Текст книги "Взрыв и взрывчатые вещества"

Автор книги: Константин Андреев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 8 страниц)

Рис. 7. Схема устройства электродетонатора.

Такой капсюль-детонатор с вмонтированным в его гильзу электровоспламенителем называется электродетонатором.

Другой способ безопасного поджигания капсюля-детонатора основан на применении огнепроводного (бикфордова) шнура. Этот шнур представляет собой прочную нитяную оболочку, внутри которой находится дымный порох. Оболочка пропитывается влагоизоляционным материалом. При зажигании шнур (точнее – его пороховая сердцевина) горит со скоростью 1 сантиметра в секунду.

Взрывник прочно вставляет отрезок шнура нужной длины в капсюль-детонатор и после того, как подготовка взрыва полностью закончена, поджигает другой его конец. Шнур горит столько секунд, сколько сантиметров было в отрезке. За это время человек удаляется на безопасное расстояние. Когда шнур догорает до конца, вставленного в капсюль-детонатор, воспламеняется и взрывается инициирующее взрывчатое вещество, вызывая взрыв вторичного взрывчатого вещества.

Итак, вторичные взрывчатые вещества применяются для получения разрушительного действия взрыва; инициирующие взрывчатые вещества служат для возбуждения взрыва вторичных взрывчатых веществ. Кроме этого, взрывчатые вещества применяются, как указывалось выше, еще и в качестве метательного средства. Для этих целей используются взрывчатые вещества третьего класса – метательные взрывчатые вещества, или порохá.

Многие из нас увлекаются охотой. Вот охотник, затаив дыхание, высматривает поющего свою весеннюю песню токующего глухаря, смутно заметного сквозь ветви сосны на бледном фоне предрассветного неба. Наведя едва еще видимую мушку на темное пятно, охотник нажимает спуск, раздается выстрел, и огромная птица, ломая сучья, с шумом падает на землю.

Как происходит выстрел? В гильзе находится пороховой заряд, закрытый войлочным пыжом, выше – снаряд (дробь или пуля). В головку гильзы вставлен капсюль-воспламенитель. При спуске курка по капсюлю ударяет боек; состав, находящийся в капсюле-воспламенителе, загорается и поджигает порох. Так как образующимся пороховым газам уходить некуда, то давление их быстро растет. С ростом давления увеличивается и скорость горения (величина скорости горения бездымного пороха приблизительно пропорциональна давлению). Когда давление достигает определенной величины, снаряд начинает двигаться по стволу со все возрастающей скоростью, вылетает из него и летит по направлению к цели. Чем больше скорость, с которой вылетает из ствола снаряд, тем больше дальность его полета. Сходным образом происходит выстрел из пушки, миномета, боевой винтовки и других видов ствольного огнестрельного оружия военного назначения.

Описанный способ метания снаряда не является единственным. Наряду со ствольным огнестрельным оружием во время Великой Отечественной войны Советской Армией с большим успехом была применена реактивная артиллерия («Катюша» и другие конструкции). Под влиянием этого успеха реактивные системы были затем введены на вооружение в других армиях.

Научные основы реактивного движения были разработаны знаменитым русским ученым К. Э. Циолковским.

Принцип действия реактивной артиллерии в известной мере противоположен принципу действия ствольной артиллерии. Реактивный снаряд (рис. 8) имеет камеру, представляющую собой как бы небольшой тонкостенный ствол, снабженный узким отверстием – соплом, направленным назад. При сгорании порохового заряда образующиеся газы с очень большой скоростью вытекают назад. При этом получается, как и при выстреле из ствольного орудия, сильная отдача. В ствольном орудии отдача движет орудие назад и является обычно нежелательным явлением. В реактивном же оружии назад летят газы из сопла, а отдача заставляет двигаться снаряд вперед. Так как скорость движения газов очень велика и время истечения также значительно, то дальность полета получается большой. Снаряд имеет боевую головку, в которой помещен заряд взрывчатого вещества, взрывающийся при достижении цели.

Рис. 8. Схема устройства реактивного снаряда.

