sci_tech Константин Константинович Андреев Взрыв и взрывчатые вещества

В брошюре рассматривается сущность горения и взрыва, состав взрывчатых веществ, их свойства и применения в различных условиях, промышленных и военных.

ru
Tekel FictionBook Editor Release 2.6 14 January 2011 http://www.infanata.com/2007/11/26/vzryv-i-vzryvchatye-veshhestva.html B37071E1-3CF4-4D41-B570-6487725D4C2D 1.0

1.0 — создание файла — Tekel.

Взрыв и взрывчатые вещества Военное Издательство Министерства Обороны Союза ССР Москва 1956 Редактор профессор, доктор технических наук Снитко К. К Редактор издательства полковник Ляликов Б. С. Художественный редактор Голикова А. М. Обложка художника Митрофанова С. А. Технический редактор Левинская Н. З. Корректор Наконечная Л. И. Сдано в набор 6.07.55 г. Подписано к печати 6.12.55 г. Формат бумаги 84 х 1081/32 — 33/4 печ. л. = 6,15 усл. печ. л. 5,997 уч. — тзд. л. Г-15395 Военное Издательство Министерства Обороны Союза ССР Москва, Тверской бульвар, 18 Изд. № 1/7800. Зак. № 595. 7-я типография Управления Военного Издательства Министерства Обороны Союза ССР Цена 1 р. 80 к

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.

1. Горение и взрыв

Каждый из нас, кто по личному участию в войне, кто по кинокартинам, знаком со взрывом — этим мощным и грозным явлением. В дни Великой Отечественной войны от взрывов, организованных бесстрашными советскими партизанами, взлетали на воздух вражеские эшелоны и склады, рушились мосты под ногами оккупантов. Сила взрывчатых веществ в виде различных боеприпасов была в руках доблестных советских воинов главным средством для подавления вражеской обороны, при разгроме армий гитлеровских захватчиков.

Сегодня, в мирные дни, взрыв раскрывает нам богатства земных недр, помогает прокладывать пути через горы, преграждает течение рек, является нашим помощником в героическом созидательном труде.

Что же такое взрыв и как он действует?

Взрыв представляет собой крайне быструю химическую реакцию, в результате которой взрывчатое вещество превращается в газы. Эта реакция протекает с выделением большого количества тепла. Например, взрыв килограммового заряда тротила может произойти за одну стотысячную долю секунды. Вследствие чрезвычайной быстроты реакции образующиеся газы не успевают за это время заметно расшириться и занимают вначале объем, немногим больший объема, который занимало взрывчатое вещество. Этот объем в несколько тысяч раз меньше, чем тот, который занимали бы газы взрыва при атмосферном давлении. Известно, что давление газа тем больше, чем меньше объем сосуда, в котором он находится. Поэтому газы в момент взрыва оказывают огромное давление, действующее как мощный удар. Это давление так велико, что его нельзя непосредственно измерить каким-либо известным прибором без того, чтобы этот прибор не разрушился при таком измерении. По теоретическим расчетам давление взрыва для некоторых взрывчатых веществ достигает сотен тысяч атмосфер.

По мере удаления от взорвавшегося взрывчатого вещества действие взрыва быстро падает; однако при взрывах больших количеств взрывчатых веществ давление даже на расстоянии нескольких километров достаточно, чтобы выбить стекла в окнах домов.

Возникает естественный вопрос: почему же взрыв протекает с такой огромной быстротой? Ведь с химической стороны те реакции, которые идут при взрыве, очень похожи, а иногда и тождественны реакциям, происходящим при горении топлива. В основном это окисление (соединение с кислородом) углерода с образованием углекислого газа (СО2) или окиси углерода (СО) и водорода с образованием воды (Н2O).

Более того, и сами взрывчатые вещества в большинстве своем способны не только взрываться, но и гореть. Тот же тротил, если его поджечь, может гореть, и притом довольно медленно, спокойнее и медленнее, чем, скажем, бензин. Наоборот, самое простое горение, например, горение угля, можно поставить в такие условия, что оно будет протекать как сильнейший взрыв. Если взять тонко измельченный уголь, например в виде сажи, и распылить его в воздухе так, чтобы образовалось пылевое облако, то при поджигании такого облака произойдет взрыв. Более сильный взрыв можно получить, если сажу пропитать жидким воздухом или кислородом.

Почему же горение в обычных условиях протекает медленно и за счет чего может быть достигнуто его ускорение?

Горение угля является химической реакцией соединения углерода с кислородом воздуха. Скорость химических реакций зависит от температуры и от давления. С повышением температуры скорость реакции быстро возрастает; если температуру повысить на 10 градусов, то скорость реакции увеличится в два — четыре раза. Расчет показывает, что если от комнатной температуры перейти к температуре в 1000 градусов, то эта скорость возрастет во много миллиардов раз. При увеличении давления скорость химических реакций также возрастает — для некоторых реакций пропорционально давлению, а для других даже быстрее — пропорционально давлению в квадрате, то есть если повысить давление от 1 до 1000 атмосфер, скорость реакции увеличится в 10002, или в миллион раз.

При горении угля выделяется много тепла. Один килограмм угля дает при сгорании около 8000 больших калорий. Этого количества тепла хватило бы для нагрева до кипения 8 ведер воды. За счет выделения большого количества тепла при горении достигается очень высокая температура, особенно, если уголь горит в чистом кислороде. При горении на воздухе, содержащем, как известно, только 21 процент кислорода, выделяющееся тепло расходуется не только на нагрев образующегося углекислого газа, но и на нагрев азота. Температура получается поэтому ниже, но все же весьма высокая — она может превышать 2000 градусов. Таким образом, реакция горения угля происходит при очень высокой температуре, и скорость ее могла бы быть чрезвычайно большой. Несмотря на это, горение протекает медленно. Причина этого заключается в том, что реакция может идти только на поверхности куска угля, где он соприкасается с воздухом а эта поверхность обычно невелика.

Из сказанного ясно, что для ускорения горения надо с одной стороны, увеличить поверхность угля и, с другой облегчить доступ к ней кислорода воздуха. Это и достигается тонким измельчением угля и распылением его в воздухе так, чтобы каждая пылинка была окружена нужным для сгорания количеством кислорода.

Представим себе, что мы имеем уголь в виде кубиков с длиной ребра 10 сантиметров. Поверхность одного такого кубика будет равна 600 квадратным сантиметрам. Измельчим теперь каждый кубик в частицы той же формы, но с длиной ребра в одну тысячную сантиметра. Тогда поверхность будет составлять уже не 600, а шесть миллионов квадратных сантиметров, то есть увеличится в 10 000 раз. Соответственно уменьшится и время сгорания частицы угля и оно сможет протекать крайне быстро.

Однако тонкое смешение участников реакции, которое необходимо, чтобы она могла протекать быстро, само по себе еще не всегда достаточно для получения взрыва Это видно хотя бы из того, что даже такие взрывчатые вещества, как тротил, пироксилин и другие, в которых и горючие элементы (углерод и водород) и кислород входят в состав одной и той же молекулы, при поджигании способны к медленному горению.

Почему это так и что нужно для того, чтобы получить взрыв?

Поднесем на короткое время к открытой поверхности заряда тротила, вставленного в жестяной стакан,[2] небольшое пламя. При этом поверхностный слой тротила нагреется, скажем, до 200 градусов. В нагретом слое будет идти химическая реакция с выделением тепла. Одновременно тепло будет отдаваться следующему слою тротила и в окружающий воздух. При 200 градусах скорость реакции и количество выделяющегося при ней тепла невелики. В каждую единицу времени тепловые потери будут больше прихода тепла. Поэтому температура в слое будет падать, реакция прекратится и тротил не загорится.

Повторим опыт, но будем держать пламя дольше, чтобы тротил нагрелся на поверхности до 400 градусов. Если мы теперь отнимем пламя, то температура в слое тротила не только не понизится, но будет возрастать и он воспламенится. При 400 градусах химическая реакция в тротиле идет так быстро, что тепла выделяется больше, чем его теряется вследствие теплоотдачи, и дальнейший разогрев слоя, приводящий к воспламенению, идет сам по себе.

Однако, хотя реакция при горении и быстрая, но идет она только в тонком, нагретом пламенем слое, так как остальной тротил еще холодный. В результате горения образуются газы с высокой температурой. Они нагревают следующий слой тротила, вызывая в нем быструю реакцию. Этот процесс повторяется от слоя к слою, пока не сгорит весь тротил.

Нагрев слоя, вступающего в реакцию, происходит при горении путем теплопроводности. Передача тепла теплопроводностью — довольно медленный процесс. В этом легко убедиться, погрузив, например, конец чайной ложки в горячий чай. Ощущение тепла дойдет до руки только через несколько секунд.

Поскольку передача тепла при горении происходит медленно, то и скорость распространения горения мала. При горении с торца заряд тротила высотой 10 сантиметров сгорает за 15 минут.

Допустим теперь, что вместо того, чтобы поджигать тротиловый заряд, мы произведем по нему очень сильный удар, подобный тому, какой испытал бы он при попадании в него винтовочной пули, но еще более резкий. При таком ударе верхний слой тротила сожмется и сильно разогреется, подобно тому как разогревается поверхность наковальни от удара по ней молота. Вследствие высокой температуры в слое пройдет химическая реакция. Скорость ее будет при этом гораздо выше, чем при горении, так как здесь возникнет не только высокая температура, но и большое давление, созданное ударом. А давление, как мы видели, также сильно ускоряет реакцию. Образовавшимся газам некуда расширяться: с одной стороны ударяющая поверхность, с другой — тротил. Поэтому газы будут иметь очень большое давление, которое сожмет соседний слой тротила. Сжатие вызовет в этом слое разогрев и быструю химическую реакцию. Таким образом, как и при горении, реакция, начавшись на поверхности заряда, будет распространяться по нему вглубь, пока не прореагирует все взрывчатое вещество.

Основное, качественное отличие взрыва от горения заключается в том, что при взрыве разогрев, вызывающий реакцию, передается не теплопроводностью, а сжатием. Передача энергии сжатием, или, как называют этот процесс, ударной волной, происходит несравненно быстрее, чем теплопроводностью, — со скоростью, достигающей нескольких километров в секунду.

Если взять длинный металлический стержень, на один конец его положить руку, а по другому ударить молотком, то будет казаться, что рука ощущает толчок в момент удара. Это ощущение ошибочно; действие удара распространяется по стержню с определенной скоростью и доходит до руки через некоторый промежуток времени. Однако этот промежуток времени слишком мал, и для нашего осязания моменты удара и восприятия его рукой неразличимы, подобно тому как неразличимы для глаза отдельные кадры кинокартины.

В тротиловом заряде взрыв распространяется от одного конца до другого за одну стотысячную долю секунды, в миллион раз быстрее, чем при горении. Это время так мало, что если мы будем смотреть на взрывающийся заряд, нам покажется, что взрыв произошел мгновенно и одновременно во всех его частях. На самом деле это не так: взрыв распространяется по взрывчатому веществу с определенной, очень большой скоростью, которая может быть измерена точными физическими методами. Скорость распространения взрыва в различных взрывчатых веществах заключается между 1 и 8,5 километра в секунду.

Для тротила она равна 7 километрам в секунду. Взрыв в тротиле распространяется в 20 с лишним раз быстрее, чем звук в воздухе, и в 8 раз быстрее, чем летит винтовочная пуля; при такой скорости путь от Москвы до Ленинграда был бы пройден за полторы минуты.

Чем больше скорость распространения взрыва, тем сильнее и резче удар, производимый газами взрыва, тем больше дробящее действие взрыва.

Это действие можно еще более усилить, направляя его на определенный, небольшой участок разрушаемого объекта, например брони, которую нужно пробить. Такое сосредоточение действия взрыва основано на явлении так называемой кумуляции (от латинского слова «кумуляцио» — увеличение), впервые наблюдавшемся известным русским военным инженером М. М. Боресковым еще в 1864 году, но широко использованном только во время второй мировой войны.

Явление кумуляции можно пояснить таким опытом (рис. 1). На стальную плиту поставлены два цилиндрических заряда взрывчатого вещества одинаковых размеров, но один сплошной, а другой с конической выемкой в нижней части. Если эти заряды взорвать, то сплошной заряд даст на плите вмятину на большой площади, но малой глубины, а заряд с выемкой, меньший по весу, пробьет плиту насквозь, хотя и на малой площади. Такое сосредоточение действия взрыва объясняется тем, что газы взрыва, движущиеся от поверхности конуса, встречаются на оси его и образуют мощную тонкую струю, пробивающую стальную плиту.

Рис. 1. Схема действия кумулятивного заряда.

Пробивное действие получается еще сильнее, если коническая выемка имеет металлическую облицовку небольшой толщины. Тогда кумулятивная струя включает в себя тяжелый металл, движущийся с огромной скоростью, и врезается в сталь, как нож в масло.

В минувшей войне задача борьбы с броней (танки, бронетранспортеры, доты и др.) получила важнейшее значение. Для этой цели был использован кумулятивный принцип устройства заряда бронебойных боеприпасов, в первую очередь противотанковых снарядов. Схема устройства такого снаряда показана на рис. 2. При ударе снаряда о броню взрывается чувствительный головной взрыватель; его взрыв передается по центральной трубке капсюлю-детонатору, находящемуся в донной части снаряда; капсюль-детонатор через промежуточный детонатор вызывает взрыв разрывного заряда, имеющего кумулятивную выемку с металлической облицовкой.

Рис. 2. Схема устройства кумулятивного снаряда.

Пробивное действие кумулятивного снаряда основывается не на большой его скорости, то есть не на большой энергии удара, как у обычных бронебойных снарядов, а на действии взрыва заряда взрывчатого вещества, снабженного кумулятивной выемкой и взрывающегося в момент удара снаряда о броню.

2. Три класса взрывчатых веществ

История открытия взрывчатых веществ — героические страницы в летописи химии. Часто химик, получая новое соединение, не подозревал о том, что оно способно взрываться, и дорого — потерей пальцев, глаз, а иногда и жизни — оплачивал свое открытие.

Некоторые взрывчатые вещества, открытые химиками, настолько чувствительны, что взрываются от малейшего прикосновения.

Примером такого вещества может служить йодистый азот — порошок черного цвета, образующийся при взаимодействии йода с раствором аммиака. Во влажном виде этот порошок не взрывается, но если дать ему высохнуть, то он становится таким чувствительным, что взрывается от самого слабого воздействия, например от прикосновения бородки птичьего пера. Йодистый азот взрывается даже от сильного света, например от вспышки магниевого состава, применяемого при фотографировании.

Понятно, что такие сверхчувствительные взрывчатые вещества не могут иметь практического значения, так как опасность взрыва при обращении с ними чрезмерно велика. И если бы химия знала только взрывчатые соединения типа йодистого азота, то взрывчатые вещества не получили бы того применения, какое они имеют в наше время.

Следует указать, что нет прямой связи между количеством энергии, которую нужно затратить для возбуждения взрыва взрывчатого вещества, и количеством энергии, которую оно дает при взрыве. Это относится не только к взрывчатым веществам. Зажечь дрова, например, легче, чем каменный уголь, хотя при горении угля тепла выделяется вдвое больше.

Представим себе камень, лежащий на возвышении. Если столкнуть его с этого возвышения, то он будет падать, приобретая все большую и большую скорость. Очевидно, что усилие, которое нужно, чтобы вызвать падение камня, не зависит от того, на какой высоте он находится. Скорость же и кинетическая энергия, которые приобретает падающий камень, тем больше, чем больше высота падения.

Учеными были открыты взрывчатые вещества, превосходящие йодистый азот по силе действия и в то же время обладающие несравненно меньшей чувствительностью. Возбудить взрыв таких взрывчатых веществ теплом и ударом настолько трудно, что некоторые из них долгое время после их открытия даже не считались взрывчатыми. Так, пикриновая кислота, которая была открыта в 1788 году, в течение почти ста лет использовалась только как желтая краска. И лишь в 1873 году было установлено, что эта краска является сильнейшим взрывчатым веществом; вскоре после этого ее начали применять для снаряжения артиллерийских снарядов.

Тротиловый заряд не взрывается от удара при падении на землю с любой высоты. Тротил не взрывается даже при простреле обычной винтовочной пулей. Чтобы вызвать его взрыв, требуется удар еще большей резкости. Добавим, что и зажигаются такие взрывчатые вещества, как тротил или пикриновая кислота, с трудом; например, зажечь тротил гораздо труднее, чем бумагу или керосин. А некоторые взрывчатые вещества от спички вообще не загораются.

Относительно малая чувствительность современных взрывчатых веществ к удару и к трению очень важна для безопасности их применения как в горном деле, так и в военной технике.

При горных взрывных работах патроны взрывчатого вещества вводят в выбуренный в породе шпур (цилиндрическое углубление); при этом взрывчатое вещество может подвергаться трению о стенки шпура.

Далее обычно одновременно взрывают несколько шпуров; если заряд в одном из них по тем или иным причинам не взорвался, то взрывчатое вещество попадает в отколотую взрывом породу и при разборке и погрузке ее может подвергаться ударам.

Если порода не разрушена, там, где находился невзорвавшийся заряд, то для его ликвидации, ввиду того, что разряжать шпур сложно, обычно бурят рядом новый шпур, направляя его так, чтобы конец находился около невзорвавшегося заряда; в новый шпур вводят новый заряд, при взрыве которого взрывается и отказавший заряд. Бывает, однако, что направление нового шпура установлено неточно и бур попадает в отказавший заряд.

Во всех этих случаях, если взрывчатое вещество обладает большой чувствительностью к трению и к удару, возможно возникновение взрыва, обычно приводящее к ранению или гибели горняка. Такие случаи — нередкое явление при применении нитроглицериновых или хлоратных взрывчатых веществ. Именно по этой причине взрывчатые вещества этих типов были сняты с применения в горной промышленности в нашей стране.

Еще меньше должна быть чувствительность взрывчатых веществ при их применении в военном деле. Так, например, для разрывного заряда артиллерийского снаряда не могут быть применены взрывчатые вещества значительной чувствительности, взрывающиеся от толчка при выстреле.

