Текст книги "Взрыв и взрывчатые вещества"

Автор книги: Константин Андреев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 8 страниц)

Константин Константинович Андреев

профессор, доктор технических наук

Взрыв и взрывчатые вещества

Введение

В своей жизни и трудовой деятельности человек всегда применял силу, затрачивал свою энергию для разных целей: для передвижения, для переноски тяжестей, при охоте, при обработке земли и т. д. Однако сила человека невелика. Если ее оценивать, как это принято в энергетике, мощностью, то есть работой, совершаемой в одну секунду, то для среднего человека это составит всего около 15 килограммометров, то есть в 200 раз меньше, чем для полуторатонного грузовика.

Стремясь увеличить свои силы, человек приручил животных и этим получил возможность в несколько раз быстрее передвигаться, перевозить бóльшие тяжести, облегчить тяжелый труд по обработке полей. Большой шаг в расширении использования энергии человеком был сделан, когда люди научились применять энергию движущейся воды (водяное колесо) и ветра (ветродвигатель).

Новую эпоху в развитии производительных сил человеческого общества составило открытие способов превращения теплоты горения в механическую работу. Паровая машина, изобретенная в России И. И. Ползуновым за 20 лет до англичанина Уатта, позволила получать механическую энергию за счет огромных запасов скрытой химической энергии различных видов топлива, выделяющейся в виде тепла при его горении. То, что дерево и некоторые другие вещества могут гореть с большим выделением тепла, было известно человечеству с незапамятных времен. В течение многих тысячелетий огонь служил только как источник тепла в быту и в промышленности, однако народная мудрость уже давно пророчески оценила значение его открытия. В древнем сказании повествуется о Прометее, титане, похитившем у богов огонь, которым лишь они одни до того владели. Прометей передал огонь людям и жестоко за это был наказан богами. В этом мифе наши далекие предки намного вперед предугадывали то огромное увеличение мощи человечества, ключ к которому лежал в открытии огня. Кстати, огонь, вероятно, и на самом деле первоначально сошел к человеку с неба в виде молнии, воспламенившей сухое дерево.

С изобретением паровой машины стало возможно получать энергию в нужном количестве и в любом месте, где это требовалось, а не только на реках или где дуют ветры, сила которых к тому же непостоянна. Паровая машина стала матерью промышленных городов. Ее вскоре начали использовать также для передвижения – на пароходе и на паровозе.

После паровой машины двигатель внутреннего сгорания, динамомашина и электромотор, газовая турбина, входящая в наше время в технику, были новыми этапами в овладении энергией огня, которые позволили более полно и гибко использовать ее в промышленности и в быту.

До сих пор, говоря об энергии, мы оценивали ее только с одной – количественной – стороны. Этого недостаточно. Лошадь, работая год, совершит работу большую, чем дает мотор самолета за час, но двигаться со скоростью самолета лошадь никогда не сможет даже в течение одной секунды. Мощность лошади, работа, которую она может совершить в одну секунду, для этого недостаточна.

Точно так же самый сильный человек не сможет бросить кирпич на высоту четырехэтажного дома, хотя поднимет и унесет туда десяток кирпичей.

Таким образом, если нам нужно совершить какую-либо работу очень быстро, например, сообщить при выстреле большую скорость снаряду или пуле, требуется чрезвычайно большая мощность. Точно так же очень большая мощность требуется для того, чтобы отколоть от массива кусок прочной руды или пробить стальную броню. В принципе такое воздействие можно было бы получить при помощи двигателя обычного типа – паровой машины или двигателя внутреннего сгорания. Однако для получения такой большой мощности нужен был бы двигатель огромных размеров, громоздкий и дорогой. Его применение в большинстве случаев было бы нецелесообразным и неэкономичным, а в некоторых условиях и просто невозможным. Если, например, еще можно себе представить применение такой машины для добычи полезных ископаемых, то никак этого нельзя сделать, если нужно поразить вражеский танк или разрушить военный объект на территории противника.

Все эти задачи, требующие чрезвычайно большой мощности, современная техника решает при помощи особого рода источников энергии – взрывчатых веществ, применяя их как для разрушения, так и в тех случаях, когда нужно метание с большими скоростями. Огнестрельное оружие и является по существу своеобразным двигателем внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива используется один из видов взрывчатых веществ – пороха.