На основе реактивного принципа во время второй мировой войны в Германии были сконструированы и применялись сверхдальнобойные снаряды. Одним из наиболее эффективных была ракета Фау-2. Общий вес этой ракеты составлял 13,5 тонны, длина 14,5 метра, диаметр корпуса около двух метров. Заряд взрывчатого вещества в боевой головке составлял 900 килограммов для стрельбы на дальние расстояния; для стрельбы же на малые дистанции, за счет уменьшения количества горючего этот заряд увеличивали до 4500 килограммов.

В качестве горючего, приводящего снаряд в движение, в этой ракете использовался не порох, а жидкое топливо (спирт и жидкий кислород), которое дает больше энергии; общее количество топлива около 8 тонн. При выстреле ракета сначала поднимается вертикально вверх, затем под действием автоматического управления начинает двигаться наклонно, достигая максимальной высоты свыше 100 километров, и после этого переходит на горизонтальный полет. Благодаря этому ракета большую часть пути летит в сильно разреженном пространстве, где сопротивление воздуха полету очень мало. Приближаясь к месту назначения, ракета резко опускается вниз и падает на цель. Максимальная дальность полета – около 400 километров.

Большим преимуществом реактивной артиллерии является легкость и обусловленная ею подвижность. Не требуется ни длинного тяжелого ствола, ни лафета. Имеется только одно направляющее устройство того или иного типа (рис. 9). При этом направляющее устройство может быть легким, так как отдача целиком используется для метания снаряда.

Рис. 9. Советская реактивная установка.

Благодаря отсутствию отдачи стало возможным применение и ручного реактивного оружия довольно крупного калибра, например, для борьбы с танками. Ствольные орудия такого калибра были бы непомерно тяжелы и давали бы слишком большую отдачу.

Чем же отличаются пороха от инициирующих и вторичных взрывчатых веществ?

Горение пороха при выстреле должно быть безусловно устойчивым, то есть никогда не должно переходить во взрыв. Если произойдет взрыв, то давление настолько увеличится, что ствол будет разорван.

Отсюда ясно, что инициирующие взрывчатые вещества не могут быть использованы как метательные: их горение неизбежно перешло бы во взрыв.

Однако и вторичные взрывчатые вещества в обычном их виде также нельзя применять как пороха. Горение этих взрывчатых веществ устойчиво не при всех условия в частности, если горение идет при быстро возрастающем давлении, как это происходит при выстреле на начальной его стадии, то оно может перейти во взрыв. Большую роль при этом играют физическая структура и свойства взрывчатого вещества. Так, если применить вместо пороха пироксилин, имеющий структуру измельченной ваты, то горение его тотчас переходит во взрыв. Но если тот же пироксилин растворить в соответствующем растворителе, то после испарения последнего мы получим пироксилиновый бездымный порох – массу, напоминающую целлулоид. Этот порох устойчиво горит при любых условиях.

Нитроглицерин – взрывчатое вещество, имеющее вид вязкой маслообразной жидкости, – также легко дает взрыв при горении в условиях выстрела, то есть при возрастающем давлении. В сочетании же с пироксилином он образует нитроглицериновый бездымный порох, напоминающий по своим физическим свойствам рог; в отличие от нитроглицерина горение пороха во взрыв уже не переходит.

От порохов требуется, чтобы они в условиях выстрела не только горели без перехода во взрыв, но и давали возможность надежно и точно регулировать быстроту сгорания порохового заряда во время выстрела.

Зачем это нужно?

А вот зачем. Скорость, с которой снаряд вылетает из ствола, зависит от количества энергии, сообщаемой пороховыми газами снаряду.

Эта энергия в свою очередь зависит от длины ствола и силы давления пороховых газов в нем, которая заставляет снаряд двигаться.

Наибольшее допустимое давление газов определяется прочностью ствола. Изобразим на графике ствол пушки и изменение давления в нем при движении снаряда. Если бы был такой порох, при котором давление во все время движения снаряда в стволе не менялось (рис. 10 а), то энергия, сообщенная снаряду, была бы равна, как известно из физики, произведению силы на путь, то есть на длину ствола. Это произведение, как видно из графика, равно площади заштрихованного прямоугольника.