Каждый знает, что если поезд или автомашина резко трогается, то пассажир испытывает толчок в обратном направлении. Происходит это потому, что любое тело обладает инерцией и стремится сохранить то состояние движения или в данном случае покоя, в котором оно находилось.

Когда при выстреле из орудия снаряд под действием пороховых газов, давящих на его дно, начинает двигаться, то заложенный в нем заряд взрывчатого вещества, подобно пассажиру, испытывает толчок. Многие взрывчатые вещества не могут выдержать такого толчка и взрываются от него. В этом случае снаряд разрывается не у цели, а в стволе орудия или сразу же как только вылетит из него. В результате выходит из строя орудие, поражается орудийный расчет. Понятно, что такие случаи совершенно недопустимы.

Еще меньше должна быть чувствительность взрывчатого вещества к толчкам и ударам, чтобы его можно было применять для снаряжения бронебойных снарядов обычного типа, которые имеют большую скорость встречи с броней.

Разрывной заряд такого снаряда, помимо толчка при выстреле, испытывает еще более сильный толчок при ударе о броню. Если взрывчатое вещество чувствительно, то оно может взорваться от этого удара прежде, чем снаряд пробьет броню. В этом случае поражения, наносимые взрывом, будут гораздо меньшими. В одном из крупнейших морских сражений первой мировой войны — Ютландском — английские снаряды, попадая в немецкие корабли, наносили им относительно малый ущерб. Эти снаряды были снаряжены пикриновой кислотой, чувствительность которой к удару слишком высока для ее применения в бронебойных снарядах, и они взрывались, не успев проникнуть в корпус корабля.

По этим причинам для снаряжения снарядов не применяются такие взрывчатые вещества, как нитроглицерин или динамиты на его основе, хотя по энергии взрыва нитроглицерин в полтора раза превосходит тротил и с точки зрения получения наибольшего разрушительного действия применение нитроглицерина было бы желательно.

Чувствительность взрывчатого вещества к удару ограничивает его применение и для снаряжения авиабомб. Заряд авиабомбы не должен взрываться от удара падающей бомбы о грунт или иную преграду. В зависимости от установки взрывателя этот взрыв производится обычно с тем или иным замедлением, в течение которого авиабомба успевает проникнуть на достаточную глубину в то сооружение (здание, блиндаж и т. п.), которое она должна разрушить.

По всем этим причинам в боеприпасах, как правило применяют относительно малочувствительные взрывчатые вещества.

Чувствительность некоторых взрывчатых веществ к внешним воздействиям настолько мала, что это иногда и в наше время приводило к недооценке возможности взрыва, имевшей катастрофические последствия. На немецком химическом заводе в Оппау в числе других продуктов производилась удобрительная смесь, состоящая из аммиачной селитры и сернокислого аммония. Завод работал круглый год, но смесь вывозилась в сельские районы только осенью. Готовый продукт ссыпали в заводские склады. При длительном хранении рыхлый порошок слеживался в сплошную камнеобразную массу. Дробление этой массы обычными механическими способами при разгрузке складов было затруднительным, и на заводе применили для этой цели взрывной способ. Предварительно обычными испытаниями установили, что смесь не взрывается. Было произведено около двадцати тысяч подрывов слежавшейся смеси, и вдруг при очередном подрыве, утром 21 сентября 1921 года, склад, а вместе с ним и весь завод взлетели на воздух. На месте взорвавшегося склада образовалось озеро длиной 165, шириной около 100 и глубиной около 20 метров (рис. 3). Взрывом были вызваны большие разрушения и в городе. Число убитых при взрыве превысило 500 человек.

Рис. 3. После взрыва на химическом заводе в Оппау.

Последующие широкие исследования, проведенные в разных странах, показали, что в известных условиях, которые, очевидно, и имели место при взрыве в Оппау, данная смесь способна взрываться. После этого случая взрывное рыхление подобных смесей было запрещено, и теперь допускается только механическое дробление, которое не может вызвать их взрыва.

Число взрывчатых веществ, подобных тротилу или пикриновой кислоте, не взрывающихся от зажигания или слабого удара, велико.

Все такие вещества составляют основной класс взрывчатых веществ: они называются дробящими или вторичными взрывчатыми веществами. Первое название — дробящие — обусловлено тем, что эти взрывчатые вещества используются для целей дробления; смысл второго названия будет пояснен ниже.

То, что вторичные взрывчатые вещества не взрываются в обычных условиях от пламени, а также от ударов умеренной силы, очень важно для безопасности их производства и применения. В процессе производства взрывчатое вещество приходится иногда нагревать, и при недосмотре возможны перегрев и самовоспламенение. В ряде случаев взрывчатые вещества подвергаются механической обработке. При применении взрывчатых веществ тоже нельзя полностью избежать толчков и ударов. Наконец, возможны пожары при производстве и хранении взрывчатых веществ, и бывает, что они загораются.

Если бы взрывчатое вещество во всех этих случаях не просто сгорало, а давало взрыв, то каждое его воспламенение приводило бы к разрушительной катастрофе.

Примерами таких катастроф могут служить те пожары на заводах взрывчатых веществ, при которых горение взрывчатого вещества по некоторым не всегда установленным причинам переходило во взрыв.

В конце прошлого столетия в испанской гавани Сантандере возник пожар на пароходе, груз которого состоял из 2000 тонн железа и нескольких сот ящиков динамита. Часть ящиков была спешно переброшена на берег. Пожар тем временем продолжал разрастаться, а на набережной собралась, как это в таких случаях обычно бывает, большая толпа зрителей. Представитель пароходства по ошибке заявил, что на пароходе не осталось больше динамита. Через два часа после начала пожара внезапно произошел сильнейший взрыв; полкорабля взлетело в воздух, и разбросанными осколками было убито пятьсот и тяжело ранено более тысячи человек.

В 1935 г., в период усиленной подготовки гитлеровской Германии к войне, на заводе взрывчатых веществ в Рейнсдорфе по неизвестной причине загорелся тротил в мастерской переработки отходов производства. Необходимых устройств для тушения горения не было, оно усилилось и перешло во взрыв. В результате разлета осколков аппаратов, раздробленных взрывом, он передался в другие мастерские завода и вызвал в них пожары и взрывы, разрушившие почти весь завод. Общее число пострадавших превысило 800, из них 80 человек были найдены убитыми или вообще не были найдены.

Если бы воспламенение взрывчатого вещества всякий раз приводило ко взрыву подобно тому, как это было в описанных случаях, то это сделало бы производство и широкое применение взрывчатых веществ практически невозможным. Однако, к счастью, это не так. Известно много случаев, когда при пожарах на заводах и складах порохов и взрывчатых веществ большие их количества, достигающие десятков тонн, сгорали без взрыва.

Однако посмотрим на этот вопрос с другой стороны. Если взрывчатое вещество не взрывается от поджигания, а только от сильного удара, то спрашивается: как же вызывать его взрыв в реальных условиях применения? Представим себе, например, заряд взрывчатого вещества, помещенный в узком и длинном углублении, выбуренном в горной породе. Чтобы произвести по этому заряду сильный механический удар, достаточный для возбуждения взрыва, потребовалось бы сложное устройство, приводимое в действие на расстоянии и уничтожающееся при каждом взрыве. Это было бы слишком дорого и поэтому практически нецелесообразно, а в условиях военного применения, как правило, и неосуществимо. Значит, нужен какой-то другой, более простой, способ производить удар по заряду взрывчатого вещества.

Именно такая задача и стояла перед техникой взрывного дела сто лет назад, когда надо было внедрить в горное дело взамен слабого по действию, но взрывающегося от пламени дымного пороха открытые к тому времени первые вторичные взрывчатые вещества — пироксилин и нитроглицерин. Пионерами в решении этого вопроса были русские исследователи, знаменитый химик проф. Н. Н. Зинин и военный инженер В. Ф. Петрушевский. В 1854 году они предложили применять нитроглицерин для снаряжения снарядов и мин и разрабатывали практические способы возбуждения его взрыва.

В царской России работы Зинина и Петрушевского не получили развития; однако они стали известны энергичному и инициативному шведскому предпринимателю и инженеру А. Нобелю. Последний заимствовал идеи русских ученых, разработал на их основе способ применения нитроглицерина для взрывных работ и широко внедрил его в практику горного дела.

Задача надежного возбуждения взрыва вторичных взрывчатых веществ была окончательно разрешена применением для этой цели взрывчатых веществ другого класса — инициирующих взрывчатых веществ: гремучей ртути, азида свинца и др. Основной особенностью этих взрывчатых веществ является то, что горение их, вызванное поджиганием, очень быстро, иногда практически мгновенно, переходит во взрыв.

Если крупинку инициирующего взрывчатого вещества — азида свинца — положить на лист жести или на стеклянную пластинку и поджечь, то происходит взрыв, пробивающий в жести или в стекле отверстие. Действие взрыва настолько местное, резкое, что сама стеклянная пластинка остается целой, и трещин обычно не образуется (рис. 4).

Рис. 4. Действие инициирующих взрывчатых веществ. Слева — крупинка азида свинца, поджигаемая на стеклянной пластинке; справа — отверстие, пробитое в стеклянной пластинке взрывом азида.

Если немного азида свинца поместить на заряд вторичного взрывчатого вещества и поджечь, то взрыв азида производит такой сильный удар по вторичному взрывчатому веществу, что взрывается и оно.

На практике возбуждение взрыва на основе этого принципа осуществляется при помощи капсюля-детонатора. В простейшем своем виде он представляет собой гильзочку (рис. 5), металлическую или бумажную, диаметром 6–7 миллиметров, в которую запрессовано небольшое количество (1–2 грамма) инициирующего взрывчатого вещества. Капсюль-детонатор помещается в заряде вторичного взрывчатого вещества (рис. 6); при поджигании (тем или иным способом) инициирующее взрывчатое вещество в капсюле-детонаторе взрывается и вызывает взрыв вторичного взрывчатого вещества.

Рис. 5. Устройство капсюля-детонатора.

Рис. 6. Заряд взрывчатого вещества с введенным в него капсюлем-детонатором.

Поэтому взрывчатые вещества этого класса и называются инициирующими, то есть «начинающими», взрывчатыми веществами (от латинского слова «инициаре» — начинать).

В отличие от них взрывчатые вещества типа тротила, взрыв которых в условиях практического применения возникает вторично — от взрыва инициирующего взрывчатого вещества в капсюле-детонаторе, называются вторичными.

Так как инициирующие взрывчатые вещества взрываются от пламени, искры и т. п., производство их более опасно. Опасность усугубляется тем, что взрывчатые вещества этого класса обладают и большой чувствительностью к удару и трению. При этом удар всегда приводит не к горению, а к взрыву.

Однако инициирующих взрывчатых веществ требуется по сравнению с вторичными очень мало, и при соблюдении жестких мер предосторожности опасность случайного взрыва при их изготовлении может быть практически предотвращена. К тому же некоторые из инициирующих взрывчатых веществ, как, например, старейшее из них и применяемое до сих пор — гремучая ртуть, большую часть производственного процесса проходят во влажном состоянии, в котором они утрачивают как свою чувствительность к механическим воздействиям, так и способность взрываться от пламени.

Некоторые вторичные взрывчатые вещества, например тротил, в литом виде обладают такой малой чувствительностью, что не взрываются даже от капсюля-детонатора.

В этих случаях используется «ступенчатое» возбуждение взрыва, широко применяемое в различного рода боеприпасах. В основной заряд помещается промежуточный детонатор — небольшой заряд вторичного взрывчатого вещества, обладающего более высокой чувствительностью, например того же тротила, но не в литом, а в прессованном виде, еще лучше — более сильного: тетрила, тэна и т. п. При взрыве капсюль-детонатор вызывает взрыв промежуточного детонатора, от которого в свою очередь происходит взрыв основного заряда.

При возбуждении взрыва капсюлем-детонатором поджигание капсюля должно производиться на расстоянии, так, чтобы от взрыва не пострадал взрывник. Это достигается применением электрического способа возбуждения взрыва. В капсюль-детонатор (рис. 7) введены проводники. Концы этих проводников соединены короткой тонкой проволочкой, окруженной легко воспламеняющимся составом. При пропускании тока проволочка накаливается, состав воспламеняется и зажигает инициирующее взрывчатое вещество в капсюле-детонаторе.

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.

4. Мощность взрыва

При постройке железной дороги Кангауз — Сучан на Дальнем Востоке необходимо было проложить выемку в Бархатном перевале в скальном грунте. Специалисты подсчитали, что по старому способу, без применения взрывчатых веществ, прокладка выемки потребует не менее двух лет. Тогда решили применить взрывной способ.

Было заложено десять зарядов взрывчатого вещества общим весом 250 тонн. Их одновременный взрыв (рис. 13) в течение полуминуты выбросил около 60 тысяч кубических метров породы и образовал выемку протяжением 220 метров, глубиной 22 метра и шириной до 60 метров (рис. 14). Все подготовительные работы к этому взрыву заняли всего около двух месяцев.

Рис. 13. Взрыв на Бархатном перевале.

Рис. 14. Бархатный перевал после взрыва.

Чем же обусловлена способность взрывчатых веществ производить чрезвычайно большую работу за такое короткое время?

Первым приходит в голову довольно естественное объяснение причины сокрушительного действия взрыва: во взрывчатом веществе содержится громадный запас энергии, который и выделяется при взрыве.

Такое мнение широко распространено. Исходя из него, не так давно один изобретатель рекомендовал заменить все виды применяемого ныне топлива… взрывчатыми веществами. Он даже разработал проект двигателя, в котором огромная по его предположению энергия взрывчатых веществ должна была превращаться в работу.

Из таких же соображений исходят предложения о замене (частично или полностью) бензина в автомобильных и авиационных двигателях жидкими взрывчатыми веществами.

Однако простой расчет показывает, что такие предложения в корне ошибочны. В килограмме взрывчатых веществ содержится и выделяется при взрыве значительно меньше энергии, чем выделяется при сгорании, например, одного килограмма угля или бензина.

Ниже, в таблице приведены величины энергии, выделяющейся при сгорании различных видов топлива и при взрыве различных взрывчатых веществ.

Таблица

Сравнивая числа, приведенные в этой таблице, мы видим, что при взрыве килограмма нитроглицерина выделяется энергии в пять раз, а при взрыве килограмма тротила даже в восемь раз меньше, чем при сгорании килограмма угля.

Однако при таком сравнении мы несколько несправедливы по отношению к взрывчатым веществам. Мы берем теплоту горения для одного килограмма топлива, не учитывая того количества кислорода, которое необходимо для горения. Взрывчатое же вещество не требует для своего взрыва дополнительного количества кислорода, так как он содержится в самом взрывчатом веществе. Более правильно поэтому и теплоту горения топлива рассчитывать не на один килограмм его, а на один килограмм смеси топлива с нужным для горения количеством кислорода. Такое сопоставление дано в следующей таблице:

Таблица

Хотя разница в величинах теплоты горения топлив и теплоты взрыва взрывчатых веществ стала в этом случае меньше, однако и здесь количество выделяющейся энергии у топлива больше, чем у взрывчатых веществ.

Следовательно, огромное разрушительное действие взрыва нельзя отнести за счет большой энергии взрыва.

В чем же тогда его причина?

Действительная причина заключается в том, что энергия при взрыве выделяется крайне быстро. Если килограмм бензина сгорает в моторе автомашины за 5–6 минут, то для взрыва килограмма взрывчатого вещества требуется только одна-две стотысячные доли секунды. Энергия при взрыве выделяется в десятки миллионов раз быстрее, чем при горении. А это имеет огромное значение.

Как известно, работа, выполняемая в секунду, называется мощностью. Чем большую работу способен произвести в секунду двигатель, тем выше его мощность. Единица мощности — лошадиная сила. Такой мощностью обладает двигатель, способный в одну секунду проделать работу по подъему груза в 75 килограммов на высоту одного метра. Паровоз серии «ИС», предназначенный для вождения составов весом до 1000 тонн со скоростью до 130 километров в час, обладает, например, мощностью в 2800 лошадиных сил.

Какую же мощность дает взрыв обычного двухсотграммового патрона аммонита, какие ежедневно десятками тысяч применяются в шахтах для взрывных работ?

Диаметр такого патрона 30 миллиметров, длина 0,25 метра. Если возбудить взрыв с торца патрона, то он будет распространяться со скоростью 5000 метров в секунду и длительность взрыва составит всего 0,25/5000 = 0,00005 секунды.

При взрыве одного килограмма аммонита выделяется энергия, равная 950 большим калориям. Поэтому при взрыве двухсотграммового патрона аммонита за указанный промежуток времени будет получена энергия, равная 0,2 х 950 = 190 больших калорий или в единицах механической работы 190 х 427 = 81 130 килограммометров.

Если для производства полезной работы может быть использовано только около 10 проц. этой энергии, то для получения ее в такой же короткий промежуток времени потребуется силовая установка (генератор) мощностью 0,1 х 81 130/75 х 0,0005 = 2,2 миллиона лошадиных сил (около 1,6 миллиона киловатт).

Таким образом, взрывник, несущий в сумке патрон аммонита, имеет в своем распоряжении огромную мощность. Эта мощность превосходит мощность крупнейшей американской гидроэлектростанции Боулдер-Дэм, составляющую 1 400 000 лошадиных сил (около миллиона киловатт).

Если физическую мощность среднего человека принять равной одной пятой лошадиной силы, то человек, располагающий 200 граммами взрывчатого вещества, как бы увеличивает свою физическую силу в 10 миллионов раз! О такой мощности, которую вложила в руки человека наука, могли только мечтать слагатели народных сказаний, наделявшие своих героев сверхъестественной силой.

Понятно, что использование энергии взрыва не может заменить работу электростанций и других силовых установок. Громадная мощность взрыва обусловлена, как мы видели, в первую очередь чрезвычайно малым временем выделения энергии; сама же энергия отнюдь не является чрезмерно большой.

