Общая характеристика эксплуатационных факторов

В процессе эксплуатации боеприпасов влияние на них факторов окружающей среды зависит не только от климата, в котором эксплуатируется изделие, но и от режима и условий эксплуатации. Основным режимом эксплуатации боеприпасов является хранение, которое может осуществляться на открытых площадках (под навесами) и в неотапливаемых хранилищах.

Под навесами температурно-влажностные комплексы практически не отличаются от характеристик приземной атмосферы соответствующего климатического района. В значительной степени исключается лишь влияние атмосферных осадков и солнечной радиации.

В неотапливаемых хранилищах распределение температур воздуха характеризуется уменьшенным размахом, а распределение относительной влажности может быть описано равномерным законом в пределах 40…100% в жаркой и холодной и 60…100% в умеренной зоне. Экспериментальные исследования демпфирующего влияния хранилищ на температурно-влажностные комплексы, проведенные в 3 ЦНИИ МО РФ, свидетельствуют, что разность температур воздуха в неотапливаемом хранилище и вне его может составлять до 12…15 °С. Даже при нахождении боеприпасов под чехлами или в таре температура изделий может превышать температуру окружающего воздуха на 4…8°С.

При нахождении боеприпасов в боеукладках танков и боевых машин кроме факторов окружающей среды, определяемых метеоусловиями, на них оказывают влияние конструктивные особенности техники и режим ее использования.

Все факторы окружающей среды способны оказывать влияние на выстрелы, находящиеся в боеукладке, за исключением солнечной радиации. Она способна оказывать только опосредованное воздействие через нагрев элементов конструкции башни и корпуса танка. При рассмотрении влияния температуры необходимо учитывать температуру не только воздуха, но и контактирующих с элементами выстрелов поверхностей. Их значения могут существенно отличаться (например, в холодное время года или при наличии радиационного нагрева конструкций).

Основными конструктивными факторами техники, влияющими на микроклимат боевого отделения, являются: компоновка машины, величина заброневого объема, толщина и материал корпуса, внутренние источники тепла и их производительность, количество, размеры и размещение люков (дверей), наличие систем вентиляции и кондиционирования.

На формирование микроклимата оказывает влияние режим эксплуатации боевой машины. При этом необходимо выделять режимы, характерные для хранения объекта и для его использования по назначению. Особенно важным представляется наличие герметизации (штатными средствами или с применением специальных материалов при постановке на хранение). Данный фактор определяет степень демпфирующего влияния рассмотренных выше конструктивных факторов на проявление действия факторов окружающей среды.

При транспортировании боеприпасов, особенно автомобильным транспортом и в боеукладках техники, на них оказывает влияние такой фактор, как запыленность воздуха. При совершении марша по шоссе запыленность характеризуется величиной 10…50 мг/м³. А при движении по песку в условиях Средней Азии она возрастает до 720…1200 мг/м³. Осаждение пыли на элементах выстрелов может быть причиной незакрытия затвора при стрельбе. Кроме того, пыль может играть роль абразива при трении элементов выстрела о детали боеукладки.

В процессе транспортирования и выполнения погрузо-разгрузочных работ (ПРР) боеприпасы испытывают воздействие ударных и вибрационных нагрузок, разнонаправленных ускорений. Особенно интенсивными эти нагрузки могут быть при ПРР, поэтому в правилах техники безопасности при обращении с боеприпасами указываются предельно допустимые высоты падения изделий в таре и без нее, при которых конструкция боеприпасов гарантирует сохранение их безопасности. Вибрационные нагрузки при транспортировании определяются характеристиками дорожного покрытия и динамическими параметрами техники (особенно ее подвески). Поэтому при транспортировании особое внимание уделяется надежному креплению изделий в таре и грузовых мест на транспортных средствах.

2.2. Процессы, протекающие при воздействии факторов внешней среды

на элементы боеприпасов

При эксплуатации с элементами выстрелов происходят изменения, связанные с протеканием обратимых (например, влагообмен) и необратимых (например, химическое разложение пороха) процессов. Изменение характеристик выстрелов при хранении связано, прежде всего, с изменением состава порохов метательного заряда, а также с разрушением нестабильных элементов. Это происходит в результате комплексного воздействия на них факторов окружающей среды, однако определяющее воздействие на такие элементы оказывают температура и влажность.

