Патент на изобретение №2260779

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к средствам получения энергии из металлических материалов путем воздействия снарядов на мишень. Сущность изобретения заключается в том, что бомбардируют твердую мишень снарядом, обладающим скоростью в момент встречи с мишенью, определяемой по формуле:

где: – энергия металлической связи материала снаряда, эВ·атом^-1; А – атомная масса материала снаряда, атомные единицы массы; – коэффициент эффективности удара, удовлетворяющий неравенству 0,15 < 2. Реализация изобретения позволяет повысить эффективность взрыва твердого металла или металлического сплава снаряда и обеспечить высокое отрицательное ускорение снаряда при его встрече с мишенью. 3 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области производства энергии, в частности выделению энергии при взрыве металлических снарядов, которая выделяется из металла как энергия, эквивалентная энергии связи в металле вследствие искусственного нарушения этой связи. Величина выделившейся энергии не может превышать значения энергии связи согласно закону сохранения энергии.

Изобретение предназначено для получения энергии из твердого металла, имеющего в частности форму цилиндра, конуса или призмы, которые в силу своей геометрии могут быть снабжены устройством, резко изменяющим скорость движущегося металла.

Изобретение может быть использовано как импульсный источник энергии в устройствах ударного типа, где требуется увеличение эффективности взрыва за счет повышения, например, его фугасных свойств.

Известен способ выделения энергии связи из таких металлических материалов, как железо, а также изменения эффективности взрыва при ударе металлического тела о твердую преграду, который демонстрируется нам самой природой (Кринов Е.Л. Гигантские метеориты. – М.: Издательство АН СССР. – 1952. – 95 с). Более половины числа метеоритов, падающих на землю, имеет кристаллическую структуру с металлической связью. Они содержат 89,7% Fe, 9,1% Ni и 0,62% Со. Если скорость железного метеорита при встрече с землей 700 м·с^-1, то он сохраняется целым и на месте его удара образуется яма примерно таких же размеров, как размеры контура метеорита. Если скорость метеорита равна =2000÷4000 м·с^-1, то при встрече с Землей происходит взрыв металла и выделяется такое количество энергии, что на месте удара образуется огромный кратер. В кратере никогда не находят крупных метеоритных тел, т.к. при взрыве основная масса металла превращается в газ (Большая Советская Энциклопедия. В 51 томе / Гл. ред. Б.А.Введенский. – 2-е изд. -М.: БСЭ, 1954. -Т.27. -287-291 с; 1956 – Т.43. – 393-394 с). Кинетическая энергия каждого атома железа, составляющего метеорит, равняется перед взрывом

где А=56 а.е.м. – атомная масса железа; m_p=1,67·10^-27 кг – масса протона; е=1,6·10^-19 Кл – заряд электрона; N – число атомов в снаряде.

При ударе железного метеорита (снаряда) о землю (мишень) существуют два типа результатов взрыва. Если скорость относительно невелика, м·с^-1, то ни снаряд, ни мишень не взрываются; малая фугасность взрыва. Если скорость превысит некоторое значение, >2000 м·с^-1, то продукты взрыва и снаряда, и мишени превращаются в пыль, свидетельствуя о высокой фугасности или эффективности взрыва.

Однако при стрельбе свинцовой ружейной пулей по твердой 19-мм алюминиевой плите (вероятно, материалом плиты служил алюминиевый сплав, твердость которого не уступает стали) наблюдались явления, связанные с превращением материи и с выделением энергии в иной форме, чем тепловая. При ударе возникала световая вспышка между свинцовой пулей и мишенью, когда сама мишень не успела еще деформироваться, см. позиции в)-е) на фиг.3.9, взятом из книги:

500 м·с^-1. Кинетическая энергия каждого атома свинца, входившего в состав пули, равнялась

где А=207 а.е.м. – атомная масса свинца.

Современные боеприпасы используют обедненный уран для поражения прочных целей. Данной проблеме посвящены десятки тысяч информационных источников в Интернете.