Отсюда следует, что взрывчатые вещества целесообразно применять только в тех случаях, когда необходимы воздействия чрезвычайно большой мощности, хотя бы и очень кратковременные. Для получения таких воздействий в течение длительного времени потребовались бы громадные количества взрывчатых веществ. Так, чтобы получить в течение трех суток мощность взрыва патрона аммонита в 2 миллиона лошадиных сил, потребовалось бы взорвать около миллиона тонн взрывчатых веществ, — больше чем все годовое потребление взрывчатых веществ в горном деле во всем мире.

Таким образом, взрывчатые вещества не заменяют других источников энергии, они позволяют лишь концентрировать энергию во времени и в пространстве в такой степени, в какой это недостижимо никакими иными путями.

Ни одна машина не может при равном весе и размерах дать такую колоссальную мощность, какую дают взрывчатые вещества, и там, где эта мощность необходима, взрывчатые вещества — единственное и незаменимое средство ее получения.[5]

Большая мощность характерна не только для взрывчатых веществ, используемых при дроблении, но и для применения их в виде порохов как средства метания.

В обычных средствах передвижения — паровозе, автомобиле, самолете — двигатель сообщает им энергию во все время движения. Этим компенсируется потеря скорости из-за трения, сопротивления воздуха и т. д. Пушка тоже является своего рода двигателем. Однако двигатель этот неподвижен; снаряд с момента вылета из ствола уже не получает больше энергии. Чтобы дальность полета была значительной, снаряд в момент вылета должен иметь большую скорость, иначе говоря, большой запас энергии. Эту энергию он получает за время движения в стволе. Так как длина ствола невелика, то и время движения снаряда в нем мало. За это малое время снаряд должен получить большую энергию. Это значит, что мощность работы, совершаемой пороховыми газами и переходящей в энергию движения снаряда, велика.

Рассмотрим в качестве примера выстрел из тяжелого орудия, снаряд которого весит 917 килограммов и имеет начальную скорость 523 метра в секунду. Энергия снаряда при вылете из ствола составляет 12 770 000 килограммометров, что примерно в полтора раза больше энергии курьерского поезда весом в 300 тонн, движущегося со скоростью 90 километров в час. Эту энергию снаряд получает за время около одной сотой секунды. Отсюда мощность выстрела составит 12 770 000 : 0,01 = 1 277 000 000 килограммометров в секунду, или около 17 миллионов лошадиных сил!

Высокая мощность в артиллерийском орудии сочетается с большим коэффициентом полезного действия: доля энергии пороховых газов, переходящая в энергию движения снаряда, достигает 35 проц., то есть гораздо больше, чем в паровой машине, и столько же, сколько в двигателе внутреннего сгорания.

Однако получение такой огромной мощности сопряжено с быстрым износом двигателя и обходится очень дорого. После сотни выстрелов орудие выходит из строя. Общее время работы двигателя составляет, таким образом, всего одну секунду. Полная величина этой работы будет равна той, которую паровая машина мощностью в 100 лошадиных сил даст приблизительно за двое суток. Для получения пара при этом потребуется израсходовать около 4,5 тонны угля; после совершения такой работы паровая машина будет вполне исправна и пригодна для дальнейшей работы. Подсчет показывает, что стоимость работы, получаемой при помощи орудия, в 4000 раз выше, чем при ее получении с помощью паровой машины.

Поэтому использование взрывчатых веществ для метания, так же как и для взрыва, целесообразно только в тех случаях, когда необходимо получить огромную мощность, хотя бы и ценой высокой стоимости энергии.

Особенное значение получение максимальной мощности взрыва имеет при военном применении взрывчатых веществ.

Многие виды боеприпасов, например снаряды ствольной и реактивной артиллерии, морские торпеды, представляют собой сложные устройства, изготовление которых требует много труда и больших затрат. В стоимость выстрела входит также стоимость пороха, износа орудия и т. д. Все это составляет огромные суммы.

Так, изготовление торпеды во время первой мировой войны обходилось в двадцать четыре тысячи золотых рублей. Одних только артиллерийских снарядов Россия закупила тогда в США на миллиард восемьсот миллионов рублей золотом. Кстати, главным образом за счет этих заказов и выросла в Америке военная промышленность громадного масштаба, тогда как до войны американская военная индустрия была в зачаточном состоянии.

Было бы совершенно нецелесообразно применять в таких дорогих боеприпасах взрывчатые вещества малой мощности и следовательно низкой эффективности.

Применение в боеприпасах мощных взрывчатых веществ диктуется не только этими соображениями. Развитие военной техники идет в плане непрерывного соревнования между совершенствованием защиты от действия взрыва и усилением разрушительного действия боеприпасов. В этих условиях применение взрывчатых веществ умеренной мощности в некоторых случаях сделало бы применение отдельных видов боеприпасов просто бессмысленным.

Так, например, если заряд кумулятивного снаряда недостаточно мощен, чтобы пробить броню танка, то он не сможет вывести этот танк из строя. То же относится и к торпеде, действующей по корпусу корабля, имеющего специальные устройства для смягчения действия подводного взрыва, и к снаряду зенитного орудия, предназначенного для поражения бомбардировщика, наиболее ответственные части которого защищены броней.

Опыт показывает, что чем больше мощность взрыва, тем больше его разрушительное действие как в непосредственной близости от заряда, так и на расстоянии.

Это разрушительное действие обычно характеризуется двумя главными показателями — бризантностью и фугасным эффектом взрыва.

Бризантностью взрывчатого вещества называют способность его при взрыве дробить прилегающую среду. На бризантном действии взрывчатых веществ основано их применение в осколочных снарядах и некоторых других боеприпасах. При взрыве разрывного заряда таких снарядов корпус снаряда дробится на осколки, которые под действием давления газов взрыва разлетаются с большой скоростью в разные стороны, поражая на своем пути живую силу противника и уязвимые части боевых машин — самолетов, автомашин и т. п.

Применение в осколочных боеприпасах мощных взрывчатых веществ представляет большие преимущества, так как при этом можно уменьшить вес заряда и увеличить таким образом вес металла, а следовательно, и число осколков.

Чтобы получить наибольшее осколочное действие, нужно, однако, правильно соразмерять бризантность и вес заряда, с одной стороны, и прочность и толщину стенок снаряда — с другой. Если взрывчатое вещество очень бризантно, а металл снаряда очень хрупок, вроде чугуна, то дробление его может быть слишком сильным и осколки получатся такие мелкие, что дальность их полета и убойное действие будут очень малы. Плохо также, если взрывчатое вещество недостаточно бризантно, — тогда получаются крупные осколки, но число их очень мало и урон, нанесенный снарядом, также будет мал.

Один из простейших способов определения бризантности состоит в том, что взрывчатое вещество взрывают в стальном стакане с определенной толщиной стенок; чем больше осколков дает взрыв, тем больше дробящее действие взрывчатого вещества.

Можно также подрывать заряд взрывчатого вещества, поставив его на стальной плите определенной прочности; по глубине выбоины судят о бризантном действии взрыва.

Можно определять бризантность взрывчатых веществ и подрывом на свинцовом столбике. На этот столбик, покрытый сверху стальным кружком, ставят цилиндрический заряд взрывчатого вещества (обычно 50 граммов). При подрыве заряда давление взрыва сплющивает столбик и он принимает форму гриба.

Понятно, что только очень быстрое превращение взрывчатого вещества в газы может в этих условиях привести к возникновению большого давления, необходимого для сдавливания свинцового столбика; при более медленных превращениях образовавшиеся газы успели бы расшириться без образования значительного давления, так как сопротивление воздуха их расширению очень мало. Поэтому такое испытание характеризует резкость действия взрыва. Чем больше давление и чем быстрее оно возникает, тем больше эта резкость, тем больше дробящее действие взрыва, тем сильнее сжимается столбик. По уменьшению высоты столбика по сравнению с первоначальной и судят о бризантности взрывчатого вещества. На рисунке 15 показан вид столбика до испытания и после испытания различных взрывчатых веществ: малой бризантности, средней бризантности и большой бризантности.

Рис. 15. Испытание на бризантность подрывом на свинцовом столбике.

Бризантность не является каким-то неизменным свойством взрывчатого вещества, не зависящим от его состояния и условий подрыва. Так, например, если взрывчатое вещество имеет вид порошка, то в рыхлом виде оно будет давать меньшее дробящее действие, чем в спрессованном. Многие взрывчатые вещества дают пониженное дробящее действие при их применении в виде зарядов малого диаметра.

Из свойств взрывчатого вещества главными для бризантности являются его плотность и скорость взрыва, которая в свою очередь в сильной степени зависит от энергии взрывчатого вещества и его плотности. Поэтому, когда нужно получить наибольшее дробящее действие, применяют взрывчатые вещества с максимальным запасом энергии и наибольшей плотностью, причем (речь идет о твердых взрывчатых веществах) стремятся вести снаряжение так, чтобы количество пор или пустот в заряде было возможно меньше.

Во время второй мировой войны получили применение два новых взрывчатых вещества — гексоген и тэн. Главное их преимущество с точки зрения боевого действия заключается в том, что при приемлемых других свойствах (чувствительность, химическая стойкость и т. д.) они имеют энергию взрыва приблизительно на 40 проц. больше, чем тротил; соответственно выше и скорость их взрыва. Больше (особенно у гексогена) и плотность обоих новых веществ. Благодаря этим отличиям они значительно превосходят тротил и смеси на его основе по разрушительному действию взрыва.

Однако боевая эффективность взрыва определяется не только его дробящим действием, проявляющимся в непосредственной близости от взорвавшегося заряда. Опыт показывает, что взрыв может вызвать сильные сдвиги и разрушения объектов и на значительных расстояниях от заряда, даже на таких, которых газы взрыва заведомо не достигают. Так, например, при взрыве заряда весом в 100 килограммов каменные стены зданий могут быть серьезно повреждены на расстоянии до 50 метров, а умеренные повреждения — разбивание стекол, приподнимание крыш — могут наблюдаться даже на расстоянии более 100 метров.

При взрыве заряда, помещенного на некоторой глубине в грунте, грунт выбрасывается — образуется воронка, Такие действия взрыва называются фугасными и объясняются следующим образом. Газы, внезапно образующиеся при взрыве и имеющие огромное давление, действуют на окружающий воздух (или иную среду — грунт, воду и т. п.) как непосредственно своим давлением, так и увлекая его при расширении. Наряду с этим, производя по воздуху резкий удар, газы вызывают около заряда сильное его сжатие. Это сжатие передается следующему слою и от него все дальше и дальше. Как говорят, при взрыве образуется и распространяется ударная волна (ее называют также взрывной волной). При этом слой воздуха, через который проходит волна, на короткое время приходит в движение в направлении распространения волны, и это движение играет важную роль в ее разрушительном действии. После прохождения передней части волны слой воздуха начинает двигаться назад, к месту взрыва, возвращаясь почти до прежнего положения. Таким образом, воздух при прохождении ударной волны в целом в движение не приходит, а только передает это движение.

Если мы положим в ряд несколько деревянных шаров и ударим молотком в направлении ряда по крайнему, то мы увидим, что покатится лишь последний шар с противоположного конца, а все промежуточные останутся в покое. Каждый шар является лишь как бы передатчиком эстафеты. Нечто сходное происходит и при распространении ударной волны.

Ударная волна служит причиной разрушений, вызываемых взрывом на расстоянии. Если на ее пути встречается какое-либо препятствие в виде, например, стены, самолета, то ударная волна оказывает на него более или менее сильное давление в течение некоторого, обычно небольшого, времени, короче говоря, производит более или менее резкий удар, который может разрушить препятствие.

На больших расстояниях от заряда его действие определяется только ударной волной. Вблизи от заряда, например при образовании взрывом воронки в грунте, действует также непосредственно расширение газов взрыва, приводящее в движение выбрасываемый грунт.

Если взрыв происходит на заводе или на складе взрывчатых веществ или боеприпасов, то нужно учитывать, что ударная волна может вызвать не только механические разрушения, но и передачу взрыва на расстояние. Когда вблизи от места взрыва находятся взрывчатые вещества, то они взрываются от действия ударной волны, если только расстояние не слишком велико. Чем больше энергия взрыва и количество взрывающегося вещества, тем больше расстояние, на которое оно передает взрыв. Это расстояние возрастает пропорционально корню квадратному из количества взрывчатого вещества. От взрыва заряда в 100 тонн взрыв может передаться на расстояние до 100 метров.

Чтобы предотвратить большие разрушения, а также передачу взрыва, при постройке заводов или складов отдельные здания располагают на некотором удалении друг от друга, иногда их дополнительно окружают земляными валами, уменьшающими действие взрыва на расстоянии. Если склад или завод построен без учета этих требований, то случайный взрыв в одном из зданий не ограничивается разрушением этого здания, а может распространиться и на все другие, приводя к полному уничтожению всего завода или склада. Именно так произошло на одном французском военном складе взрывчатых веществ в Боссане, на котором хранилища были расположены слишком близко друг от друга. На фотоснимке (рис. 16) показано то, что осталось от склада после происшедшего по неизвестным причинам взрыва одного из 54 хранилищ, от которого в результате передачи взрыва взорвались, оставив после себя одни воронки в земле, и остальные.

Рис. 16. После взрыва на складе взрывчатых веществ в Боссане.

Мы отмечали, что фугасное действие на значительных расстояниях от взорвавшегося заряда обусловливается распространением ударной волны.

Главным свойством взрывчатого вещества, определяющим фугасное действие, является энергия, выделяющаяся при взрыве; быстрота ее выделения, играющая решающую роль для бризантного действия, имеет для фугасного действия второстепенное значение. Так как, однако, обычно взрывчатые вещества с большой энергией имеют и большую скорость взрыва, то большое фугасное действие, как правило, сопутствует большой бризантности. Правда, это не всегда так. Известны взрывчатые смеси, содержащие алюминий в виде порошка. Алюминий при взрыве сгорает за счет кислорода взрывчатого вещества, причем выделяется очень много тепла и энергия взрыва получается большая. Поэтому фугасное действие получается также большое. Однако алюминиевый порошок сгорает сравнительно медленно; для этого требуется больше времени, чем для химической реакции при взрыве однородного взрывчатого вещества, и бризантность от добавки алюминия не увеличивается.

Точно так же если взять взрывчатые вещества, представляющие собой смесь двух веществ — горючего и окислителя, — например, смесь угля с аммиачной селитрой, то окажется, что фугасное действие довольно слабо зависит от того, как сильно измельчены уголь и селитра. Бризантное же действие будет резко уменьшаться при применении крупных медленно реагирующих частиц.

Измерение фугасного действия взрывчатого вещества можно производить, взрывая заряд, закопанный на некоторую глубину в землю, и определяя объем образовавшейся воронки, то есть количество выброшенной земли. В лаборатории его определяют, как и бризантность, по деформации свинца, вызываемой взрывом, но в иных условиях. Небольшой заряд взрывчатого вещества помещают в канал свинцового цилиндра, не доходящий до его дна (рис. 17); свободную часть канала засыпают песком, после чего производят подрыв. Образовавшиеся газы расширяют канал цилиндра, придавая ему форму груши, по объему которой и оценивают фугасное действие взрывчатого вещества. Условия этого испытания существенно отличаются от условий определения бризантности. Многие взрывчатые вещества, которые при испытании подрывом на свинцовом столбике для определения бризантности не производят его обжатия, в свинцовом цилиндре дают значительное расширение. Объясняется это различие тем, что при подрыве на столбике газам взрыва мешает расширяться только легкий воздух. В свинцовом же цилиндре снизу и с боков этому препятствует свинец, а сверху столбик песка, и газы после взрыва оказываются как бы в замкнутом пространстве. Только очень медленно взрывающиеся вещества вроде дымного пороха выбрасывают песок из канала, не производя значительного расширения последнего. Обычно же скорость взрыва оказывается достаточно большой, чтобы для газов оказалось так же трудно выбросить песок, как и расширить канал свинцового цилиндра, — поэтому они делают и то, и другое. При этом поскольку сопротивление песка все же гораздо больше, чем воздуха, то расширение канала дают и такие взрывчатые вещества, которые взрываются недостаточно быстро, чтобы сжать свинцовый столбик при подрыве на нем для определения бризантности.

Рис. 17. Испытание взрывчатого вещества на фугасное действие подрывом в свинцовом цилиндре.

Некоторым недостатком описанных способов определения фугасного действия является то, что они производятся с малыми количествами взрывчатого вещества; в свинцовом цилиндре, например, подрывают всего 10 граммов взрывчатого вещества. Поэтому на основании таких определений не всегда можно установить, каково будет разрушительное действие больших зарядов в десятки и сотни тонн.

А знать это нужно, так как на заводах и особенно на складах приходится иметь дело с большими количествами взрывчатых веществ, и важно ясно представлять себе, какие разрушения они могут вызвать при случайном взрыве.

Для этого в ряде стран, особенно после войн, когда нужно было уничтожать непригодные для хранения взрывчатые вещества, были проведены подрывы больших зарядов, достигавших десятков тонн. При этом определялось разрушительное действие на различные сооружения, одновременно измерявшееся специальными приборами. Таким образом устанавливалось в условиях, наиболее близких к условиям практики, как влияют на размеры зоны разрушительного действия количество взрывчатого вещества и его свойства. Попутно определялась также эффективность различных защитных устройств и выявлялись наиболее устойчивые к действию взрыва конструкции зданий.

Другим источником сведений такого рода являются взрывы, происходящие на заводах и складах взрывчатых веществ. Обычно бывает известно, сколько и каких взрывчатых веществ находилось в той или иной взорвавшейся мастерской или хранилище. Сопоставляя эти данные со степенью разрушений и расстояниями, на которых они наблюдались, можно получить очень ценные для практики выводы о том, как нужно планировать расположение заводов и складов взрывчатых веществ и какие меры защиты от действия взрыва должны быть применены, чтобы ущерб от возможного непредвиденного взрыва был минимальным.