При хранении в условиях положительных температур в нестабильных элементах боеприпасов ускоряются процессы старения. Одним из наиболее интенсивных процессов, протекающих в метательных зарядах при хранении и связанных с изменением химического состава пороха, является влагообмен с внешней средой. Он определяется гигроскопичностью пороха, т.е. его способностью поглощать влагу и удерживать ее в определенном количестве. Гигроскопичность зависит от природы пороха и от внешних условий (температуры и относительной влажности воздуха). С повышением температуры и относительной влажности гигроскопичность пороха повышается.

Гигроскопичность пироксилиновых порохов в 2,0…2,5 раза выше, чем баллиститных, из-за большего содержания наиболее гигроскопичного компонента (нитратов целлюлозы). Кроме того, в баллиститных в значительном количестве (до 40%) содержатся труднолетучие и нелетучие растворители-пластификаторы, обладающие малой собственной гигроскопичностью (до 0,2%) и блокирующие гидроксильные группы в нитратах целлюлозы. Более высокую гигроскопичность, чем пороха, имеет материал сгорающих гильз. При увлажнении их способность к горению в сильной степени снижается, ухудшается дробимость, что приводит к неполному сгоранию при выстреле. Поэтому хранение зарядов в сгорающих гильзах возможно лишь в герметичной таре (пенале, футляре). Присутствие влаги в порохах ускоряет процессы разложения.

При нахождении порохов в герметичном объеме (гильза, пенал) улетучивание остаточного спирто-эфирного растворителя ничтожно. При нарушении герметизации, особенно при повышенных и переменных температурах и относительной влажности воздуха, остаточный спиртоэфирный растворитель теряется быстрее. Общее содержание летучих веществ в тонкосводных порохах при длительном хранении обычно увеличивается, а в толстосводных – уменьшается. При этом изменение содержания летучих веществ происходит тем медленнее, чем меньше толщина горящего свода пороха [27].

В процессе хранения выстрелов происходит диффузионное перераспределение компонентов в элементах метательного заряда. Интенсивность этого процесса зависит в основном от содержания компонента в порохе, температуры, времени хранения и условий контакта элементов.

Наряду с физическими процессами, вызывающими изменение свойств порохов, важное место занимают химические превращения, определяющие стабильность порохов. Химические превращения в порохах носят необратимый характер, вызывая накопление изменений показателей соответствующих свойств. В результате химических превращений пороха могут изменять свою структуру, плотность, механическую прочность, энергетические характеристики, скорость горения и другие свойства. Все это в конечном счете сказывается на баллистических параметрах зарядов, а в ряде случаев может создать предпосылки для самопроизвольного воспламенения порохов. Поэтому в большинстве случаев служебная пригодность порохов определяется глубиной протекания химических процессов.

Химическая стабильность порохов определяется их химической стойкостью, т.е. способностью сопротивляться медленному самопроизвольному химическому разложению при эксплуатации в различных условиях. Химическая стабильность порохов зависит от природы и содержания компонентов, качества исходного сырья, технологии изготовления и условий эксплуатации [27].

Для повышения стойкости порохов в их состав вводятся стабилизаторы химической стойкости. Продукты разложения нитроэфиров вступают с ними во взаимодействие. При этом нитрогруппы, потерявшие связь с нитроэфиром, присоединяются к стабилизатору и суммарное содержание азота и кислорода в порохе практически не изменяется, что обеспечивает сохранение уровня энергетических показателей. Подобная стабилизация энергетики порохов происходит при затруднении улетучивания спирто-эфирного растворителя в пироксилиновых и труднолетучих растворителей в баллиститных порохах. Таким образом, для обеспечения стабилизации свойств порохов при эксплуатации необходимо периодически контролировать содержание стабилизатора в порохах.