930 м·с^-1, весьма внимательные и аккуратные немцы не заметили ни пирофорного, ни какого-либо еще явления, повышающего эффективность уранового снаряда по сравнению с вольфрамовым бронебойным.

1700 м·с^-1

Таким образом, боевой опыт показал, что при ударе уранового снаряда о стальную мишень существуют два типа результатов взрыва. Если начальная скорость снаряда меньше примерно =930 м·с^-1, то дополнительная энергия не выделяется при ударе и уран ведет себя, как обычный металл высокой плотности, например, как вольфрам. Если начальная скорость снаряда v=1700 м·с^-1 и выше, то уран разлагается в мелкодисперсный порошок, выделяя при этом такую энергию, которая сжигает запреградное пространство и повышает проникающую способность снаряда, позволяя пробивать броню нескольких танков, чего не в состоянии сделать вольфрамовый снаряд, обладающий теми же плотностью и начальной скоростью, что и урановый. Иными словами, повышение начальной скорости уранового снаряда сверх некоторого предела повышает эффективность его взаимодействия с броней.

Наиболее близким по технической сущности к прелагаемому изобретению является способ выделения энергии из металлических материалов при взрыве подкалиберного стального снаряда в результате его удара о твердую мишень и обладающего начальной скоростью =1390 м·с^-1=1240 м·с^-1 (см. Яворский В.В…). В этих опытах максимальная кинетическая энергия каждого атома железа, входившего в состав снаряда, равнялась

Минимальная кинетическая энергия равнялась _k=0,43 эВ·атом^-1.

Экспериментально показано, что как и в случае урановых снарядов, при ударе стального снаряда о стальную мишень существуют два типа результатов взрыва. Если начальная скорость снаряда меньше примерно 1200 м·с^-1, то дополнительная энергия не выделяется при ударе. Если начальная скорость снаряда >1200 м·с^-1, то в мишени выделится энергия, превышающая до нескольких раз кинетическую энергию снаряда перед ударом, что свидетельствует о повышении поражающей способности взрыва, т.е. о повышении его эффективности.

Недостатками известного способа получения энергии из металлических снарядов, вызванного их ударом о твердую преграду-мишень, являются:

– дальнейшее увеличение скорости известных снарядов, приводящее к желаемому эффекту, обусловлено изменением сложной конструкции артиллерийской установки, а не более простым изменением конструкции самого снаряда; вместе с тем металл снаряда можно заменить его сплавом, который начнет выделять энергию при меньшей скорости снаряда;

– при равенстве указанных скоростей больше энергии выделяется у более массивного снаряда; это ограничивает эффект выделения энергии связи при замене более тяжелых снарядов на малогабаритные или более легкие снаряды, будь они даже урановыми.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности взрыва, который происходит при соударении металлического снаряда с твердой преградой-мишенью.

В результате использования предлагаемого изобретения повышается эффективность взрыва твердого металла или металлического сплава, имеющего в частности форму цилиндра или призмы, который в силу своей геометрии может быть снабжен устройством, резко меняющим скорость движущегося металла, появляется возможность изменения начальной скорости снаряда, обеспечивается высокое отрицательное ускорение снаряда при его встрече с мишенью, предотвращается растекание металла или сплава снаряда при его ударе о твердую мишень.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе получения энергии из металлических материалов, путем взрыва металлического снаряда вследствие его удара о твердую мишень, бомбардируют твердую мишень снарядом из металла со скоростью v в момент встречи с мишенью, которую определяют из неравенства:

где: – энергия металлической связи материала снаряда, эВ-атом^-1;

А – атомная масса этого материала, атомные единицы массы;

– коэффициент эффективности удара, удовлетворяющий неравенству

20,15,

и устанавливают эту скорость v больше полученной величины, причем получают дополнительную энергию при бомбардировании снарядом мишени, если задают коэффициент эффективности удара равным =0,15, и получают максимальную эффективность удара снаряда о мишень в результате взрыва всего металла при коэффициенте эффективности удара, равном =2.