Таким образом, взрыв взрывчатых веществ является одной из форм использования энергии, выделяющейся при химической реакции; главную особенность взрыва представляет возможность получения огромных мощностей.

Открытие взрыва и его применения, сначала в военной технике, а затем и в горном деле, было сделано задолго до использования других источников работы – не только двигателя внутреннего сгорания и электромотора, но даже и паровой машины. Точное время этого открытия не удалось до сих пор установить. Первым взрывчатым веществом, известным человеку, был черный, или дымный, порох, но и он, по-видимому, имел длинную историю. Его предшественниками в Европе следует считать различные зажигательные составы, о применении которых при осаде городов в древней Греции имеются сведения, относящиеся еще к пятому столетию до нашей эры. Эти составы, однако, существенно отличались от пороха тем, что содержали только различные горючие, но не селитру и могли гореть лишь при доступе воздуха; поэтому их легко было тушить, прекратив тем или иным способом доступ к ним воздуха.

Значительно позже, в седьмом веке нашей эры, зажигательные средства были усовершенствованы византийским греком Каллинникосом, который ввел в состав изобретенного им «греческого огня», помимо серы, соли, смолы и асфальта, также негашеную известь; благодаря этому «греческий огонь» при соприкосновении с водой разогревался и даже воспламенялся. Такие зажигательные составы с большим успехом применялись в морских боях в оборонительных войнах, которые вела Византия против нашествия арабов. Особенно велико было моральное действие их применения на врага, так как эти составы вода не только не тушила, но, наоборот, они воспламенялись от воды.

Состав «греческого огня» считался в Византии важнейшей военно-государственной тайной и долгое время оставался неизвестным в других странах.

Однако, в конце концов его узнали соседи Византии, и он с успехом использовался в войнах против нее.

От «греческого огня» и других зажигательных составов к дымному пороху был только один шаг, но шаг очень существенный: нужно было ввести кислород в состав «греческого огня» для того, чтобы он мог гореть независимо от доступа воздуха. О существовании кислорода в те времена еще не знали, но было известно одно вещество – селитра, по виду похожая на соль, но в отличие от нее резко усиливающая горение любого горючего вещества.

Попытками усилить горение при помощи различных солей занимались главным образом арабы и китайцы. Очень охотно применяли поваренную соль потому, что она придает пламени ярко-желтую окраску; тогда считали, что более яркое пламя является и более горячим.

Кто и когда впервые применил селитру, которая усиливала горение в гораздо большей степени, чем все другие соли, неизвестно, – вероятно, это было в Китае, где селитра встречается чаще и в более чистом виде, чем в Европе. «Китайской солью» или «китайским снегом» называют селитру арабские писатели. Первоначально ее, вероятно, применяли в медицине при лечении ран и язв. Может быть, при этом медицинском применении и была впервые открыта способность селитры усиливать горение – например, при сжигании пропитанного селитрой использованного перевязочного материала.

Применение селитры в Китае долгое время служило мирным целям – она использовалась в фейерверочном деле, в котором китайцы были непревзойденными мастерами. Неизвестно, когда китайцы впервые применили зажигательные составы с селитрой для боевых целей, но есть основания предполагать, что это произошло в тринадцатом столетии. В описании осады монголами в 1232 г. города Кай-Фун-Фу, столицы династии Цзинь, говорится о «небопотрясающем громе», который получался защитниками города при помощи аппарата «Хо-Пао». Этот аппарат представлял собой железный сосуд, наполненный веществом «йо», которое содержало, вероятно, как и в древней Греции, горючие вещества и селитру в тщательно перемешанном виде. После закрывания сосуда и нагревания его на огне он разрывался со страшным грохотом, который, как указывается в описании, был слышен будто бы более чем на 100 ли, то есть на расстояние 55 километров.

Если верить этому описанию, включающему и некоторые подробности о применении «Хо-Пао» при отражении осады города и его боевом эффекте, то следует заключить, что это была первая бомба в мире.