В ряде исследований отмечается наличие связи между толщиной горящего свода пороховых элементов и их химической стойкостью. В общем виде эта связь проявляется в снижении химической стойкости порохов с увеличением толщины горящего свода.

Причина такой зависимости заключается в затруднении диффузии продуктов разложения из глубинных слоев пороховых элементов. Поэтому с увеличением толщины горящего свода возрастает объемная доля пороха, подвергающегося более интенсивному каталитическому воздействию азотокислых и других продуктов разложения.

При повышении температуры хранения происходит интенсификация процессов химического разложения порохов, т.е. образование газообразных веществ и твердых осадков (СО, СО₂, Н₂, Н₂О, N₂, N₂О, NО, иногда СН₄, NН₃ и др.)

При повышении влагосодержания порохов происходит ускорение процесса разложения за счет усиления гидролитических явлений, т. е. разложение пороха на жидкие вещества и твердые осадки (азотная кислота, муравьиная кислота и ряд других кислот), растворимые в воде углероды (из осадков нитратов целлюлозы) и прочие твердые вещества. При малой влажности продукты разложения будут легче диффундировать из пороха, тем самым интенсивность его разложения будет снижаться.

Излучения большой энергии (радиоактивное излучение) также вызывают изменение свойств порохов. Под воздействием таких излучений в них происходят процессы деструкции и структурирования, могут образовываться ионы и радикалы, которые резко увеличивают скорость расхода стабилизаторов химической стойкости.

Биологические микроорганизмы (в частности плесневые грибки) в условиях определенного климата могут развиваться не только на поверхности зарядов, но и в глубинных слоях. Порох приобретает рыхлую структуру и, как следствие, его горение носит аномальный характер и переходит в объемное с резким возрастанием давления.

Механическая прочность порохов и ее сохранение в процессе длительной эксплуатации зависят от многих факторов, важнейшими среди которых являются: природа и содержание компонентов, технологические режимы изготовления, условия и время эксплуатации. Ввод в состав баллиститного пороха дополнительных пластификаторов (дибутилфталат, динитротолуол, централит и др.) сопровождается уменьшением прочности и повышением эластичности (деформируемости). Повышение степени нитрации целлюлозы в сильной степени повышает прочность баллиститных порохов. Так, при увеличении содержания азота от 11,0 до 12,3 % предел высокоэластической деформации баллиститного пороха возрастает почти в два раза [27]. В связи с тем, что пороховые заряды проектируются с ограниченным запасом прочности, необходимо строго контролировать изменение прочности заряда в период эксплуатации. При повышении температуры интенсивность изменения прочности увеличивается. Наиболее интенсивно механическая прочность зарядов изменяется в начальный период хранения, что частично связано с протеканием релаксационных процессов в послетехнологический период, который совпадает с начальным периодом хранения. Весьма сильное влияние на изменение прочности зарядов оказывает влага. При хранении с повышенной влажностью интенсивность и глубина изменения физико-механических свойств возрастают.

Изменение химического состава и структуры порохов сказывается на величине скорости горения и силы пороха. С повышением содержания азота в пироксилине на 1% коэффициент скорости горения увеличивается на 28,5%, а аналогичное увеличение содержания летучих веществ приводит к снижению скорости горения на 12%.

Характер изменения скорости горения при хранении определяется природой пороха и условиями хранения. Так, скорость горения пироксилиновых порохов в начальный период хранения в условиях форсированных режимов несколько повышается, а в последующем монотонно снижается. Причиной этого является улетучивание спирто-эфирного растворителя и влаги в начале хранения. В последующем определяющую роль в изменении скорости горения играют процессы химического разложения пироксилина.

Особую роль в изменении скорости горения играет плотность порохов. С повышением плотности скорость горения порохов одного и того же состава понижается, увеличивается теплопроводность и снижаются диффузионные свойства. При изменении плотности баллиститных порохов от 1,59 до 1,54 г/см³ скорость горения возрастает более чем в два раза [27].

В целом в процессе длительного хранения выстрелов наблюдается тенденция к снижению энергетических характеристик входящих в их состав порохов.