В качестве примера таких взрывов можно привести взрыв склада пироксилина в Стоумаркете в Англии. При этом взрыве заводские постройки на расстоянии 50 метров от склада были полностью уничтожены. На расстоянии до 350 метров многие жилые дома в расположенном по соседству селении были почти совершенно разрушены. На расстоянии до 1200 метров были опрокинуты легкие кирпичные стены зданий, разрушена церковная колокольня. Оконные рамы во многих домах были разломаны на расстояниях до полутора километров. На расстоянии 8 километров взрывом был сорван дверной запор в виде прочного железного стержня. Трещины в оконных стеклах местами наблюдались на расстоянии до 11 километров. Звук взрыва был слышен на 45–50 километров.

Взрыв в Стоумаркете не принадлежит к числу наиболее сильных взрывов. Там взорвалось только 13,5 тонны взрывчатого вещества. При некоторых взрывах единовременно взрывались гораздо большие количества взрывчатых веществ и соответственно разрушения распространялись на большие площади. Следует добавить, что разрушительное действие взрыва на окружающей местности оказывается наибольшим в том случае, когда взрыв не совершает полезной работы. Если же взрыв выполняет такую работу, как это, например, происходит при подрыве больших зарядов, углубленных в землю для создания котлованов, выемок и т. д., то на эту работу затрачивается значительная часть энергии взрыва, и ударная волна в воздухе, а следовательно, и разрушительное ее действие резко ослабляются. Поэтому промышленные взрывные работы даже тогда, когда при них используются огромные заряды, достигающие в отдельных случаях тысяч тонн, не приводят к ненужным разрушениям зданий и других сооружений, расположенных вблизи от места взрыва.

5. Состав и изготовление взрывчатых веществ

Выше уже указывалось, что кусок обыкновенного угля можно превратить во взрывчатое вещество, если его тщательно измельчить и распылить в воздухе. Сделав то же самое с куском дерева, можно также получить способную ко взрыву пылевоздушную смесь.

Однако разрушительное действие взрыва такой смеси будет относительно слабым, поскольку одна из ее составных частей — воздух — является газом; поэтому смесь еще до взрыва занимает большой объем, и давление взрыва получается небольшим.

Этому нетрудно помочь, применив вместо газообразного воздуха жидкий кислород, плотность которого близка к плотности воды, то есть в тысячу раз больше, чем плотность воздуха. Кроме того, жидкий кислород целиком участвует в горении, в то время как воздух содержит только 1/5 кислорода, а 4/5 его составляет химически инертный азот. Это обстоятельство также уменьшает силу взрыва, происходящего с участием воздуха.

Таким образом, простейшим способом получения взрывчатого вещества является механическое смешение тонко измельченных горючих веществ с кислородом.

Смеси жидкого кислорода с сажей, торфяной мукой, мохом и другими горючими веществами, способными хорошо впитывать жидкий кислород, начали применять в качестве взрывчатых веществ еще в конце прошлого столетия. В ограниченной степени они используются для взрывных работ и сейчас.

Положительной стороной этих взрывчатых веществ — они называются оксиликвитами — является обилие и доступность сырья: залежи торфа и моха широко распространены, а жидкий кислород получают из воздуха.

Изготовление оксиликвитов очень простое и производится на месте выполнения взрывных работ. Бумажная гильза, наполненная горючим порошком, погружается на некоторое время для пропитки в жидкий кислород. Поэтому в районах, отдаленных от заводов взрывчатых веществ, применение оксиликвитов экономически выгодно: отпадают расходы на перевозку и хранение взрывчатых веществ.

Однако оксиликвиты имеют существенный недостаток. Жидкий кислород очень летуч, он кипит, быстро превращаясь в газ уже при температуре 183 градуса ниже нуля. Поэтому срок «жизни» оксиликвитных патронов малого диаметра измеряется минутами. Если производство взрыва почему-либо задержалось, то кислород может настолько улетучиться, что патроны потеряют способность к взрыву. Это препятствует широкому применению оксиликвитов, а для некоторых целей, например для снаряжения большинства видов боеприпасов, делает их применение просто невозможным. Этот недостаток устранен в тех взрывчатых веществах, в которых горючие вещества смешиваются не с самим кислородом, а со специальными нелетучими «поставщиками» кислорода. Известен целый ряд химических соединений, которые в своем составе содержат много непрочно связанного кислорода. В смеси с горючими веществами такие богатые кислородом вещества при разогреве от поджигания или от удара вступают в реакцию, окисляя своим кислородом горючие вещества. Это свойство дает возможность использовать их в качестве «поставщиков» кислорода. Здесь уже нет опасности улетучивания кислорода.

В качестве примера таких взрывчатых веществ может служить старейшее из них — дымный порох. Он состоит, как мы видели, из горючего (уголь + сера) и окислителя — калиевой селитры. Формула калиевой селитры — KNO3 — показывает, что в ней на три атома кислорода приходится один атом азота и один атом калия. При взрыве селитра разлагается, азот выделяется в виде газа, калий дает окись калия К2O (образующую затем углекислую и сернокислую соли калия), а остальной кислород окисляет уголь и серу, образуя углекислоту и другие газы.

Однако применение в качестве окислителя калиевой селитры невыгодно; непрочно связанного кислорода в ней содержится только 40 процентов, и, кроме того, на разложение калиевой селитры требуется значительное количество энергии — 324 большие калории на килограмм. По этой причине теплота взрыва дымного пороха сравнительно небольшая — около 700 больших калорий на килограмм, в то время как при взрыве смеси угля с жидким кислородом выделяется 2200 больших калорий.

Помимо этого, дымный порох при взрыве только наполовину превращается в газы, остальные продукты взрыва являются твердыми веществами.

По этим причинам действие взрыва дымного пороха мало, и в настоящее время он почти полностью вытеснен во взрывных работах взрывчатыми смесями, главной составной частью которых является аммиачная селитра (NH4NO3). Такие смеси имеют большую теплоту взрыва и при взрыве полностью превращаются в газы.

Если механическая смесь состоит из твердых окислителя и горючего, то их необходимо сильно измельчать и тщательно смешивать. Химическая реакция вначале протекает только на поверхности частиц, и чем больше эта поверхность, тем быстрее идет реакция, а только при большой скорости реакция, как мы видели, имеет характер взрыва.

Однако как бы сильно мы ни измельчали твердые составные части смеси, все же нельзя добиться такой равномерности состава, чтобы рядом с каждой молекулой горючего находилась молекула окислителя. Поэтому скорость реакции в механических смесях при взрыве не достигает своего возможного наибольшего значения.

Широко применяется при получении взрывчатых веществ другой способ сочетания горючих элементов и кислорода, обеспечивающий идеальную равномерность состава. Этот способ заключается в получении таких химических соединений, в молекулу которых входят и горючие элементы (углерод и водород) и кислород. Сгорание таких взрывчатых веществ происходит за счет собственных внутренних запасов кислорода, входящего в молекулы соединения.

Например, клетчатка (С6Н10О5), являющаяся главной составной частью древесины, содержит много углерода и водорода, а азотная кислота (HNO3) — много кислорода. При химическом взаимодействии клетчатки и азотной кислоты в определенных условиях и образуется нитроклетчатка, о которой говорилось выше. Это химическое соединение содержит в своей молекуле как углерод и водород, так и кислород. При этом кислород в большей своей части связан с углеродом не непосредственно, а через атом азота. Такое соединение относительно непрочно, и при сильном воздействии, например, при ударе, слабая связь между кислородом и азотом разрывается. Это приводит к вступлению кислорода взрывчатого вещества в реакцию с образованием более прочных соединений — углекислоты и воды — и с большим выделением тепла. Происходит взрыв.

Зависимость способности к взрыву от строения химического соединения хорошо видна на следующем примере. Известны два соединения одинакового состава: изоциановая кислота и гремучая кислота. Молекулы каждой из этих кислот содержат по одному атому водорода, углерода, кислорода и азота. Соли этих кислот также одинаковы по составу; например, в соли серебра атом водорода заменен на атом серебра. В то же время свойства этих солей существенно различны. Соль гремучей кислоты — сильно взрывчатое вещество, а соль изоциановой кислоты не взрывается. Объясняется это тем, что в молекуле изоциановой кислоты атом углерода соединен с атомом кислорода, то есть он частично уже «сгорел» при образовании кислоты. В гремучей же кислоте углерод соединен с азотом; при перегруппировке атомов под соответствующим воздействием он может соединяться с кислородом, что сопровождается выделением значительного количества тепла и дает поэтому взрыв.

Химические соединения, содержащие в своих молекулах атомы горючих элементов и кислорода, разъединенные азотом, или другие атомы, способные перегруппировываться с выделением тепла и образованием газов, могут быть получены не только из клетчатки.

Исследованиями химиков открыто много сотен различных химических соединений, которые являются взрывчатыми веществами. Еще больше взрывчатых веществ было получено путем смешения различных горючих веществ с кислородом или с веществами, богатыми кислородом.

Однако только очень немногие те известных взрывчатых веществ применяются на практике — в военном деле или для взрывных работ в промышленности. Дело в том, что для каждого назначения взрывчатое вещество должно удовлетворять ряду требований и не всякое взрывчатое вещество отвечает этому условию.

Мы уже видели, что у многих взрывчатых веществ повышенная чувствительность к толчкам и ударам исключает или ограничивает возможность их применения в боеприпасах и в горных взрывных работах.

Большое значение имеет также химическая стойкость взрывчатых веществ. Дело в том, что все взрывчатые вещества способны не только к взрыву, но и разлагаются — медленно даже при обычных температурах хранения. Некоторые взрывчатые вещества в чистом виде разлагаются однако крайне медленно. Говорят, что они обладают большой химической стойкостью. Это означает, что такие взрывчатые вещества и снаряженные ими боеприпасы могут храниться десятилетиями, практически не изменяясь. Примером таких взрывчатых веществ может служить тротил — нитросоединение одного из углеводородов — толуола.

Напротив, такие взрывчатые вещества, как нитроглицерин или пироксилин, в отличие от тротила разлагаются сравнительно быстро, особенно, если они недостаточно тщательно приготовлены и содержат примеси кислот, которые ускоряют их разложение. Такое разложение нежелательно не только потому, что оно ведет к ухудшению взрывчатых свойств, но и потому, что, медленное вначале, оно идет со временем все быстрее и быстрее и может привести даже ко взрыву.

В начале текущего столетия в военную технику вводились современные бездымные пороха на основе нитроклетчатки. В то время еще не знали об опасности самопроизвольного разложения их при обычных температурах и не умели его предупреждать. Из-за этого не раз на военных кораблях происходили большие взрывы пороховых запасов, хранившихся при повышенных температурах. Так погибли французские броненосцы «Иена» в 1907 г. и «Либерте» в 1911 г. На «Иене» пороховые заряды хранились над машинным отделением, где температура была очень высокой; кроме того, на корабле находился также долго хранившийся порох сомнительной стойкости. При сходных обстоятельствах произошел взрыв на «Либерте», при котором было убито более двухсот матросов и офицеров. Подобные взрывы имели место во флотах и других стран.

После этих случаев в состав порохов стали вводить специальные добавки, замедляющие их разложение, а также не допускать хранения порохов при повышенных температурах.

Для снаряжения некоторых боеприпасов имеет значение соотношение между температурой плавления взрывчатого вещества и температурой, при нагреве до которой оно самопроизвольно вспыхивает.

Если температура плавления низка, а температура вспышки высока, то взрывчатое вещество можно расплавить и заливать в жидком виде в корпус снаряда, где оно при охлаждении затвердевает. Так можно снаряжать снаряды тротилом, который плавится при 80°, а вспыхивает при гораздо более высокой температуре — 300°.

Снаряжать таким способом взрывчатыми веществами, плавящимися при значительно более высоких температурах, неудобно и даже опасно. Так ксилил имеет температуру плавления около 180°, а температура вспышки его та же, что и у тротила. Поэтому для снаряжения заливкой ксилил не применяют. Еще ближе температуры плавления и вспышки у гексогена (200 и 230°). Снаряжать гексогеном способом заливки поэтому практически невозможно, и приходится применять другие способы снаряжения, например прессование.

Благоприятное сочетание взрывчатых и физических свойств само по себе не всегда еще является достаточным для того, чтобы взрывчатое вещество получило широкое практическое применение.

Необходимо, чтобы был найден и разработан пригодный для производства способ изготовления взрывчатого вещества. Это иногда является нелегкой задачей.

Многие взрывчатые вещества получают обработкой соответствующих органических материалов азотной кислотой. При этом наряду со взрывчатым веществом образуется вода, которая замедляет реакцию и может привести к другим нарушениям процесса. Поэтому обычно азотную кислоту применяют в смеси с крепкой серной кислотой, которая связывает воду. Кроме того, серная кислота взаимодействует с азотной кислотой, переводя ее в такое состояние, при котором скорость образования взрывчатого вещества больше.

Скорость реакции между исходным органическим продуктом и азотной кислотой, как и скорость любой реакции, увеличивается с повышением температуры. Однако этот путь интенсификации производства при изготовлении взрывчатых веществ следует применять с большой осторожностью. При повышении температуры увеличивается не только скорость нужной реакции, ведущей к образованию взрывчатого вещества, но также и реакций окисления органического продукта азотной кислотой, которая является сильным окислителем. Эти реакции очень нежелательны не только потому, что приводят к снижению выхода взрывчатого вещества, но и потому, что они идут с выделением тепла и могут привести к такому быстрому и сильному разогреву, что процесс закончится взрывом. Такие взрывы не раз бывали на заводах взрывчатых веществ; нередко они приводили к полному разрушению мастерской, а иногда и всего завода. Чтобы предотвратить возможность взрыва, получение взрывчатого вещества обычно проводят при относительно низких температурах, хотя это и снижает производительность аппаратуры.

В большинстве случаев требования безопасности удается совместить с достаточной экономичностью производства. Но это бывает не всегда. Примером в этом отношении является тринитробензол [С6Н3(NO2)3], который по своим взрывчатым свойствам не уступает тротилу и даже несколько превосходит его. Тем не менее на практике тринитробензол нигде не применяется, так как производство его гораздо менее экономично и более опасно, чем производство тротила.

Большое значение при выборе взрывчатого вещества для производства имеют источники сырья для его изготовления. Самое лучшее, если это сырье готовится промышленностью для мирных целей или же получается в больших количествах попутно при других производствах. Тогда в военное время эта продукция переключается на изготовление взрывчатых веществ для фронта. Именно так обстоит дело с аммиачной селитрой, которая является основным азотистым удобрением, используемым сельским хозяйством, и производится поэтому промышленностью в огромных количествах. В военное время аммиачная селитра в виде смесей с тротилом (так называемые аммотолы) является главным взрывчатым веществом, применяемым для снаряжения различных боеприпасов. Точно так же толуол (С6Н5СН3), из которого готовится тротил, не является в основной своей части продуктом самостоятельного производства; он получается в больших количествах как побочный продукт при переработке каменного угля на кокс для металлургической промышленности и на светильный газ. При этом процессе образуются разнообразные углеводороды — соединения, состоящие из углерода и водорода в различных соотношениях. Из одной тонны угля получается около 5 килограммов бензола, 0,05 килограмма фенола и до 1,5 килограмма толуола. Поскольку для выплавки железа из руды в странах с высоко развитой промышленностью требуются огромные количества кокса, то количество получаемого толуола также велико.

Коксохимическое производство еще во время первой мировой войны было единственным источником толуола. В дальнейшем его стали получать в небольших количествах также разгонкой некоторых сортов нефти, а главное — путем химической переработки нефти действием высоких температур, при которых входящие в ее состав углеводороды перестраиваются, образуя толуол.

Для получения нитросоединений можно использовать не только один толуол, но и другие углеводороды, получающиеся при сухой перегонке угля, — фенол, ксилол, нафталин. Так из фенола (С6Н5ОН) может быть получен тринитрофенол (пикриновая кислота). Он представляет собой, как и тротил, светложелтый порошок, который также плавится при нагревании (хотя и при несколько более высокой температуре, чем тротил). Поэтому им так же, как тротилом, можно снаряжать снаряды путем заливки в них расплавленного вещества. По силе взрыва пикриновая кислота даже несколько превосходит тротил, но у нее есть несколько серьезных недостатков. Один из них заключается в том, что пикриновая кислота более чувствительна к ударам и толчкам, чем тротил. Поэтому снаряды с пикриновой кислотой более склонны к преждевременным разрывам, чем снаряды с зарядом из тротила. Другой недостаток пикриновой кислоты состоит в том, что, будучи по своей природе кислотой, она может образовывать соли, а эти соли — пикраты — очень чувствительны к удару и к трению и при поджигании дают не горение, а взрыв. Это обстоятельство требует принятия специальных мер, чтобы предотвратить образование пикратов как при производстве, так и в снарядах, снаряженных пикриновой кислотой. Наконец, вследствие кислотного ее характера пикриновую кислоту нельзя применять в смеси с аммиачной селитрой. Все эти недостатки привели в свое время к вытеснению пикриновой кислоты тротилом, и во время второй мировой войны она почти не применялась.

Подобно толуолу и фенолу, во взрывчатые вещества могут быть превращены и другие углеводороды так называемого ароматического ряда.

Все эти взрывчатые вещества — тринитротолуол, тринитрофенол и другие — имеют тот недостаток, что число атомов кислорода в их молекулах гораздо меньше того, которое нужно, чтобы окислить горючие элементы — углерод и водород. Такая нехватка имеется даже в молекуле тринитробензола. На каждый атом углерода для образования углекислоты (СО2) нужно два атома кислорода, на каждый атом водорода для образования воды (Н2О) нужно пол-атома кислорода. На молекулу тринитробензола нужно, таким образом, всего 131/2 атомов кислорода, а содержится в ней всего 6. Казалось бы, что этому легко помочь, вводя в молекулу углеводорода не три, а более нитрогрупп. Однако в действительности ввести четвертую нитрогруппу в молекулы бензола или толуола очень трудно. Действием смеси азотной и серной кислот это не удается сделать и приходится использовать иные, обходные пути. Кроме того, оказалось, что четвертая нитрогруппа очень непрочно держится в молекуле и легко, особенно в присутствии влаги, отщепляется. Поэтому такие взрывчатые вещества не получили практического применения.