Приблизительно к тому же времени относится усовершенствование зажигательной стрелы и изобретение ракеты. Старые зажигательные стрелы, снабженные горючими веществами, требующими доступа воздуха, были малоэффективны – они затухали при быстром полете, их легко было потушить. Этими недостатками не страдали стрелы с составами, содержащими селитру. Если же трубку стрелы, содержащую такой состав, оставить открытой с одной – задней стороны, так, чтобы газы при поджигании выходили только назад, то такую стрелу и не нужно метать. Она сама полетит, движимая газами, вытекающими назад при горении. Это и есть ракета.

Таким образом, колыбелью взрывчатых веществ был Китай. Как и когда они попали в Европу, остается тайной. Арабы знали селитренные зажигательные составы в середине XIII столетия. Заимствовали ли они эти составы из Китая или изобрели их независимо – неизвестно.

Может быть, взрывчатые вещества были перенесены из Китая в Европу при нашествии монголов. Предание говорит о том, что в битве при Лигнице в 1241 г., в которой монголы разбили немецких рыцарей, они уже применяли порох. Может быть, знание селитренных составов, этих ближайших предшественников дымного пороха, пришло в Западную Европу от арабов, с которыми в XIII столетии испанцы вели войны на Пиренейском полуострове. Как бы то ни было, оно получило в Европе дальнейшее развитие. Возникла и была осуществлена мысль применять селитренные составы для метания снарядов из пушки – закрытой с одного конца трубы, в которой сгорает пороховой заряд.

Эту идею предание приписывает францисканскому монаху алхимику Бертольду Шварцу, которого, если он существовал в действительности, следует считать, таким образом, изобретателем не пороха, а пушки.

Отсутствие более надежных и полных сведений об этом изобретении и его авторе не удивительно: занятия алхимией, черной магией, волшебством тогда почти не различались и считались богопротивным делом, которое легко могло привести на костер. Недаром на одной гравюре XVI века, изображающей Бертольда Шварца за работой над изготовлением пороха и пушки, он показан в сопровождении дьявола, помогающего ему в этом деле.

Наиболее старое дошедшее до нас описание пушки относится к 1376 г. и составлено в Фрейбурге, первый рецепт изготовления пороха датирован 1330 г.

В России дымный порох для артиллерийских целей стал применяться с 1382 г., когда при отражении нападения на Москву татар, предводительствуемых Тохтамышем, с кремлевских стен загремели первые выстрелы из огнестрельных орудий. Большое развитие пороходелие получило при Петре Первом, который уделял ему много внимания. Сохранились собственноручные записи Петра о составе и способах изготовления пороха. В дальнейшем много сделал для совершенствования пороходелия своими научными исследованиями великий русский ученый М. В. Ломоносов.

Изобретение пороха было встречено в Западной Европе с нескрываемой враждебностью со стороны господствовавшего тогда класса феодалов. Рыцарство долгое время считало ниже своего достоинства пользоваться порохом.

В одной из хроник того времени мы читаем о пороходелии:

«…и это искусство в Германии и во Франции стали держать втайне… стыдясь его как нечестного и прибегая к нему лишь в самом крайнем случае, так как считали его искусством бесчеловечным, нарушающим старый человеческий обычай ведения войны».

Идеологи отмирающего класса не скупились на проклятия в адрес пороха.

«…Кажется особым произволением божиим, – пишет неизвестный автор в одном памфлете того времени, – что в новейшее время было изобретено, и к тому же христианином, такое губительное средство для того, чтобы смертные, охваченные взаимным страхом и не надеясь на свои силы, больше сохраняли мир и единство и боялись войн, страшась неведомых и несущих смерть выстрелов… Будучи далеко от мысли, что храбрость мужей в наше время упала, нужно все же признать, что лишь безумно храбрые, действительно отчаянные могут бороться среди этих огненных ядер… Для смертных было бы хорошо, если бы изобретатель сгорел при первом же опыте. Однако он пошел к королям и тиранам и выдал им тайну своего преступного творения… Худшее, опаснейшее и достойнейшее проклятия из всех искусств было таким образом изобретено на гибель многим смертным».

Таким образом, религия и на этот раз становилась на пути развития науки и техники. Однако, как это всегда бывало, попытки затормозить технический прогресс не имели успеха. К концу XIV столетия дымный порох получил уже повсеместное распространение в Европе в качестве метательного средства для огнестрельного оружия. Появление же последнего произвело переворот в способах ведения войн.

