слоях подтверждена экспериментально.

Источники информации

1. US 3109369, 1963, F42B 33/06.

2. RU 2104471, 1998, F42B 33/06 (Щетко С.В. и др.).

3. RU 2224215, 2004, Карелин В.А., Кирий Г.В., Мелешко В.Ю., Краснобаев Ю.Л. Способ расснаряжения боеприпасов.