Правда, был найден обходный путь к увеличению содержания кислорода в нитросоединениях. Оказалось, что четвертая нитрогруппа может быть введена и достаточно прочно держится в молекуле, если она не прямо соединена с углеродным атомом тринитробензола, а через промежуточный атом, например, через атом азота. Так было получено соединение с длинным химическим названием тринитрофенилметилнитрамин, в технике кратко именуемое тетрилом.

По числу атомов тетрил отличается от тротила лишней группой NO2 и атомом азота. Нехватка кислорода в нем меньше, чем в тротиле, и сила взрыва соответственно больше. При испытании в свинцовом цилиндре, например, он дает эффект на 20 проц. больше, чем тротил.

Однако повышенная сила взрыва получается в данном случае ценой значительно меньшей химической стойкости: при нагревании тетрил вспыхивает при 200°, в то время как тротил только при 300°. Кроме того, тетрил много чувствительнее к удару, чем тротил. Наконец, получение тетрила и сложнее, и опаснее, чем тротила. По всем этим причинам он применяется в сравнительно небольших количествах для специальных целей, где нужно повышенное бризантное действие, — для изготовления промежуточных детонаторов к различным боеприпасам и для снаряжения капсюлей-детонаторов, заменяя в них часть инициирующего взрывчатого вещества.

Однако давно уже были известны соединения, содержащие кислорода гораздо больше, чем содержат его тротил или даже тетрил. Одно из них, открытое известным русским химиком Л. Н. Шишковым в 1861 г., — тетранитрометан [С(NO2)4], содержит даже слишком много кислорода — четыре атома на один единственный атом углерода и поэтому взрывается с трудом. Долгое время тетранитрометан не считали взрывчатым. Лишь недавно было установлено, что он способен к взрыву даже сам по себе. Если же в тетранитрометане растворить горючие вещества, вроде бензола, толуола и т. п., то получаются очень сильные взрывчатые вещества. Однако такие растворы одновременно очень чувствительны к удару и к трению; поэтому они так опасны в обращении, что не получили практического применения.

Их опасность усугубляется тем, что горение таких взрывчатых веществ легко переходит во взрыв, что может привести к тяжелым несчастным случаям.

В Мюнстерском университете в Германии при чтении лекций по химии в течение ряда лет показывался опыт по пережиганию железной проволоки пламенем, имеющим высокую температуру и богатым кислородом.

Для получения такого пламени в качестве горючего применялся тетранитрометан с небольшой добавкой толуола. Этой смесью пропитывалась вата, набитая в железную трубку, закрытую с нижнего конца; поджигание производилось с открытого верхнего конца трубки. Обычно горение протекало спокойно, но на одной из лекций под конец опыта оно привело к сильнейшему взрыву. Железная трубка была разорвана, и осколки ее разбросаны во все стороны с огромной силой. Аудитория была переполнена студентами, и тридцать из них были поражены осколками, в том числе десять смертельно.

Известны соединения, подобные тетранитрометану, но с меньшим избытком кислорода, например, тринитрометан [СН(NO2)3], гексанитроэтан [С2(NO2)6], но они отличаются малой химической стойкостью и большой чувствительностью к удару и также не получили поэтому практического применения.

В 1847 году итальянский ученый Асканио Собреро, вводя глицерин в смесь азотной и серной кислот, получил тяжелую маслообразную жидкость, которая от нагрева или слабого удара взрывалась с большой силой. Это был нитроглицерин [С3Н5(ONO2)3]. Вскоре после открытия его стали применять в горном деле для взрывных работ. Однако жидкое взрывчатое вещество неудобно в обращении. Если шпур идет горизонтально или с уклоном вверх, то залить в него жидкость практически невозможно.

Чтобы сделать нитроглицерин более удобным в обращении, русский артиллерист В. Ф. Петрушевский в 1868 году предложил применять его в виде динамита, представлявшего собой смесь 75 проц. нитроглицерина и 25 проц. магнезии в качестве поглотителя. Для проведения опытов им было изготовлено в Кронштадте около 300 килограммов этого динамита, давшего при испытаниях хорошие результаты.

За рубежом натолкнулись на свойства некоторых порошкообразных веществ поглощать нитроглицерин с образованием взрывчатых смесей случайно. Нитроглицерин перевозился в жестяных банках, которые для предохранения от ударов ставились в ящики; дно ящиков и пространство между стенками ящика и банкой засыпали инфузорной землей — мягким минеральным порошком, представляющим собою микроскопические трубчатые чешуйки ископаемых инфузорий. Однажды банка дала течь и часть нитроглицерина из нее вытекла. Однако снаружи ящика он не появился. Оказалось, что инфузорная земля очень хорошо поглощает и удерживает нитроглицерин. Это ее свойство было использовано для изготовления динамита, первоначально состоявшего те 3 частей нитроглицерина и 1 части инфузорной земли. Такой динамит по внешнему виду похож на жирную огородную землю; в бумажных гильзах ею удобно вводить в шпур и нитроглицерин из нею не вытекает.

Одним из недостатков этого динамита является то, что нитроглицерин из него может вытесняться водой, это мешает его применению для взрывных работ под водой. Поэтому в дальнейшем были разработаны другие динамиты, в которых нитроглицерин превращен добавлением определенного сорта нитроклетчатки в густую тягучую желатину, на которую вода практически не действует. Наряду с «желатинированным» нитроглицерином динамиты обычно содержат селитру и древесную муку; это удешевляет динамит и уменьшает его дробящее действие, чрезмерно высокое для подрыва большинства горных пород.

Еще шире стали применять нитроглицерин, когда были разработаны пороха на его основе — нитроглицериновые пороха. Дело в том, что бездымный порох первоначально разработанного во Франции типа — пироксилиновый порох — при всех его преимуществах перед дымным порохом имеет серьезный недостаток, состоящий в сложности и длительности его производства.

В принципе сущность производства проста — надо растворить нитроклетчатку в подходящем растворителе (обычно применяют смесь спирта с эфиром, хорошо растворяющую некоторые виды нитроклетчатки), придать полученному густому тесту нужную форму и затем удалить растворитель. Однако последняя стадия производства требует много времени, несмотря на то, что сам растворитель очень летуч (спирт кипит при 78°, эфир при 35°). Если сушку пороха от растворителя проводить быстро, то на поверхности зерен пороха образуется корочка и удаление растворителя из внутренних слоев резко замедляется; кроме того, при быстрой сушке частицы пороха могут сморщиваться, теряя требуемую форму и размеры. Такой порох будет не пригоден для точной стрельбы.

Чтобы избежать этого, удаление растворителя ведут очень медленно, сначала осторожной сушкой (провялкой), потом вымочкой в воде, после чего порох вновь сушат для удаления воды и т. д. Особенно много времени требует удаление растворителя при орудийных порохах с толстыми частицами; длительность их изготовления может достигать 10 суток. Очень же толстые пороха, какие, например, требуются для некоторых реактивных снарядов, этим способом практически нельзя готовить.

Понятно, что при такой длительности изготовления производительность завода оказывается очень небольшой, и на нем скапливается огромное количество пороха, что вообще нежелательно, особенно же в условиях военного времени.

Все эти трудности были разрешены применением для растворения нитроклетчатки иного взрывчатого растворителя.

Удаление обычного растворителя вроде спирта-эфира необходимо в первую очередь потому, что он не взрывчат и, оставаясь в порохе, снижал бы его действие. Если же взять растворитель, который сам способен гореть за счет собственного кислорода с большим выделением энергии, то необходимость в его удалении отпадает. В качестве такого растворителя и был в свое время применен нитроглицерин, почему и пороха на его основе называются нитроглицериновыми бездымными порохами.

Изготовление таких порохов состоит в смешении нитроклетчатки с нитроглицерином, которое в целях безопасности и для получения максимальной однородности смеси производится под водой. После отжима воды из полученной смеси ее тщательно перемешивают при повышенной температуре. Эта операция производится путем пропускания массы через гладкие чугунные вальцы, обогреваемые изнутри горячей водой. При этом испаряется оставшаяся после отжима вода и благодаря повышенной температуре происходит растворение нитроклетчатки в нитроглицерине, рыхлая пороховая масса превращается в более или менее прозрачное буроватое «полотно». Обычно это полотно свертывают в рулоны и помещают в пресс, имеющий кольцевые (или иные) отверстия. Прессованием, которое тоже ведется для размягчения пороха при повышенной температуре, через эти отверстия выдавливается пороховая трубка. По охлаждении она становится более твердой и прочной.

Когда нужно получить порох в виде тонких пластинок, например, для минометов, то в прессовании нет необходимости и пороховое полотно прокаткой доводят до нужной толщины, а затем режут на маленькие квадратики.

Никакой дополнительной сушки нитроглицеринового пороха, как правило, не требуется и длительность всего процесса производства оказывается в несколько раз меньше, чем при пироксилиновом порохе; особенно велика разница во времени изготовления при зернах большой толщины.

У нитроглицеринового пороха есть серьезный недостаток, относящийся, правда, не к свойствам пороха, а к сырью, из которого он готовится. Дело в том, что нитроглицерин готовится из глицерина, а глицерин получается из жиров, обычно при действии на них щелочей — тогда образуются мыло и глицерин. Понятно, что во время войны, когда положение с продовольствием обостряется, использование пищевого сырья для производства порохов крайне нежелательно.

Выход из этого положения практически был найден во время второй мировой войны в виде замены нитроглицерина на сходное с ним взрывчатое вещество — диэтиленгликольдинитрат. Главным его преимуществом является то, что он готовится не из жиров, а из газа этилена, получающегося в больших количествах при переработке каменного угля и нефти. При этом порох на основе диэтиленгликольдинитрата не уступает по качеству нитроглицериновому, а в некоторых отношениях даже его превосходит.

Серьезные трудности в обеспечении порохового производства сырьем встречались также в отношении нитроклетчатки. Долгое время она готовилась только из хлопка, который представляет собой почти чистую клетчатку. Во время первой мировой войны в связи с ростом потребности в порохах и нехваткой хлопка, особенно в Германии, были разработаны способы получения достаточно чистой клетчатки из древесины. Из нее с тех пор и делают нитроклетчатку для бездымных порохов.

Важнейшую роль в изучении нитроклетчатки и ее использовании для порохов сыграли исследования гениального русского химика, творца периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Эти исследования привели к созданию нового, более совершенного вида бездымного пороха, так называемого пироколлодийного пороха.

В царской России открытие Менделеева ее получило признания и применения; оно было использовано на пороховых заводах США, производивших в значительных количествах пироколлодийный порох и даже поставлявших его России в годы первой мировой войны. Вклад Д. И. Менделеева в пороходелие этим не ограничился. Он предложил и ввел в производство новый способ обезвоживания нитроклетчатки, упростивший и обезопасивший этот процесс. Работы З. В. Калачева, Г. Г. Сухачева, А. В. Сухинского, А. В. Сапожникова и др. еще более способствовали дальнейшему усовершенствованию производства пороха в нашей стране.

Нитроглицерин как взрывчатое вещество отличается от тротила и других ароматических нитросоединений тем, что в нем кислорода ее только достаточно для полного сгорания углерода и водорода, но даже несколько больше. В связи с этим по количеству энергии, выделяющейся при взрыве, и, следовательно, по силе взрыва нитроглицерин значительно превосходит тротил (приблизительно в полтора раза).

Нитроглицерин и динамиты по сравнению с тротилом очень чувствительны и применять их для снаряжения боеприпасов, особенно же артиллерийских снарядов, нельзя. То же относится и к большинству других взрывчатых веществ, близких нитроглицерину по строению.

Однако одно вещество составляет исключение. Это тэн, как сокращенно называется пентаэритриттетранитрат (С5Н8N4O12), по внешнему виду — белый порошок, плавящийся при 140°. Будучи по силе взрыва близок к нитроглицерину, тэн обладает много меньшей чувствительностью к удару, а также большей химической стойкостью, что тоже очень желательно. Поэтому тэн оказалось возможным применить, правда обычно с примесями, понижающими его чувствительность, для снаряжения малокалиберных артиллерийских снарядов, а также в других боеприпасах, где требуется особенно сильное действие.

Наряду с тэном во второй мировой войне был применен в качестве взрывчатого вещества повышенной мощности циклотриметилентринитрамин (С3Н6N6O6) — сокращенно гексоген. Гексоген не уступает тэну по бризантности и фугасному действию и в то же время обладает несколько меньшей чувствительностью; он имеет также гораздо бóльшую химическую стойкость, приближаясь в этом отношении к тротилу.

Гексоген получается при действии азотной кислоты на уротропин, применяемый также в качестве лекарства.

Тэн и гексоген были использованы в военной технике впервые во время второй мировой войны. Это был значительный шаг вперед по сравнению с тротилом и смесями на его основе в деле повышения разрушительного действия взрыва.

Исследователи продолжают работу по получению новых взрывчатых веществ. Два главных мотива лежат в основе этих исследований. С одной стороны, хотя толуол вырабатывается промышленностью переработки каменного угля и нефти в больших количествах, но все же во время большой войны его может не хватить. В то же время, помимо толуола, из угля и нефти получают большие количества других химических соединений, из которых также можно получить взрывчатые вещества. Конечно, требуется, чтобы такие вещества были не хуже тротила по своим свойствам. Если бы удалось разработать рациональные способы их производства, то сырьевые ресурсы промышленности взрывчатых веществ резко увеличились бы. С другой стороны, пример гексогена показывает, что можно получить взрывчатые вещества, значительно превосходящие тротил по взрывному действию и в то же время достаточно стойкие и не очень чувствительные. Поэтому химики, работая над новыми взрывчатыми веществами, имеют в виду также и задачу превзойти тротил, а еще лучше и тэн и гексоген по взрывному эффекту.

Во время второй мировой войны внимание американских химиков привлекали два вещества — этилендинитрамин (С2Н6N4O4) и динитрат диэтанолнитрамина (С4Н8N4O8), получившие в США названия эдна и дина. Эдна может готовиться из этилена (С2Н4) и азотной кислоты различными, еще не вполне отработанными способами; таким образом, она имеет широкую сырьевую базу. В то же время эдна, по силе взрыва не уступая тетрилу, менее чувствительна к удару, что очень желательно для применения в боеприпасах. Дину также можно готовить, исходя из этилена, и по силе взрыва она значительно превосходит эдну. Однако дина имеет существенные недостатки — более низкую химическую стойкость и в известных условиях высокую чувствительность к удару, которые затрудняют ее широкое внедрение, как взрывчатого вещества.

Следует полагать, что эдна и дина не единственные и, вероятно, даже не лучшие из разработанных новых взрывчатых веществ; это видно хотя бы из того, что сведения об их свойствах и способах получения были уже опубликованы в открытой печати.

Во всех рассмотренных взрывчатых веществах энергия выделяется главным образом за счет окисления горючих элементов — углерода и водорода кислородом, подобно тому, как это происходит при горении; обычных топлив.

Существуют и такие взрывчатые вещества (некоторые из них применяются в технике), которые не содержат ни углерода, ни кислорода. При взрыве таких взрывчатых веществ тепло выделяется не в результате окисления кислородом, а за счет других реакций. Примером этих взрывчатых веществ может служить соединение азота с водородом, содержащее на один атом водорода три атома азота — азотистоводородная кислота (HN3).

Образование этого соединения из азота и водорода сопряжено со значительной затратой энергии — около 1500 больших калорий на килограмм кислоты. Соответственно этому распад азотистоводородной кислоты на азот и водород сопровождается большим выделением тепла и может протекать в форме взрыва.

Сама азотистоводородная кислота — жидкость с низкой температурой кипения (37 градусов), очень чувствительная к малейшим воздействиям, крайне опасна в обращении и поэтому не может применяться в качестве взрывчатого вещества. Практическое значение имеют соединения ее с некоторыми металлами, в первую очередь свинцовая соль азотистоводородной кислоты — азид свинца (PbN6), который является очень эффективным инициирующим взрывчатым веществом.

Более 20 лет назад проф. Солонина и инженер Владимиров разработали и внедрили у нас в производство безопасный способ изготовления азида свинца и снаряжения им капсюлей-детонаторов.

Реакция взрыва азида свинца представляет собой распад молекулы азида, состоящей из атома свинца и шести атомов азота, на свинец и азот и сопровождается так же, как и в случае распада азотистоводородной кислоты, значительным выделением тепла.

Таким образом, реакция взрыва может быть основана также на распаде химического соединения на элементы, если этот распад идет с большим выделением тепла.

Наконец, возможны и комбинированные случаи, когда наряду с распадом на элементы происходят и реакции окисления кислородом, содержащимся в молекуле того же соединения или в молекулах других составных частей взрывчатого вещества. Так именно обстоит дело при взрыве тетрила, гексогена и некоторых других взрывчатых веществ, образование которых из элементов происходит с поглощением энергий.

Обычный воспламенительный состав, применяемый в капсюлях-воспламенителях для огнестрельного оружия, содержит гремучую ртуть [Hg(ONC)2] и бертоллетову соль (КСlO3). При воспламенении состава, вызываемом ударом бойка, гремучая ртуть распадается со значительным выделением тепла, которое было затрачено при ее образовании из элементов; кроме того, тепло выделяется за счет окисления углерода, содержащегося в молекуле гремучей ртути, кислородом бертоллетовой соли, а также тем, который содержится в самой гремучей ртути.

До сих пор мы говорили о таких взрывчатых веществах, которые представляют собой определенные химические соединения. Однако на практике редко такие соединения применяются в чистом виде. Обычно к ним добавляют различные, небольшие по количеству, примеси, изменяющие их свойства в нужном направлении. Очень часто применяют такие примеси, которые снижают чувствительность взрывчатого вещества к удару, как говорят, флегматизируют взрывчатое вещество, не уменьшая при этом сильно его взрывное действие. Так, к тротилу, когда его применяют для бронебойных снарядов, добавляют воск, парафин, или такие малочувствительные взрывчатые вещества, как динитробензол; гексоген и тэн флегматизируют парафином, чувствительность пикриновой кислоты снижают, применяя ее не в чистом виде, а в виде сплава с динитронафталином.