Для вычисления скорости определяют экспериментально коэффициент эффективности удара, который затем используется в данном неравенстве. Как показывает опыт, у железных или стальных снарядов этот коэффициент равен =0,19; у свинцовых –=0,25; у урановых –=0,86.

Для изменения начальной скорости v снаряда его изготавливают из сплава, состав которого наперед задают таким образом, чтобы энергия связи и средняя атомная масса А сплава обеспечивали необходимую начальную скорость снаряда в момент встречи с мишенью.

Чтобы обеспечить высокое отрицательное ускорение снаряда при его встрече с мишенью, а также для предотвращения растекания металла или сплава снаряда при этой встрече, снаряд размещают внутри металлического корпуса, прочность металла которого превосходит прочность металла снаряда.

В корпусе снаряда закладывают взрывчатое вещество для обеспечения снаряду дополнительного отрицательного ускорения при ударе о мишень.

В предлагаемом способе получения энергии из металлических материалов в результате удара металлического снаряда о твердую преграду-мишень были рассмотрены три металла, которые используют для изготовления снарядов. Свойства этих металлов, а они весьма различны, представлены в Таблице 1.

Таблица 1
Металл	Атомная масса А, а.е.м.	Энергия связи , эВ/атом	коэфф.	коэфф.	Минимальная скорость v, м/с
Железо	56	4,29	0,19	1/10,5	1200
Свинец	207	2,04	0,25	1/8	500
Уран	238	5,405	0,86	1/2,3	1400

Из приведенного выше описания, а также из Таблицы 1, видно, что эффективность удара металлического снаряда о твердую мишень приобретает новые качества в том случае, если коэффициент эффективности удара, равный отношению удвоенной кинетической энергии каждого атома летящего снаряда к энергии металлической связи материала снаряда, превосходит определенную величину. Эта величина имеет минимальное значение для стального или железного снаряда, которое составляет

где – энергия металлической связи материала снаряда, эВ·атом^-1, _k – кинетическая энергия каждого атома, см. выше.

В Таблицу 1 включены также значения коэффициента , величина которого связана с коэффициентом как

Для стального снаряда 0,095=1/10,5; для свинцового – 0,125=1/8; для уранового – 0,43=1/2,3. Физически отношение указывает на то, какую часть энергии от величины энергии связи данного металла следует сообщить каждому атому снаряда, например, в форме кинетической энергии его поступательного движения, чтобы кристаллическая масса снаряда начала превращаться в мелкодисперсионное состояние пыли или пара при ударе о твердую мишень и чтобы эффективность удара снаряда приобрела новые качества.

Если коэффициент 1/66 для алюминия; 1/171 для никеля;

Для получения новых, дополнительных форм энергии, снаряду задают минимальную начальную скорость (скорость встречи снаряда с мишенью), которая определяется уравнением

где =0,15 – минимальное значение коэффициента эффективности удара. Эта величина уменьшена на 20% по сравнению со значением _min=2, практически вся масса снаряда превращается в прожигающую пыль, фугасное действие снаряда становится максимальным, но способность остатков монолитной массы снаряда к бронепробитию стремится к нулю.

Таким образом, изменяя величину коэффициента эффективности удара в пределах

можно изменять эффективность и качество воздействия снаряда на мишень в диапазоне от бронебойного воздействия, которое определяется лишь кинетической энергией снаряда, через повышенное бронепробитие благодаря суммарному воздействию тепловой энергии продуктов распада металла снаряда и кинетической энергии монолитного остатка его металла, до полного фугасного воздействия, когда вся масса металла снаряда превращается в прожигающую пыль, расширяющуюся в своем объеме. В последнем случае появляется дополнительный эффект взаимодействия снаряда и мишени, а именно интенсивное световое и электромагнитное излучения продуктов распада металла снаряда.