«Распространение огнестрельного оружия повлияло революционизирующим образом не только на самое ведение войны, но и на политические отношения господства и угнетения. Чтобы добыть порох и огнестрельное оружие, нужны были промышленность и деньги, а тем и другим владели горожане. Огнестрельное оружие было поэтому с самого начала оружием городов и возвышающейся монархии, которая в своей борьбе против феодального дворянства опиралась на города. Неприступные до тех пор каменные стены рыцарских замков не устояли перед пушками горожан; пули бюргерских ружей пробили рыцарские панцири. Вместе с закованной в броню дворянской кавалерией рухнуло также господство дворянства…»^[1]

Дымный порох не случайно оказался первым взрывчатым веществом, получившим техническое применение. Горение или взрыв дымного пороха в отличие от большинства современных взрывчатых веществ легко вызвать простым поджиганием. При этом горение его никогда не принимает форму столь сильного взрыва, как это бывает у многих взрывчатых веществ. Поэтому различные отклонения от правильного применения дымного пороха гораздо реже приводили к разрыву ствола оружия, чем, например, при использовании бездымного пороха. Именно поэтому дымный порох так распространен до сих пор среди охотников. Наконец, исходные материалы для изготовления дымного пороха, особенно древесный уголь, а также сера и селитра, были доступны. Сера встречается в Европе в виде месторождений главным образом в Италии на о. Сицилия. Сложнее обстояло дело с селитрой. Она образуется в природе из экскрементов животных и птиц и гниющих отбросов при окислении их на воздухе. В Европе больших естественных месторождений селитры нет. Поэтому в средние века главным поставщиком селитры сначала была Индия; закупку и перепродажу ее держали в своих руках венецианские купцы. Такое положение затрудняло производство пороха. Поэтому в Европе было поставлено изготовление селитры в ямах, наполнявшихся способными к гниению органическими азотистыми веществами – навозной жижей, кровью и другими животными остатками. На поверхности ямы, где больше доступ кислорода, образовывались корки селитры, подвергавшейся тщательной очистке. Селитра, полученная по этому способу, обходилась почти в три раза дешевле, чем ввозимая из Индии.

Следует добавить, что и изготовление пороха, хотя и требует много времени, в принципе просто. Оно заключается в очень тщательном измельчении и смешении трех составных частей пороха и в последующем уплотнении и зернении получившейся смеси.

Все это и обеспечило монопольное положение дымного пороха на протяжении пяти веков после введения его в военное дело.

Не нужно думать, что дымный порох был единственным взрывчатым веществом, открытым за это время. По отдельным источникам можно заключить, что алхимию в своих опытах наталкивались на многие другие взрывчатые соединения. Однако ни техника применения, ни техника производства, не были достаточно созревшими для практического использования этих взрывчатых веществ. Они были забыты, а некоторые вновь открыты лишь столетия спустя или ждут еще своего открытия. Так было например, с гремучей ртутью, полученной Лёвенштерном еще в XVII веке и вновь открытой Говардом в 1799 году.

В первые столетия своего существования дымный порох применялся только для военных целей. В начале XVII века порох получил новое, еще более важное применение – для взрывных работ в шахтах при добыче руды. Начало этому было положено тирольским горняком Вейндлем в 1627 г. Через два года дымный порох уже применялся для этой цели в Чехии, а в дальнейшем получил распространение и в других странах.

В настоящее время промышленное применение взрывчатых веществ очень велико. Больше всего их потребляет горная промышленность, где взрывчатые вещества используются для взрывных работ при разработке полезных ископаемых. На каждую тонну добытого каменного угля, например, расходуется более 100 граммов взрывчатых веществ. Если учесть огромные масштабы добычи угля, то можно подсчитать, что одна только угольная промышленность во всем мире ежегодно потребляет свыше ста тысяч тонн взрывчатых веществ.

Кроме каменного угля, народному хозяйству требуются руды разных металлов, строительный камень, различные минералы, служащие сырьем для химической и других отраслей промышленности. Все это добывается с помощью взрывчатых веществ.

Взрывчатые вещества применяются также в сельском хозяйстве: с их помощью корчуют пни, осушают болота, расширяя посевные площади.