Еще более широкое применение имеют такие взрывчатые смеси, в которых все или некоторые составные части в отдельности не взрывчаты или слабо взрывчаты. В последнем случае в состав смеси обычно вводят некоторое количество сильно взрывчатого вещества, облегчающего и убыстряющего прохождение взрыва в ней.

Из смесей, содержащих только невзрывчатые составные части, напомним дымный порох и оксиликвиты, о которых уже шла речь. За рубежом применялись также смеси из бертоллетовой соли (КClO3) и различных взрывчатых или невзрывчатых горючих, вроде керосина. При взрыве бертоллетова соль взаимодействует с горючим, отдавая ему свой кислород и превращаясь в хлористый калий (KCl). При этом выделяются газы (углекислота, пары воды) и тепло. Однако наряду с газами получается и много твердого вещества — хлористого калия. Это ослабляет действие взрыва по сравнению с теми взрывчатыми веществами (вроде оксиликвитов), которые при взрыве полностью превращаются в газы. Взрывчатые вещества на основе бертоллетовой соли не получили у нас применения главным образом из-за большой чувствительности к трению, делающей их опасными в применении.

В горной промышленности за рубежом, особенно в США, широко используются и до настоящего времени динамиты.

Динамиты имеют большую энергию взрыва и принадлежат к числу самых сильных взрывчатых веществ. До Великой Октябрьской социалистической революции они были основным типом взрывчатых веществ в горной промышленности России.

В СССР, где забота о безопасности труда стоит на первом месте, применение динамитов давно уже почти полностью прекращено из-за их относительно высокой чувствительности к удару и нагреву, которая делает динамиты опасными в применении.

Иначе обстоит дело в капиталистических странах. Стремление хозяев шахт и владельцев заводов взрывчатых веществ к получению максимальных прибылей, отсутствие заботы о безопасности рабочих тормозят прогресс и в области взрывного дела. До сих пор в горном деле там широко применяются динамиты. Из-за этого ежегодно гибнут и получают тяжелые увечья тысячи горняков.

Следует добавить, что уже давно, в 1867 г., почти одновременно с динамитами, были изобретены взрывчатые вещества другого типа — аммиачноселитренные взрывчатые вещества (аммониты), несравненно менее опасные, чем динамиты. Однако это открытие постигла та судьба, которая часто бывает уделом передовых изобретений в капиталистических странах. Нобель был заинтересован в первую очередь в получении наибольших прибылей от широко организованного им производства динамитов. Опасаясь конкуренции им со стороны аммиачноселитренных взрывчатых веществ, Нобель купил патент на эти вещества, положил его под сукно и этим задержал внедрение новых, менее опасных, взрывчатых веществ в промышленность на несколько десятилетий.

Наиболее широкое применение аммиачноселитренные взрывчатые вещества впервые получили в Советском Союзе, где нашими учеными были разработаны новые составы этого типа, с успехом заменившие динамиты в горных взрывных работах.

Аммиачноселитренные взрывчатые вещества, как и динамиты, являются смесями, но основу их составляет не чувствительный и опасный нитроглицерин, а аммиачная селитра.

Аммиачная селитра — белый кристаллический порошок, легко поглощающий влагу из воздуха, — получается при соединении азотной кислоты и аммиака и широко применяется в качестве основного азотистого удобрения. Аммиак готовится из азота и водорода[6] и является промежуточным продуктом при производстве азотной кислоты, получаемой окислением аммиака кислородом воздуха. Таким образом, исходными продуктами для получения аммиачной селитры являются вода и воздух, имеющиеся в неограниченных количествах, и размеры ее производства ограничиваются только мощностью заводов.

Давно уже стало известно, что аммиачная селитра даже сама по себе способна к взрыву. Это и не удивительно. Ведь в аммиачной селитре содержится и водород аммиака и кислород азотной кислоты; при их взаимодействии выделяется достаточно тепла и газов, чтобы реакция могла идти со взрывом. Однако сила этого взрыва невелика, так как в аммиачной селитре кислорода содержится значительно больше, чем его нужно для окисления водорода, и часть кислорода при взрыве остается неиспользованной. Если к аммиачной селитре добавить в тонко измельченном виде какое-либо вещество, содержащее много горючих элементов, например торфяную муку, муку сосновой коры, муку хлопкового жмыха и т. п., то углерод и водород добавленного вещества будут окисляться избыточным кислородом аммиачной селитры — получится дополнительное выделение тепла и увеличится сила взрыва. Такие взрывчатые вещества — динаммоны — имеют значительное применение в народном хозяйстве, особенно тогда, когда нужно экономить тротил.

Недостатком смесей аммиачной селитры с невзрывчатыми горючими вроде торфа является их трудная взрываемость. Чтобы вызвать взрыв динаммона, нужен сильный капсюль-детонатор. Для распространения взрыва диаметр патрона должен быть не слишком мал и динаммон должен быть рыхлым; в спрессованном состоянии он в обычных условиях не взрывается. Плохо — на малые расстояния — передается взрыв от патрона к патрону. Все эти недостатки смягчаются, если в качестве добавки к селитре применять такие вещества, которые не только содержат много горючих элементов, но и сами являются взрывчатыми. Чаще всего для этой цели применяется тротил; в нем, как уже отмечалось, горючих элементов имеется гораздо больше, чем может быть окислено кислородом, содержащимся в тротиле. В смесях с аммиачной селитрой тротил при взрыве сгорает полностью за счет своего собственного кислорода и избыточного кислорода аммиачной селитры, что увеличивает энергию взрыва. Помимо этого, тротил разлагается много быстрее, чем селитра, и таким образом повышает способность селитры к взрыву гораздо сильнее, чем торф или другие не способные к взрыву добавки.

Смешивая аммиачную селитру с тротилом в соотношении 80 : 20, получают порошкообразное взрывчатое вещество — аммотол 80 : 20, широко применяемый для снаряжения боеприпасов и в горном деле. В аммотоле содержится кислорода как раз столько, сколько нужно для полного окисления углерода и водорода; недостаток кислорода в тротиле возмещается избытком его в аммиачной селитре. Благодаря значительному содержанию в смеси взрывчатого тротила такая смесь легко и надежно взрывается в обычных условиях применения, в то же время она достаточно безопасна.

Эти свойства сохраняются, даже если снизить содержание тротила в смеси до 15–12 проц., заменив часть его тонкоизмельченным невзрывчатым горючим, например той же древесной мукой. Такие смеси значительно дешевле, чем тротил; кроме того, их можно применять также для взрывных работ под землей, в шахтах, где тротил не может быть использован, так как он образует при взрыве много ядовитой окиси углерода (угарного газа), отравляющей воздух шахты.

Особые и наиболее строгие требования предъявляются к аммонитам, применяемым в угольных шахтах. В этих шахтах, если они сухие, всегда имеется угольная пыль; кроме того, из угля выделяется горючий газ — метан. И пыль, и метан образуют в определенных соотношениях с воздухом смеси, способные к взрыву. Взрывы таких смесей, если они возникают, имеют особенно тяжелые последствия. Для предотвращения этих взрывов весь метан, выделяющийся из угля, посредством хорошей вентиляции разбавляют воздухом настолько, чтобы смесь утратила способность к взрыву. Можно также предупредить образование взрывоопасного пылевоздушного облака, увлажняя угольную пыль или покрывая поверхность выработки слоем негорючей пыли, а также другими способами.

Кроме этих мероприятий, во взрывоопасных угольных шахтах запрещается применять обычные аммониты, при взрыве которых образуются газы с высокой температурой, могущие вызвать взрыв метановоздушной или пылевоздушной смеси. Для взрывных работ в таких шахтах допускается применение только специальных аммонитов, в состав которых входят значительные количества поваренной соли, служащей для понижения температуры газов взрыва и уменьшения их способности возбуждать взрыв метановоздушных и пылевых смесей.

Применяя все эти меры, наша угольная промышленность добилась резкого повышения безопасности работ по добыче угля.

За рубежом, особенно в США, где существующие законы не обязывают шахтовладельцев принимать меры для предупреждения взрывов, техника безопасности стоит на очень низком уровне. Хозяева шахт часто не выполняют самых элементарных требований по обеспечению безопасности работы. Это приводит к тому, что на американских угольных шахтах несчастные случаи с большим числом жертв стали систематическим и массовым явлением. Так, за 13 лет, с 1930 по 1943 год, в угольной промышленности США, по данным официальной американской статистики, погибло 24 тысячи горняков, а общее число убитых, раненых и искалеченных составило 250 000.

Особенно увеличились несчастные случаи в США за последние годы. В марте 1947 года на шахте «Сентралия 5» в штате Иллинойс при взрыве погибло 111 горняков, а на шахте «Ориент 2» в Уэст-Франкфорте 21 декабря 1951 года при подземном взрыве газа было погребено 119 рабочих. Сам президент США вынужден был признать, что причиной взрыва было грубое нарушение шахтовладельцами правил техники безопасности.

Взрывы метановоздушных и пылевоздушных смесей происходили и в других странах, принимая иногда характер больших катастроф. Так на одной из шахт Франции взрыв угольной пыли, возникший от взрывных работ, производившихся без необходимых мер предосторожности, распространился на выработки общим протяжением более 100 километров; при этом погибли 1099 из 1664 горняков, работавших в шахте.

В шахте Гресфорд в Англии в 1934 году взрыв метана в угольной шахте привел к гибели 263 человек из 269, работавших в шахте. Взрывы газа и пыли в угольных шахтах с человеческими жертвами продолжают оставаться в капиталистических странах обычным явлением. Не проходит и дня, говорится в заявлении национальной федерации горняков Франции, без сообщения о катастрофах в угольных шахтах из-за пренебрежения со стороны шахтовладельцев к технике безопасности.

6. Применение взрывчатых веществ в народном хозяйстве

Самый старый и основной потребитель взрывчатых веществ в народном хозяйстве — это горная промышленность. При добыче полезных ископаемых их приходится отделять от массива в виде кусков таких размеров, которые удобны для погрузки и перевозки, а также для последующей обработки.

До XVII века эта работа производилась без помощи взрывчатых веществ. Рисунок 18, взятый из руководства по металлургии XVI века, показывает, как велась добыча руды 400 лет назад. В шахте разводился костер, который разогревал породу. Нагрев и последующее охлаждение вызывали образование трещин, которые облегчали отделение кусков руды. Это была крайне непроизводительная, тяжелая работа.

Рис. 18. Горные работы в XVI веке (Из книги Агриколы «О получении металлов» 1556 г.).

В настоящее время только добыча очень мягких пород, например песка или глины, производится без применения взрывчатых веществ, с помощью экскаваторов, скреперов и других машин. Сравнительно слабые породы, например, некоторые виды каменного угля, можно отделять от пласта при помощи отбойного молотка. Разработка более крепких пород требует уже более сильных воздействий, которые и получают при помощи взрывчатых веществ.

Применение взрывного метода резко снижает трудоемкость горных работ. На выломке каменной глыбы для Александровской колонны, установленной в свое время в Петербурге, работа производилась полностью ручным способом; этим делом было занято в течение двух лет 600 человек. Объем колонны в необработанном виде составлял 700 кубических метров. Всего было затрачено 160 000 человекодней, или 228 человекодней на каждый кубический метр породы. При самых же несовершенных способах взрывания затрата труда составляет лишь 0,4 человекодня на кубический метр, а при современных способах она может быть снижена до 0,008 человекодня.

Способы ведения взрывных работ разнообразны. Простейший из них — способ накладных зарядов. Как показывает само название, при этом способе заряд взрывчатого вещества просто накладывают на объект, который должен быть разрушен, например на валун (рис. 19), или закрепляют на нем сбоку. Способ накладных зарядов хорош тем, что не требует много времени для проведения взрыва. Основной же его недостаток заключается в очень большом расходе взрывчатого вещества; на кубометр разрушаемой породы его идет в 10–15 раз больше, чем при других способах, при которых заряд взрывчатого вещества помещается внутри разрушаемого объекта.

Рис. 19. Накладной заряд.

Малая эффективность этого способа обусловливается тем, что только в начальный момент газы взрыва производят сильное давление на разрушаемый объект, а затем вследствие расширения газов давление резко падает. Чтобы затруднить и замедлить это падение давления, на заряд обычно помещают так называемую забойку в виде куска сырой глины или другою материала (рис. 20); основное назначение ее — задержать расширение газов взрыва и усилить таким образом их разрушительное действие.

Рис. 20. Накладной заряд с забойкой.

В промышленных взрывных работах способ накладных зарядов применяют для дробления валунов при очистке от них полей и при дроблении слишком больших кусков породы, которые иногда могут получаться при ее добыче другими взрывными способами.

Наиболее распространенными являются способы, при которых в массиве делают углубление, заканчивающееся в том месте, где должен быть расположен заряд взрывчатого вещества. После помещения заряда свободную часть углубления — она должна быть не меньше одной трети его длины — заполняют песком, глиной и т. п., преграждая газам взрыва выход наружу. Таким образом, взрыв происходит в замкнутом пространстве, и действие ею от этого сильно возрастает.

Форма и размеры углубления могут быть различными. Так, например, при шпуровом способе (рис. 21) углубление имеет цилиндрическую форму, диаметр его составляет 30–50 миллиметров, а длина доходит до 5 метров.

Рис. 21. Шпур с зарядом взрывчатого вещества.

Шпуровой способ широко применяется при проведении подземных подготовительных работ и для откалывания добываемой породы, особенно в тех случаях, когда толщина ее пластов незначительна.

Однако этот способ, который до недавнего времени был единственным способом ведения промышленных взрывных работ, мало экономичен, так как требует большой затраты труда и средств на бурение шпуров.

Более совершенным в этом отношении является способ котловых зарядов (рис. 22). В донной части обычного шпура путем одного или нескольких последовательных взрывов небольших зарядов получают расширение, называемое котлом. Котел и часть шпура заполняют взрывчатым веществом; в остальном выполнение работы такое же, как и при обычном шпуровом способе.

Рис. 22. Способ котловых зарядов.

При таком способе затрата труда на бурение сильно сокращается, особенно при шпурах большой (до 9 метров) глубины. Потребность в рабочих-бурильщиках на одном из карьеров при переходе от шпурового способа к способу котловых зарядов сократилась в восемь-девять раз.

При работе шпуровым способом обычно взрывают одновременно несколько шпуров. Это дает наилучшее разрушение горного массива. При этом важное значение имеют правильное расположение шпуров относительно обнаженной поверхности породы, относительно друг друга, а также последовательность взрывания.

Для обрушения высоких уступов, имеющих отвесные стенки, применяют способ взрывания колонковыми зарядами (рис. 23). Вдоль края уступа пробуривают ряд вертикальных скважин глубиной, несколько превышающей высоту уступа. Заряд помещают в скважине в виде сплошной или прерывистой колонки (отсюда и название способа). Диаметр скважины, выбуриваемой в породе, гораздо больше, чем при шпуровом способе, — до 250 миллиметров; соответственно больше и глубина канала — от 10 до 30 метров. Заряды, как правило, взрываются одновременно, обычно электрическим способом.

Рис. 23. Способ колонковых зарядов.

При прокладке канала в крепком грунте на Вахшстрое в Таджикистане способ колонковых зарядов дал увеличение производительности труда почти в шесть раз по сравнению с обычным способом неглубоких шпуров.

Во взрывном деле применяются также способы массовых взрывов, при которых используются очень большие заряды — весом в тонны, десятки и даже сотни тонн. В зависимости от характера производимой взрывом работы различают взрывы на обрушение, на выброс и на сброс.

В первом случае массив породы разрушается действием взрыва, обрушивается за счет собственного веса, подвергаясь при этом дополнительному дроблению, и размещается вблизи забоя.

При взрыве на выброс порода выбрасывается за счет энергии взрыва, и в результате образуется выемка — траншея, канал, котлован.

Взрывом на сброс образуют площадки на косогорах и вскрывают пласты полезного ископаемого.

При взрыве на обрушение в нижней части массива проходятся горизонтальные штольни, заканчивающиеся одной или несколькими камерами. В этих камерах размещаются заряды взрывчатого вещества. После зарядки штольни заполняются забойкой. При взрыве порода в нижней части массива выбрасывается, а верхняя ее часть под тяжестью своего веса обрушивается в образованное взрывом пространство. Этот способ дает большую экономию в бурении — до 90 процентов — по сравнению со шпуровым способом.

При взрывах на выброс и на сброс применяют более сильные заряды, чем при взрывах на обрушение. Взрыв здесь должен не только разрушить и раздробить массив, но и выбросить раздробленную породу с достаточной скоростью, так, чтобы она двигалась расходящимся снопом и была бы поэтому разбросана в стороны от места расположения заряда. Для помещения зарядов при взрыве на выброс проходятся вертикальные углубления — шурфы, от которых отводят горизонтальные штольни, заканчивающиеся камерами для расположения зарядов (рис. 24). При одиночном заряде взрыв образует воронку (рис. 25), а при одновременном подрыве ряда зарядов — траншею. Выброшенный грунт образует гребни по ее бокам.

Рис. 24. Размещение заряда при взрыве на выброс.

Рис. 25. Образование воронки при взрыве на выброс.

Наибольшие в мире по масштабам и эффективности массовые взрывы были проведены в нашей стране в годы первых пятилеток.

При одном из крупнейших взрывов, произведенном на Урале близ Коркино 16 июля 1936 года по проекту и под руководством инженеров Папоротского и Селевцева, было взорвано одновременно 1808 тонн взрывчатых веществ. Взрыв должен был сбросить породу, закрывавшую залежи угля, чтобы дальнейшую разработку месторождения можно было вести открытым способом. В том месте, где было намечено произвести взрыв, мощный пласт бурого угля залегал на глубине около 20 метров. Было заложено 36 зарядов на глубину от 13 до 18 метров и на расстоянии до 30 метров друг от друга. Для закладки зарядов были вырыты колодцы, от которых на определенной глубине отводили короткую горизонтальную галерею, заканчивавшуюся зарядной камерой. Одновременный взрыв всех зарядов осуществлялся электрическим способом.

