analiza nivelului de acceleraŢiifuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea...

32
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

Upload: others

Post on 28-Dec-2019

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 2: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 3: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 4: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 5: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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);

Page 6: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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:

Page 7: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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 [%]

Page 8: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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.

Page 9: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 10: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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);

Page 11: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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.

Page 12: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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.

Page 13: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 14: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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.

Page 15: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 16: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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.

Page 17: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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:

Page 18: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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.

Page 19: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 20: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 21: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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.

Page 22: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 23: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 24: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 25: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 26: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 27: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 28: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 29: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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

Page 30: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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”).

Page 31: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

29

Rezultatele experimentale obţinute sunt prezentate în continuare.

Page 32: ANALIZA NIVELULUI DE ACCELERAŢIIFuncționarea armei în regim semiautomat fără schimbarea mecanismului reculant este o cerință contradictorie la prima vedere, dat fiind faptul

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