Таким образом, эффективность воздействия снаряда на твердую мишень увеличивается благодаря тому, что либо часть массы снаряда, либо снаряд целиком превращаются в высокотемпературное мелкодисперсное состояние в результате удара.

(но, разумеется, меньше, чем ):

Удельная энергии связи, которая содержится в одном кг металла, равна

Для железа это составляет Р_Fe=7,66·10⁶ Дж·кг^-1; для свинца – Р_Pb=0,98·10⁶ Дж·кг^-1; для урана – Р_U=2,27·10⁶ Дж·кг^-1. В качестве сравнения можно указать, что энергия взрыва нитроглицерина Р6·10⁶ Дж/кг; тротила Р4·10⁶ Дж/кг. Как видно из данного сравнения, металл и обычные взрывчатые вещества обладают примерно одинаковой удельной энергией, способной произвести взрыв (Большая Советская Энциклопедия. В 51 томе / Гл. ред. Б.А.Введенский. – 2-е изд. – М.: Бол. Сов. Энциклопедия, 1951. – Т.7. -636-640 с.).

Условие, записанное в виде формулы (5), позволяет управлять моментом наступления перехода металла в пылевидную форму или моментом начала процессов, увеличивающих эффективность воздействия снаряда на мишень. Этот момент зависит от нескольких факторов. Допустим, например, что артиллерийская система позволяет получить скорость снаряда, равную =1000 м·с^-1. Допустим далее, что снаряд выполнен из стали, у которой энергия связи =4,29 эВ/атом, атомная масса А=56 а.е.м. Известно, что коэффициент эффективности удара для стали равен =0,19. Для того, чтобы ответить на вопрос, будет ли выделена дополнительная энергия, превышающая кинетическую энергию снаряда, в результате его удара о мишень, подставим значения , А и в неравенство (5) и определим скорость

Ответ: нет, дополнительная энергия выделяться в мишени не будет, так как необходимая для этого скорость ₁ поучилась больше, чем скорость снаряда, которую может обеспечить артиллерийская система, ₁>.

Для того, чтобы выделение энергии началось при ударе данного снаряда о мишень, необходимо заменить материал снаряда таким сплавом железа, для которого отношение к А было бы равно

Снаряду следует обеспечить скорость =₁1200 м·с^-1.

Скорость снаряда _min, найденная по формуле (8), является теоретическим пределом. На практике она будет больше, так как вероятность разрушения металла снаряда, доля его разрушенной массы от общей массы снаряда и т.д. зависят от многих причин, например от конструкции самого снаряда, от наличия крепкого корпуса снаряда, от параметров мишени и др.

Формула изобретения

1. Способ получения энергии из металлических материалов, включающий взрыв металлического снаряда при ударе о твердую мишень, отличающийся тем, что бомбардируют твердую мишень металлическим снарядом, скорость которого в момент встречи с мишенью определяют по формуле

где – энергия металлической связи материала снаряда, эВ·атом^-1;

А – атомная масса материала снаряда, атомные единицы массы;

– коэффициент эффективности удара, удовлетворяющий неравенству

0,15 < 2.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что снаряд выполняют из сплава, энергия металлической связи и средняя атомная масса А состава которого выбраны для обеспечения скорости .

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что снаряд размещают внутри металлического корпуса, прочность которого превосходит прочность металла снаряда.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в корпус снаряда закладывают взрывчатое вещество для обеспечения снаряду дополнительного отрицательного ускорения при ударе о мишень.

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 15.05.2006

Извещение опубликовано: 20.10.2007 БИ: 29/2007

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 27.11.2007

Извещение опубликовано: 27.11.2007 БИ: 33/2007

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 15.05.2008

Извещение опубликовано: 10.05.2010 БИ: 13/2010

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 20.09.2010

Извещение опубликовано: 20.09.2010 БИ: 26/2010