Точно в 12 часов по сигналу радиостанции г. Свердловска был включен рубильник взрывной сети. На фронте 900 метров мгновенно выросла стена земли (рис. 26). Вслед за тем с огромной силой вырвались взрывные газы, увлекая с собой размельченный грунт. Через 3–4 секунды газовое и пыльное облако заняло площадь до 2 квадратных километров и двинулось по ветру. Высота ею составляла около 400 метров. Высота выброса грунта доходила до 625 метров. Гигантское надвигавшееся облако, окрашенное образовавшимися при взрыве окислами азота в красно-бурый цвет, при ярком солнечном освещении представляло фантастическое и грозное зрелище.

Рис. 26. Взрыв близ Коркино (Урал).

Разрушительное действие воздушной взрывной волны, несмотря на большую величину заряда, было сравнительно незначительным. Так бывает всегда, если правильно рассчитан и заложен заряд; в этом случае максимально возможная часть энергии взрыва используется на совершение полезной работы. Кирпичные и деревянные строения, находившиеся на расстоянии 350–400 метров, не были повреждены. Разброс грунта не превышал 450 метров.

Чтобы определить границы разрушительного действия воздушной волны на различных расстояниях, были установлены деревянные щиты. На расстоянии до 500 метров с одной стороны и до 700 метров с другой щиты были опрокинуты.

Сотрясение грунта было весьма значительное. Люди, стоявшие от места взрыва на расстоянии 1250 метров, рассказывали, что столбы электросети закачались, как деревья при сильном ветре.

Колебания почвы были зарегистрированы сейсмическими станциями Свердловска, Москвы и Пулкова.

Взрывом в Коркино была образована траншея длиной 900 метров, шириной 85 метров и глубиной до 20 метров. Было выброшено 800 000 кубических метров грунта.

При таких больших взрывах очень важно знать зоны разрушений, которые возникают в районе взрыва под действием ударных волн, распространяющихся и в воздухе и в земле. Методы расчета этих зон были разработаны М. А. Садовским, М. Н. Косачевым и С. В. Медведевым, удостоенными за эту работу Сталинской премии за 1947 год.

Большой массовый взрыв был проведен по проекту и под руководством инженеров Богородского и Татарникова в 1949 году на строительстве одной электростанции. Для ее водоснабжения нужно было соорудить канал объемом около 240 000 кубических метров. Выполнение работы при помощи двух имевшихся на строительстве экскаваторов потребовало бы полутора — двух лет. Взрывным способом канал был построен в течение пяти месяцев.

При массовых взрывах иногда бывает целесообразно получить направленный преимущественно в какую-либо одну сторону выброс подрываемой породы. В таких случаях применяют направленный взрыв. Закладываются два ряда зарядов: первый ряд состоит из более слабых зарядов; при взрыве они дробят и подбрасывают вверх прилегающую массу грунта. Одной — тремя секундами позже взрывают второй ряд более сильных зарядов. Действием этого взрыва грунт, поднятый в воздух взрывом первого ряда, отбрасывается в какую-нибудь одну сторону.

Самый большой направленный взрыв был произведен для вскрытия Ирша-Бородинского угольного месторождения в 160 километрах от г. Красноярска. Взрывом, произведенным в четыре приема, была образована выемка глубиной около 20 метров, длиной 400 метров и шириной поверху от 85 до 125 метров. Было израсходовано 1860 тонн взрывчатых веществ. Всего при взрывах было выброшено 391 000 кубических метров породы. При этом на один борт выемки было выброшено 60, а на другой — 40 процентов породы.

В последние годы массовые взрывы были применены для новой цели — для мгновенного преграждения рек. Такие взрывы применяются главным образом для получения временных перемычек, необходимых, например, при сооружении плотин.

Для этого выбирают участок реки с одним или двумя обрывистыми берегами, что обычно бывает в местах поворота русла. В крутом берегу устраивают камеры для зарядов взрывчатого вещества. При взрыве породы берега ложатся на дно реки, образуя достаточно плотную перемычку, способную выдержать напор воды.

Вот как удалось обуздать разбушевавшуюся реку, используя массовый взрыв.

Весенний паводок на реке Ангрен в Узбекистане в 1948 году был очень бурным; количество воды было в несколько раз больше, чем обычно. Мощный поток воды хлынул в прилегающие арыки и овраги, переполняя их и вызывая обрушение берегов. В одном из ущелий глубиной до 25 метров обрушился правый берег арыка и перекрыл русло, преградив путь воде, которая, переливаясь через берег арыка, попадала в большой овраг, перегороженный в нижней части защитной дамбой. У этой дамбы образовался большой водоем, уровень которого стремительно повышался. Меры, принятые для наращивания дамбы, оказались недостаточными. Объем воды у дамбы скоро достиг 12 миллионов кубических метров. Прорыв ее привел бы к затоплению многих селений и обширных посевов денных культур. Катастрофа была предупреждена при помощи взрыва. Выше по течению было выбрано место, наиболее благоприятное для создания перемычки: крутой берег в месте изгиба русла. В этом берегу заложили 12 зарядов общим весом в 50 тонн. Взрыв перекрыл русло потока; вода из реки перестала в него поступать. Угроза наводнения была предотвращена.

Вблизи г. Намангана, в Средней Азии, река Кассансай часть своего пути течет по глубокому ущелью. Стоило только запрудить реку — и более подходящее место для водохранилища трудно найти. Но как это сделать быстро и дешево? Обратились к взрывникам. В узком месте ущелья было заложено 400 тонн взрывчатого вещества. Взрыв обрушил землю в реку на подготовленное заранее место, и она надежно преградила русло. Так было образовано водохранилище емкостью в 50 миллионов кубических метров.

Для устройства искусственных водоемов взрывчатые вещества используют и в районах освоения целинных земель. Десятки озер были созданы взрывным способом в этих местах.

Чтобы вырыть котлован одного степного озера свыше 100 метров длиной, 30 метров шириной и пятнадцать — двадцать метров глубиной, потребовалось только три дня, причем всю работу выполнил один взрывник с небольшой группой помощников. Для взрыва было израсходовано более двух вагонов взрывчатых веществ, которые были размещены в девяти камерах, образованных в донной части шурфов на глубине 6,5–7 метров. Сами камеры были сделаны не путем выкапывания земли, а последовательными взрывами небольших зарядов, что очень ускорило и удешевило работу.

Мы описали только одну из многих областей применения взрывчатых веществ в народном хозяйстве нашей страны — для откола, дробления и выброса породы. Но этим далеко не ограничивается их применение.

Взрывчатые вещества широко используются в дорожном и ирригационном строительстве. С их помощью, например, прокладывают дороги через болота, где жидкий грунт не выдерживает тяжести черпательных машин. Кроме того, выемка в таких местах быстро заплывала бы жидкой болотистой массой.

Работу начинают с разрыхления взрывами верхнего растительного покрова болота. Затем на разрыхленную трассу дороги укладывают плотный грунт, образующий насыпь. Под собственной тяжестью насыпь медленно опускается в болотистую почву, но не доходит до дна. При определенной глубине погружения под насыпью взрывают небольшие заряды взрывчатого вещества. Взрыв вытесняет болотистую массу из-под насыпи, и она опускается на плотное дно болота. После этого насыпь увеличивают и производят дополнительное взрывание зарядов по бокам ее (рис. 27). Этим болотистая масса вторично вытесняется по обе стороны полотна, и его основание принимает более широкую, устойчивую форму.

Рис. 27. Прокладка взрывным способом дороги через болото.

В торфяной промышленности применение взрывчатых веществ дает возможность значительно увеличивать добычу этого топлива.

Оттаивание торфяного массива начинается обычно в начале апреля, но протекает очень медленно. Даже в Московской области оно затягивается до середины июня. Мерзлота резко снижает производительность размывания торфа гидромониторами,[7] и самый лучший для добычи торфа весенний период не используется в полной мере.

С помощью взрывчатых веществ дробят смерзшийся торф на куски. Такие куски оттаивают за 2–3 дня вместо 2–21/2 месяцев.

В нефтяной промышленности взрывчатыми веществами производят так называемое торпедирование нефтяных скважин, переставших давать нефть. После подрыва заряда взрывчатого вещества на дне скважины она вновь начинает давать нефть. Таким путем возвращен в строй не один десяток, казалось, уже выработанных нефтяных скважин.

В последнее время взрывчатые вещества стали применять для открытия новых месторождений нефти и других полезных ископаемых.

Как это производится?

Заряд помещается на небольшой глубине в земле. Его взрыв вызывает в ней распространение волн наподобие тех, которые возникают при землетрясениях. Встречая на своем пути слои различных пород или жидкостей, волны отражаются от каждого из них по-разному. Отраженные волны, возвращающиеся на поверхность земли, записываются чувствительными приборами. По характеру этих записей и можно судить о том, есть ли в районе взрыва месторождения полезных ископаемых.

В металлургической промышленности к взрывчатым веществам прибегают в тех случаях, когда в доменных печах образуются «козлы» — глыбы застывшего металла, что бывает при нарушении нормальной работы печи. В еще горячем металле бурят углубления; в них помещают и взрывают один за другим маленькие заряды взрывчатого вещества. Заряды берут такой величины, чтобы их взрывы были достаточно сильны для откола кусков металла, но не повреждали печи.

Разрушение каменных строений, которые требуется иногда сносить при реконструкции городов, быстро и безопасно производится также взрывным способом. Опыт таких работ показывает, что при правильном расчете и размещении зарядов никаких повреждений соседних зданий и разлета осколков не бывает. Звук взрыва, который производится обычно ночью (чтобы не мешать днем большому уличному движению), бывает глухим и нерезким; часто жители близлежащих домов, просыпаясь утром, с удивлением обнаруживают, что одного из зданий по соседству нет.

Недавно взрывчатые вещества получили новое применение в промышленности — для клепки взрывным способом. Особое значение этот способ имеет в авиационной промышленности. При постройке современного тяжелого бомбардировщика приходится устанавливать около миллиона заклепок. Легко себе представить, сколько труда затрачивается на это при обычном способе клепки! При взрывном способе в цилиндрическом конце заклепки устраивается небольшой канал, в котором помещается маленький заряд специального взрывчатого вещества. После того как заклепка вставлена на место в склепываемых листах, к головке ее прикладывают нагретый металлический стержень. Стержень разогревает заклепку, и происходит взрыв заряда. Цилиндрический конец заклепки расширяется, и заклепка оказывается прочно закрепленной (рис. 28).

Рис. 28. Клепка взрывным способом.

Взрывной способ применяется и в сельском хозяйстве.

Известно, какую тяжелую и трудоемкую работу представляет корчевка пней, когда она производится вручную. При взрывной корчевке в почве у пня бурят углубление так, чтобы конец его оказался под пнем (рис. 29). В это углубление вводят заряд взрывчатого вещества и свободную часть углубления плотно засыпают землей. Взрыв не только вырывает пень из земли, но и в той или иной степени расщепляет его, облегчая последующее использование пня. Корчевка пней обычно производится не только для расчистки площадей лесосек, но и для использования получаемой древесины как топлива или как сырья для лесохимической промышленности.

Рис. 29. Корчевка пней взрывным способом.

При очистке дна Цимлянского моря нужно было выкорчевать громадное количество пней; некоторые из них были толщиной до 3 метров. Вырвать такие огромные пни из земли не могли самые мощные тракторы. Для корчевки были применены взрывчатые вещества, и сто пятьдесят тысяч пней за короткое время было удалено со дна будущего моря.

В горных районах при помощи взрывчатых веществ производят подготовку почвы под сады и виноградники. Взрывным способом быстро вырывают ямки для посадки деревьев; при этом рост деревьев, посаженных взрывным способом, идет быстрее, так как взрыв разрыхляет почву и, кроме того, некоторые продукты взрыва могут оказывать полезное влияние на рост дерева, действуя как удобрение.

Взрывным способом быстро роют канавы для орошения полей и осушки болот. Осушку болот можно производить также путем пробивания взрывом водонепроницаемого слоя, задерживающего сток грунтовых вод.

Интересно применение взрывчатых веществ в борьбе с лесными пожарами. Быстрая прокладка широкой просеки лучше всего преграждает путь огню.

При сплаве леса взрывным способом ускоряют задержавшийся в верховьях реки ледоход. Теперь даже не верится, что раньше в таких случаях лед пилили пилами.

С помощью взрывчатых веществ расчищают ледяные заторы и заторы леса при сплаве, а также очищают русла рек от камней, мешающих сплаву.

Взрывчатые вещества оказывают советским людям значительную помощь в освоении Арктики. Они используются там для преодоления ледяных полей, преграждающих путь судну, для дробления больших льдин при сжатии затертого во льдах корабля; подушка из мелкого льда вокруг корпуса корабля, образованная взрывами, смягчает напор льдов, делая его более равномерным и поэтому менее опасным для судна.

Так широко могут быть использованы и используются в народном хозяйстве взрывчатые вещества.

7. Атомный взрыв

Взрывы, которые мы рассматривали в предыдущих разделах, основаны на различных химических реакциях, идущих с выделением тепла, главным образом на реакциях горения.

Однако количество тепла, выделяющегося при этих химических реакциях, относительно невелико — наибольшая теплота взрыва современных взрывчатых веществ не превосходит 2000 больших калорий на килограмм.

В последние десятилетия учеными была открыта возможность осуществления реакций совершенно иного типа, чем обычные химические реакции, так называемых ядерных реакций.

Некоторые из этих реакций выделяют огромную энергию, в миллионы раз превосходящую наибольшее выделение тепла при химических реакциях.

Были найдены условия, при которых ядерные реакции могут протекать очень быстро. На этой основе и был осуществлен атомный взрыв. По количеству выделенной энергии, а следовательно, и по разрушительному действию такой взрыв в огромное число раз превосходит обычный взрыв.

Чтобы понять сущность ядерных реакций и отличие их от химических реакций, необходимо коротко рассмотреть современные представления о строении атома.

Рис. 30. Схематическое строение атома гелия.

Атом по своему строению имеет некоторое сходство с солнечной системой (рис. 30): он состоит из центрального ядра, чрезвычайно малого по сравнению с размерами атома, но имеющего большую массу; она составляет более 99,9 проц. всей массы атома. Ядро имеет положительный электрический заряд. Вокруг ядра на различных от него расстояниях движутся по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы — электроны. Заряд электрона является наименьшим известным электрическим зарядом и принимается за единицу. Число электронов в любом атоме в нормальном состоянии равно численно заряду ядра; поэтому атом электрически нейтрален.

Простейший атом — атом водорода — имеет заряд ядра, равный единице, вокруг этого ядра вращается соответственно один электрон; заряд ядра атома гелия равен двум единицам и вокруг него вращается два электрона.

Если атому сообщить тем или иным путем энергию, например, подвергая вещество действию света, то электрон перескакивает на орбиту, более далекую от ядра. Если количество поглощенной энергии достаточно велико, то электрон совсем отрывается от атома, который после этою уже имеет электрический заряд. Такой атом, потерявший электрон (или приобретший лишний электрон), называют ионом.

Когда два атома соединяются в молекулу, то часто это сводится к тому, что два электрона, расположенных на внешних орбитах, каждый из которых вращался вокруг своего ядра, теперь начинают вращаться вокруг обоих ядер, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. При этом обычно выделяется энергия. Эта энергия относительно невелика. Так, при соединении двух атомов водорода в молекулу на один грамм водорода выделяется 52 больших калории. Десятками больших калорий на грамм вещества измеряется также энергия, затрачиваемая на отрыв электрона от атома или иные превращения, связанные с изменением движения одного или нескольких наиболее удаленных от ядра электронов. Так, энергия, выделяемая при соединении одного грамма водорода с кислородом с образованием воды, равна 34 большим калориям.

Как и сам атом, ядро его (за исключением ядра атома водорода) также имеет сложное строение. Ядра атомов состоят из положительно заряженных частиц — протонов, заряд которых равен заряду электрона, и из частиц почти той же массы, но не имеющих заряда, — нейтронов. Масса нейтрона в 1838 раз больше массы электрона.

В ядрах атомов находятся в тесной близости друг от друга положительно заряженные частицы — протоны; несмотря на это, они не разлетаются, отталкиваясь друг от друга, как это свойственно частицам, имеющим одноименный заряд. Протоны и нейтроны в ядре сдерживаются ядерными силами притяжения, действующими между очень сближенными частицами.

Природа этих сил не вполне выяснена, но известно, что они огромны по сравнению с силами, удерживающими в атоме удаленные от ядра электроны. При этом величина ядерных сил различна у разных видов атомов.

Таких видов, отличающихся в первую очередь зарядом ядра и обычно также его массой (атомным весом), до недавнего времени было известно сто. Заряд ядра, равный единице, имеет водород, заряд в 26 единиц имеет железо, заряд в 92 единицы имеет уран. Силы, связывающие протоны и нейтроны в ядре, наибольшие у атомов со средними зарядами и массой ядра, вроде никеля, железа и т. п. У тяжелых атомов вроде урана они значительно меньше. Иначе говоря, если представить себе, что из протонов и нейтронов образуется ядро урана, то энергии при этом выделилось бы меньше, чем при образовании ядра железа, считая на одинаковые количества вещества.

Отсюда следует по закону сохранения энергии, что если происходит ядерная реакция, при которой ядра атомов большей массы, например урана, превращаются в ядра атомов средней массы, то должна освободиться большая энергия.

Точно так же с еще более сильным выделением энергии должно идти превращение легких ядер в ядра большей массы, например, ядер водорода в ядра гелия.

На реакциях первого типа основано устройство атомной бомбы, на второй реакции — водородной бомбы.

Обычно ядерные реакции идут очень медленно и на скорость их протекания влиять очень трудно. Поэтому заставить идти ядерную реакцию с той большой скоростью, которая необходима, чтобы получить взрыв, задача не простая.