Если при горении пороха давление в стволе не остается постоянным, а изменяется, например, так, как показано на рисунке 10 б или 10 в, то энергия снаряда при вылете его из ствола опять-таки изображается заштрихованными площадями на этих рисунках.

Рис. 10 а, б, в. Изменение давления в стволе пушки при выстреле.

Мы видим, что наибольшая площадь, то есть энергия снаряда, получается, если давление при выстреле постоянно, наименьшая – в третьем случае, когда давление быстро падает. Поэтому порох, дающий такую кривую, применять было бы невыгодно – дальность стрельбы сократилась бы.

По этой причине стремятся применять такие пороховые заряды, при горении которых давление падало бы возможно медленнее, кривая была бы наиболее пологой.

Почему же изменение давления в стволе при выстреле зависит от порохового заряда и как на него можно влиять?

Во время выстрела снаряд в стволе движется все быстрее и быстрее, и объем той части канала ствола, в которой находятся пороховые газы, становится все больше. Понятно, что если бы количество газов, образующихся при горении порохового заряда, было постоянным, то давление стало бы быстро падать. Для того чтобы давление не падало или, по крайней мере, падало возможно медленнее, нужно чтобы газов при горении порохового заряда образовывалось в каждый последующий момент больше, чем в предыдущий.

Как это достигается?

Горение современных порохов происходит только на поверхности их частиц, быстро охватываемой пламенем при воспламенении. Но частицам пороха можно придать такую форму, чтобы поверхность их при горении возрастала, например форму многоканальных трубок. Каждая такая трубка горит и по своей наружной поверхности к по внутренней поверхности каналов. Из рисунка 11 а видно, что при этом общая величина горящей поверхности будет возрастать и количество газов соответственно будет все время увеличиваться.

Иногда целесообразно придавать пороху такую форму, чтобы величина поверхности горения оставалась постоянной. Для этого порох изготовляют в виде длинных одноканальных трубок или тонких лент. Если проследить за последовательным состоянием такой трубки или ленты при горении со всех сторон, то можно убедиться (рис. 11 б), что в ходе горения величина поверхности будет оставаться почти постоянной.

Рис. 11. Одноканальный и многоканальный трубчатый порох.

Наименее благоприятной формой пороховых частиц является кубик или шарик, так как в этом случае поверхность при горении будет уменьшаться быстрее, чем при частицах, имеющих форму трубок, лент или пластинок.

Помимо формы частиц пороха, важное значение имеет их толщина, например толщина ленты, пластинки, стенки трубки и т. п. Эта толщина имеет определенную величину для пороха, предназначенного для того или иного вида оружия, и подбирается на основе следующих соображений. Положим, что имеются винтовка и пистолет с одинаковой толщиной ствола, рассчитанной на определенное давление, и что ствол пистолета в 7 раз короче, чем ствол винтовки. Соответственно меньше и время движения пули в стволе пистолета. Поэтому толщина пороховых частиц для пистолета должна быть гораздо меньше, чем для винтовки, иначе порох в нем при выстреле не успеет сгореть.

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.

Если же взрывчатое вещество жидкое, как, например, нитроглицерин, то его надо лишить подвижности, текучести, свойственной жидкости. Этого достигают, растворяя в нитроглицерине нитроклетчатку. Такой раствор при правильно выбранном составе имеет рогообразную структуру. В нем отсутствуют и поры, имеющиеся в нитроклетчатке, и текучесть, характерная для жидкости; его горение не переходит поэтому во взрыв.

Таким образом, отличие порохов от вторичных взрывчатых веществ состоит в том, что в порохах отсутствуют поры и они не являются жидкими; это обеспечивает максимальную устойчивость их горения.

Напротив, если нужно облегчить, ускорить переход горения во взрыв, то взрывчатому веществу придают пористое строение. Так, если гремучую ртуть спрессовать до полного отсутствия пор, то она не дает перехода горения во взрыв даже при больших трехграммовых зарядах. Если же гремучую ртуть спрессовать слабо, как это и делается при производстве капсюлей-детонаторов, то она дает взрыв легко – уже при горении небольшого, полуграммового заряда.