Взрывной способ широко используется в промышленном и жилищном строительстве, при прокладке дорог, в нефтяной, металлургической и машиностроительной промышленности.

Роль взрывчатых веществ в горном деле и других отраслях промышленности и народного хозяйства в целом так велика, что трудно представить себе, как без них был бы достигнут современный уровень материальной культуры.

Невиданно короткие сроки, в которые были сооружены за годы первых пятилеток мощные гидроэлектростанции, судоходные и оросительные каналы, небывалые в истории темпы возведения грандиозных гидротехнических сооружений связаны в значительной мере с использованием взрывчатых веществ.

Чем же определяется значение взрывчатых веществ в современной технике?

Главной особенностью взрывчатых веществ является то, что они содержат в своем составе и горючее и кислород. Поэтому они могут сгорать, не требуя притока воздуха, крайне быстро, развивая при этом огромные давления, достигающие сотен тысяч атмосфер. Такие огромные давления, да к тому же внезапно возникающие, действуют на все, что находится вокруг, как удар огромной силы, которого не выдерживает любой самый прочный материал. На действии этого удара и основано применение взрывчатых веществ для дробления, откола и разрыва во взрывных работах в горном деле и в других отраслях промышленности, а также в боеприпасах различного рода – артиллерийских снарядах, авиабомбах, минах различного назначения, торпедах, подрывных средствах и т. д.

Наряду с этим взрывчатые вещества особого класса, так называемые метательные взрывчатые вещества или пороха, применяются в виде зарядов к огнестрельному оружию. В этих условиях метательные взрывчатые вещества не взрываются, но относительно медленно горят, развивая давления, гораздо меньшие, чем при взрыве, не превышающие нескольких тысяч атмосфер. Это горение идет, как и взрыв, без участия кислорода воздуха, и быстроту его можно надежно и точно регулировать, изменяя размеры и форму частиц пороха. Благодаря этому пороха по настоящее время являются основным видом топлива, применяемым для целей метания.

Условия, в которых используется энергия взрывчатых веществ, а следовательно, и требования, которым они должны удовлетворять, чрезвычайно разнообразны. В горном деле взрывчатые вещества применяются для образования выемок взрывом на выброс в мягких, например, песчаных грунтах, для откола горных пород малой крепости. Иногда при этом требуется, чтобы полученные куски не имели трещин – в этих случаях сильное дробящее действие не только излишне, но даже вредно. Наряду с этим взрыв применяется для дробления очень твердых горных пород, например, при добыче золота; в таких случаях требуются взрывчатые вещества с сильным дробящим действием.

В военном деле для снаряжения тех снарядов, которые сделаны из относительно хрупкого сталистого чугуна, применяются взрывчатые вещества с слабым дробящим действием. В этом случае корпус снаряда дробится на осколки таких размеров, которые дают наибольшее убойное действие. При применении сильно дробящих взрывчатых веществ значительная часть металла корпуса была бы раздроблена в пыль и убойное действие снаряда резко уменьшилось бы. С другой стороны, в боеприпасах, предназначенных для пробивания брони за счет действия взрыва разрывного заряда, требуется применение взрывчатых веществ, дающих максимальный дробящий эффект.

Разнообразны требования не только к взрывному действию, но и к другим свойствам взрывчатых веществ. Так, например, взрывчатые вещества для артиллерийских снарядов, особенно же для бронебойных, должны выдерживать, не взрываясь, толчок значительной силы. В противном случае возможен был бы преждевременный взрыв снаряда в стволе орудия при выстреле или при ударе о броню. Помимо этого, для широкого применения того или иного взрывчатого вещества необходимо, чтобы имелись большие количества исходных, сравнительно недорогих материалов для его изготовления, чтобы способ изготовления взрывчатого вещества был достаточно прост и производителен и т. д.

Все это делает задачу науки и промышленности по обеспечению горного дела и военной техники взрывчатыми веществами весьма сложной и многосторонней.

В настоящей брошюре рассматривается сущность горения и взрыва, на которых основывается действие взрывчатых веществ, состав современных взрывчатых веществ, их свойства и применение в различных условиях и получение взрыва за счет атомной энергии.