Взрыв и взрывчатые вещества

Порох в виде особенно тонких частиц применяется для тех видов огнестрельного оружия, в которых ствол не только короткий, но и тонкостенный и горение идет при низких давлениях,^[3] например в охотничьих ружьях и в минометах. Пластинки пороха для охотничьих ружей имеют толщину 0,1 миллиметра, для пушек же, имеющих длинный и толстостенный ствол, толщина лент доходит до 5 миллиметров.

Чтобы горение протекало закономерно и было устойчивым, порох должен удовлетворять еще одному требованию: он должен быть прочным. При выстреле давление за тысячные доли секунды может возрастать до 2000–3000 атмосфер. Частицы пороха должны выдерживать такой резкий подъем давления не разрушаясь.

Необходимая прочность пороха достигается применением для его изготовления нитроклетчатки (пироксилина). Нитроклетчатка соответствующей обработкой может быть превращена в пластическую массу, из которой можно легко получать частицы любой формы и любых размеров, обладающие большой прочностью. По своему внешнему виду и физическим свойствам такой порох напоминает, как уже указывалось, целлулоид (который, кстати сказать, сам содержит значительное количество нитроклетчатки).

Переход в конце прошлого столетия от дымного пороха к бездымному означал большой успех в развитии огнестрельного оружия.

Дымный порох имеет только два преимущества перед бездымным. Во-первых, скорость его горения сравнительно с бездымным порохом очень мало возрастает при повышении давления и температуры. Поэтому величина давления, развиваемого при горении в оружии, слабо по сравнению с бездымным порохом зависит от величины и температуры заряда и других условий. Во-вторых, дымный порох практически не изменяется при хранении (в сухих помещениях), сколько бы времени оно ни продолжалось.

Наряду с этим дымный порох имеет очень серьезные недостатки. Главные из них два. Во-первых, при горении дымного пороха газов образуется не более 300 литров на килограмм, в то время как бездымный порох дает 800 литров. Так как при выстреле именно нагретые газы приводят в движение снаряд, то эффективность дымного пороха значительно ниже, чем бездымного. Около 60 проц. от веса пороха получается твердых веществ, которые образуют густой белый дым и черный нагар в стволе. Дым сильно мешает стрельбе, особенно если выстрелы следуют быстро один за другим. Нагар загрязняет ствол и затвор, что затрудняет работу автоматического оружия.

Вторым важным недостатком дымного пороха является малая прочность его зерен. Это существенно по следующей причине. Мы видели, что толщина пороховых зерен делается различной для разных орудий. Для орудий с большой длиной ствола зерна делаются толще, для короткоствольных — тоньше с тем расчетом, чтобы порох горел на возможно большей части пути движения снаряда в стволе. В этом случае снаряд получает наибольшую скорость при наименьшем максимальном давлении. Если же взять, например, для пушки порох с малой толщиной зерен, то давление в начале движения снаряда в стволе получится очень большим, так что ствол может даже разорваться. Затем давление будет резко падать и скорость снаряд получит меньшую, чем при нормальном заряде.

В свое время пытались делать из дымного пороха зерна^[4] больших размеров — до 20 миллиметров толщиною, но без успеха. Из-за малой прочности пороха большие зерна, предназначенные для стрельбы из орудий крупных калибров, рассыпались в момент выстрела на мелкие зерна и получалось нежелательное резкое повышение давления.

В противоположность дымному пороху бездымный пироксилиновый порох обладает большой прочностью и частицы его сохраняют свою форму при горении в стволе оружия. Изменение давления во времени получается соответствующим ожидаемому, и скорость снаряда оказывается гораздо бóльшей.

В итоге переход на бездымный порох позволил существенно повысить скорость снаряда. Так, например, в 90- миллиметровой французской пушке, начальная скорость снаряда которой составляла 460 метров в секунду, вес за ряда дымного пороха был равен 1,9 килограмма и максимальное давление равнялось 2360 атмосфер. При переходе на бездымный порох для получения той же скорости снаряда достаточен был заряд 0,72 килограмма, причем максимальное давление снизилось до 1750 атмосфер. В некоторых случаях оказалось возможным путем перехода от дымного пороха к бездымному при том же максимальном давлении и меньшем заряде вдвое увеличить начальную скорость снаряда, иными словами — увеличить энергию, с которой он вылетает из ствола орудия, в четыре раза,

3. Устойчивость горения взрывчатых веществ

Мы видели, что основным отличием трех классов взрывчатых веществ друг от друга, отличием, на котором основано их техническое использование, является различная степень устойчивости их горения: наименьшая у инициирующих взрывчатых веществ, наибольшая у порохов; вторичные взрывчатые вещества занимают в этом отношении промежуточное положение.

Что же определяет устойчивость горения взрывчатых веществ и почему различаются в этом отношении взрывчатые вещества разных классов?

Вернемся к заряду из тротила и представим себе, что мы зажгли его с поверхности. При горении образуются газы; давление у горящей поверхности от этого возрастает подобно тому, как повышается давление в чайнике, когда в нем кипит вода и образуется пар, подбрасывающий крышку. За счет повышения давления над горящим взрывчатым веществом газы и расширяются, оттекают от поверхности тротила. Давление у поверхности, складывающееся из атмосферного давления и повышения давления за счет образования газов, определяет и скорость оттока образующихся газов, и скорость горения, то есть, иначе говоря, скорость образования газов.

Скорость оттока газов практически не зависит от того, какое взрывчатое вещество горит. Скорость же горения различных взрывчатых веществ, напротив, по-разному зависит от давления: у одних она нарастает сильнее, у других слабее.

Если скорость горения растет с давлением сильнее, чем скорость оттока газов, то давление будет возрастать и горение, ускоряясь, перейдет во взрыв.

Если, наоборот, скорость горения увеличивается при повышении давления медленнее, чем скорость оттока газов, то образующиеся газы будут успевать расширяться, давление перестанет повышаться, и горение пойдет устойчиво при постоянном давлении, лишь немного превышающем атмосферное.

Именно так это и происходит при горении тротила, а также всех других вторичных взрывчатых веществ. Скорость их горения мала и слабо зависит от давления; поэтому горение их является устойчивым.

Инициирующие же взрывчатые вещества имеют большую скорость горения, и она так быстро растет с давлением, что горение ускоряется и переходит во взрыв.

Однако и горение вторичных взрывчатых веществ, как мы видели на примере пироксилина и нитроглицерина, может переходить во взрыв. Это возможно в тех случаях, если взрывчатое вещество рыхлое, пористое или жидкое. При горении пористого взрывчатого вещества нагрев его от слоя к слою может происходить не только медленным путем теплопроводности, но и иначе: под влиянием некоторого повышения давления, возникающего у горящей поверхности, газы горения проникают по порам вглубь взрывчатого вещества и поджигают его там (рис. 12). В результате этого скорость горения возрастает и может стать такой большой, что образующиеся при горении газы не будут успевать оттекать; давление будет расти, и горение перейдет во взрыв. Сходным, но более сложным путем происходит ускорение горения и переход во взрыв и жидких взрывчатых веществ.

Рис. 12. Горение сплошного и пористого взрывчатого вещества.

Вот почему, когда надо получить большую устойчивость горения, необходимую при применении взрывчатого вещества для метательных целей, то у твердого взрывчатого вещества устраняют его пористость. В этом и заключается сущность процесса изготовления пироксилинового пороха из пироксилина.