Однако она была разрешена путем, очень сходным с тем, который уже давно был известен для некоторых обычных химических реакций.

Возьмем каплю нитроглицерина и будем ее держать при умеренно повышенной температуре, например при 100°. Нитроглицерин постепенно разложится, и взрыва не произойдет. Если же мы будем нагревать при той же температуре сто граммов нитроглицерина, то опыт закончится разрушительным взрывом. Объясняется это тем, что при медленном разложении нитроглицерина выделяется тепло, но, когда нитроглицерина взято мало, это тепло через поверхность капли успевает отводиться наружу; разогрева взрывчатого вещества почти не происходит.

Если же нитроглицерина взять больше, например, в тысячу раз, то и тепла будет выделяться в тысячу раз больше. Поверхность же нитроглицерина, через которую тепло отводится наружу, будет только в сто раз больше. Поэтому тепло не будет успевать уходить, температура нитроглицерина станет расти, скорость распада от этого тоже будет расти, что и приведет к взрыву.

Те, кто знакомы с сельским хозяйством, знают, что если недосушенное сено сложить в стог, то оно начинает нагреваться и этот разогрев может привести к загоранию. Если такое же сено лежит в небольших копнах, то разогрева не наблюдается, так как путь теплу из середины копны до ее поверхности гораздо короче и сама поверхность всех копен больше, чем в большом стогу. Объясняется это совершенно так же, как и в примере с нитроглицерином.

Оказалось, что путем увеличения количества вещества можно ускорить и некоторые ядерные реакции.

Известны некоторые элементы, ядра атомов которых претерпевают самопроизвольный распад. Это уран, торий, радий и некоторые другие радиоактивные элементы. Распад перечисленных радиоактивных элементов протекает очень медленно: радий распадается наполовину за 1600 лет, уран еще медленнее — за четыре с половиной миллиарда лет.

До недавнего времени не было известно никаких путей, чтобы ускорить радиоактивный распад; ни нагрев в доступных пределах, ни повышение давления не изменяют ею скорости. Однако такие пути были найдены. Дело в том, что при некоторых формах самопроизвольного распада тяжелых ядер, ведущих к образованию ядер более легких элементов, выделяются нейтроны. При поглощении такого нейтрона тяжелым ядром оно распадается, причем вновь образуются нейтроны. При этом при распаде каждого ядра выделяется не один, а два — три нейтрона. Поэтому, если все выделяющиеся нейтроны попадают в ядра и вызывают их распад, то число распадающихся ядер непрерывно и очень быстро растет, ядерная реакция самоускоряется и принимает характер взрыва.

Однако это происходит лишь в том случае, если количество взятого вещества превосходит некоторую критическую величину. Для урана 235,[8] например, это критическое количество, если заряд имеет форму шара, равно приблизительно одному килограмму; такой шар по размерам соответствует небольшому яблоку.

Если количество вещества взять меньше, то не все образующиеся нейтроны будут поглощаться ядрами; часть из них пролетит через вещество в окружающую среду, не успев попасть в ядро, размеры которого очень малы по сравнению с размерами атома. Таким образом, при малом количестве радиоактивного вещества взрыва не произойдет так же, как это было при разогреве малого количества нитроглицерина.

Это свойство ядерных реакций и используется для получения атомного взрыва. Атомный заряд состоит из двух или более частей, каждая из которых меньше критической, но сумма их превышает критическую массу. Части атомного заряда удалены на такое расстояние друг от друга, чтобы нейтроны каждой из них не могли заметно ускорять распад других. Когда нужно вызвать взрыв, части заряда чрезвычайно быстро сближают; при этом общая масса становится больше критической и это практически мгновенно приводит к взрыву.

Не все радиоактивные вещества способны давать взрыв при описанных условиях. Известны три таких вещества: уран с атомным весом 235, уран с атомным весом 233 и плутоний. Уран 235 и уран 233 являются изотопами элемента урана. Атомы урана, как и многих других элементов, существуют в виде нескольких разновидностей, которые называются изотопами. Изотопы одного элемента отличаются числом нейтронов, входящих в состав ядра; различны поэтому и атомные веса; число же протонов, а следовательно, и заряд ядра у них одинаковы. Так как число электронов, вращающихся вокруг ядра, равно заряду ядра, то число и расположение электронов в изотопах одинаковы, поэтому одинаковы и их химические свойства.

Природный уран состоит главным образом из изотопа с массой 238. Урана 235 в нем содержится только 0,7 проц. После разделения изотопов, что представляет собой трудную, но осуществимую задачу, уран 235 можно применять в атомной бомбе. Первая бомба, сброшенная американцами над Хиросимой, имела заряд из урана 235.

Плутоний получается из естественного урана в специальных аппаратах (так называемых атомных котлах); в этих аппаратах создаются условия для того, чтобы распад урана 235 шел достаточно быстро и чтобы нейтроны, образующиеся при этом распаде, захватывались частично ядрами урана 238. В результате этого уран 238 превращается в новый элемент — плутоний, который отличается по своим химическим свойствам от урана и поэтому легче может быть отделен от урана 238, чем уран 235. Плутоний был применен во второй атомной бомбе, сброшенной американцами над Нагасаки.

Уран 233 получается из тория, радиоактивного элемента, природные запасы которого в три раза превосходят запасы урана. При действии на торий нейтронов он превращается в уран 233, который может быть выделен химическими методами.

Чтобы приготовить атомную бомбу из указанных веществ, может быть применено устройство, схематически показанное на рисунке 31. Два полушария, составляющие атомный заряд, разделены полостью, из которой выкачан воздух. Поверх полушарий расположены заряды обычного взрывчатого вещества. При взрыве этих зарядов полушария атомного взрывчатого вещества чрезвычайно быстро сближаются, масса его становится больше критической и наступает атомный взрыв.

Рис. 31. Схема устройства атомной бомбы.

Атомная бомба, как мы уже указывали, основана на превращении тяжелых элементов в более легкие элементы, идущем с выделением энергии.

В основе водородной бомбы лежит соединение легких элементов с образованием более тяжелых. Известно применение для этой цели изотопа водорода — тяжелого водорода — дейтерия и сверхтяжелого водорода — трития. При их взаимодействии образуется гелий, причем выделяется огромное количество энергии: на килограмм трития в 7 раз больше, чем при распаде килограмма урана.

Тяжелый водород, масса ядра которого вдвое больше массы ядра обычного водорода, получается из тяжелой воды, содержащейся в обычной воде в количестве двух сотых процента. Тритий получается искусственным путем при действии нейтронов на литий.

Главная трудность при осуществлении водородного взрыва заключается в его возбуждении. Мы видели, что и некоторые обычные вторичные взрывчатые вещества нелегко взорвать — для этого нужен удар большой силы, создаваемый взрывом инициирующего взрывчатого вещества.

Чтобы вызвать реакцию соединения ядер тяжелого водорода с образованием гелия, нужна крайне высокая температура. До осуществления атомного взрыва такая температура на земле была недостижимой. Атомный взрыв и оказался своего рода инициатором для возбуждения водородного взрыва. Атомный заряд, дающий при взрыве температуру в миллионы градусов, способен вызывать взрывную термоядерную реакцию в окружающей этот заряд смеси тяжелого и сверхтяжелого водорода.

Величина заряда атомной бомбы ограничивается тем обстоятельством, что масса каждой из частей радиоактивного вещества, составляющих атомный заряд, не может превосходить критическую.

У водородною заряда это ограничение отсутствует, и величина заряда и сила взрыва водородной бомбы по этой причине могут быть гораздо больше, чем атомной.

Принципиальная схема устройства водородной бомбы изображена на рисунке 32.

Рис. 32. Схема устройства водородной бомбы.

Взрыв заряда обычного взрывчатого вещества сближает части атомного заряда и приводит к атомному взрыву. Под действием разогрева, вызванного атомным взрывом, тяжелый и сверхтяжелый водород вступают в реакцию друг с другом.

Действие водородной бомбы чрезвычайно сильное и во много раз превосходит действие атомной бомбы. По данным иностранной печати, в одном из первых наземных водородных взрывов наблюдалось образование воронки диаметром свыше полутора километров и глубиной более 50 метров. По-видимому, в современной водородной бомбе достигнут предел разрушительного действия применительно к обычным постройкам городского и сельского типа в том смысле, что дальнейшее увеличение заряда этой бомбы идет на усиление ее действия в вертикальном направлении, то есть вверх и вниз, и не приводит поэтому к увеличению площади разрушений. По этой же причине площадь разрушений от взрыва атомной бомбы получается больше, если она взрывается в воздухе на некоторой высоте, а не на земле. В последнем случае много энергии расходуется на ненужное расплавление земли и стен зданий в месте взрыва. Понятно, что сказанное не относится к сооружениям повышенной прочности или расположенным на большой глубине в земле.

Мы рассмотрели физические основы получения атомной энергии и осуществления взрывного ее использования. Какова же внешняя картина атомного взрыва, как он действует, что общего в действии атомного взрыва с взрывом обычных взрывчатых веществ и чем он от этого взрыва отличается?

Первое, что наблюдается при взрыве атомной бомбы в воздухе, это ослепительная вспышка, озаряющая небо и местность на десятки километров от места взрыва и видимая на расстоянии более 100 километров. Вслед за вспышкой появляется яркий огненный шар диаметром до нескольких сотен метров.

Через некоторое время, зависящее, как и при ударе молнии, от расстояния до места взрыва, раздается громоподобный мощный звук, слышимый на расстоянии нескольких десятков километров.

Огненный шар, быстро увеличиваясь в размерах, поднимается кверху и, остывая, превращается в клубящееся облако, которое соединяется с пылевым столбом, поднимающимся с земли, принимая при этом грибовидную форму (рис. 33).

Рис. 33. Грибовидное облако при взрыве атомной бомбы.

Облако поднимается все выше, и через несколько минут высота его достигает 10–20 километров, а диаметр нескольких километров. Постепенно облако рассеивается и теряет свою первоначальную форму. На пути, движения облака на земле осаждается радиоактивная пыль, выпавшая из него. В одном из опытных наземных водородных взрывов, как сообщалось в иностранной печати, огненный шар имел диаметр около 5 километров; через 2 минуты образовалось грибообразное облако высотою 13 километров.

Поражающее действие атомного взрыва обусловлено рядом факторов.

При атомном взрыве крайне быстро выделяется огромное количество энергии. Вследствие этого вещество заряда и его оболочка за ничтожные доли секунды превращаются в раскаленные газы. Температура и давление этих газов чрезвычайно высоки, в тысячи раз больше температур и давлений, достигаемых при взрыве обычных взрывчатых веществ.

Если взрыв произведен в воздухе, очень сильно разогревается также окружающий бомбу воздух.

Резкое повышение давления, возникающее вследствие быстрого разогрева продуктов взрыва и воздуха, вызывает в окружающем воздухе распространение ударной волны такого же характера, как и при обычном взрыве, но гораздо более сильной; она производит поэтому бóльшие разрушения и сохраняет свою разрушительную силу на бóльших расстояниях.

Вначале ударная волна распространяется со скоростью, в несколько раз превышающей скорость звука, — первый километр она проходит за две секунды. По мере удаления от места взрыва давление в волне и скорость ее перемещения падают. В конце концов эта скорость становится равной скорости звука.

На своем пути ударная волна может поражать людей, разрушать здания и сооружения; обычные кирпичные здания разрушаются при взрыве бомбы, по силе равной первой американской бомбе, на расстоянии до 2,5 километра от места взрыва. При этом ударная волна наносит поражения не только сама по себе, но и разлетающимися обломками разрушенных ею зданий и сооружений.

Однако поражающее действие атомного взрыва в отличие от взрыва обычных взрывчатых веществ не ограничивается разрушениями, вызываемыми ударной волной.

Вследствие крайне высокой температуры, достигающей миллионов градусов, продукты атомного взрыва и разогретый им воздух дают сильное световое излучение; по яркости своей это излучение во много раз превосходит яркость солнечного света. Это излучение продолжается несколько секунд и может вызывать обугливание и воспламенение горючих материалов и ожоги открытых частей тела человека даже на значительных расстояниях от места взрыва бомбы.

В зависимости от величины заряда атомной или водородной бомбы ожоги тела могут наблюдаться на расстоянии нескольких километров от места взрыва. На еще больших расстояниях световое излучение взрыва атомной бомбы может вызвать временную потерю зрения, а также ожоги роговицы и слизистой оболочки глаз, проявляющиеся через несколько часов после взрыва.

Далее при атомном взрыве возникает так называемая проникающая радиация — поток нейтронов и гамма-излучение, близкое по своей природе и действию лучам Рентгена. Эта радиация распространяется, как и свет, прямолинейно с огромной скоростью; она получила название проникающей потому, что в отличие от света проникает через толщу различных непроницаемых для нею материалов, ослабляясь однако с увеличением толщины преграды.

Действие проникающей радиации при атомном взрыве продолжается 10–15 секунд. При прохождении через тело человека проникающая радиация вызывает образование ионов в живых тканях; это может привести к особому заболеванию — лучевой болезни, более или менее тяжелому в зависимости от интенсивности радиации и длительности ее действия.

Наконец, при атомном взрыве образуются радиоактивные продукты распада. Помимо этого, радиоактивные продукты могут получаться при действии потока нейтронов на многие элементы, входящие в состав почвы, воды и пр.

Излучение радиоактивных веществ при значительной его интенсивности оказывает чрезвычайно вредное влияние на незащищенные органы человека. Поверхность почвы, вода, а также и воздух после атомного взрыва оказываются зараженными на более или менее длительное время радиоактивными веществами. При наземном или подводном взрыве это заражение распространяется на несколько сотен метров от места взрыва.

Предупреждение поражений от радиоактивных веществ затрудняется тем, что, в отличие от обычных отравляющих веществ, они могут не иметь ни запаха, ни вкуса, ни цвета; их присутствие обнаруживается лишь специальными приборами.

Кроме того, радиоактивные вещества нельзя уничтожить никакими дегазирующими средствами; их можно только механически удалить оттуда, где они образовались, например, снимая слой земли и откладывая его в сторону, смывая незараженной водой с кожи, стряхивая с одежды и т. д.

Однако по большей части образующиеся радиоактивные вещества нестойки; многие из них уже через несколько дней в значительной части распадаются, теряя таким образом свое вредоносное действие. Радиоактивные вещества, которые распадаются медленно, обычно оказывают более слабое действие и поэтому менее опасны.

Из сказанного ясно, что атомный взрыв обладает большим и более разносторонним поражающим действием, чем действие взрыва обычных взрывчатых веществ. При взрыве первой атомной бомбы над японским городом Хиросимой, примененной американцами без всякой военной к тому необходимости против мирного населения этого города, число убитых составило 70–80 тысяч человек, ранено было 70 тысяч; из 90 тысяч зданий 65 тысяч были приведены в негодное состояние, большинство других повреждены. По числу жертв взрыв над Хиросимой немногим уступает варварской бомбардировке Токио американской авиацией 9 марта 1945 г., когда с 280 самолетов было сброшено 1667 тонн обычных бомб; число убитых при этом превышало 80 тысяч, раненых 100 тысяч.

Одной из причин большого числа жертв взрыва первой атомной бомбы является полная неподготовленность населения города к защите от атомного взрыва и внезапность нападения, а также легкий характер значительной части построек в японских городах. Прочные каменные строения разрушаются от взрыва атомной бомбы гораздо меньше. Так, при взрыве атомной бомбы над Нагасаки в тюрьме, находившейся всего в 800 метрах от места взрыва, погиб лишь 31 человек из содержавшихся в ней 211 военнопленных.

Несмотря на большую разрушительную силу атомного взрыва, и против него существуют простые приемы защиты; применяя их, можно очень сильно уменьшить поражающее действие атомного взрыва.

Так, от ожогов, вызываемых световым излучением, предохраняет любой непрозрачный материал, даже ткани одежды, особенно если они светлой окраски и неплотно прилегают к телу. Поэтому, если человек в момент взрыва находится в укрытии, то действие светового излучения на него полностью устраняется; в укрытии уменьшается и действие ударной волны, а также проникающей радиации.

Эта радиация сильно поглощается различными материалами. Чем толще слой материала и чем больше его плотность, тем сильнее его поглощающее действие. Так, например, слой грунта толщиной 14 сантиметров снижает действие проникающей радиации в два раза, 100 сантиметров грунта в 100 раз; бетон толщиной 60 сантиметров уменьшает действие проникающей радиации в 100 раз.

Нужно иметь в виду также, что поражающее действие излучения происходит не мгновенно, а продолжается несколько секунд; чем дольше оно действует, тем больше и поражения.

Ударная же волна начинает действовать заметно позже, чем излучение. Поэтому, даже если человек в момент взрыва атомной бомбы находился вне укрытия и увидел вспышку взрыва, то еще не поздно защитить себя от сильных поражений. Для этого надо немедленно воспользоваться ближайшим, находящимся в двух — трех шагах укрытием — канавой, воронкой, пнем, танком и т. п., так, чтобы находиться в «тени» от взрыва (рис. 34, 35, 36). Если же укрытия рядом нет, то нужно немедленно лечь на землю лицом вниз, ногами в сторону взрыва, спрятав кисти рук под себя. В таком положении лицо и руки предохраняются от поражения световым излучением и ослабляется действие ударной волны.

Рис. 34.

Рис. 35.

Рис. 36.

От вдыхания радиоактивных веществ защищает обычный противогаз, а при его отсутствии следует дышать через какую-либо ткань, толстую или сложенную в несколько слоев и слегка смоченную водой.

Еще более действенными являются различные оборонительные сооружения, укрытия и убежища.

Таким образом, умелым и своевременным применением системы защитных мероприятий можно резко уменьшить поражения, наносимые взрывом атомной и водородной бомбы.

Совершенно несостоятельными являются надежды идеологов империализма на то, что применение атомного и водородного оружия якобы может решить исход войны. Не преуменьшая значения боевой техники в современной войне, советская военная наука указывает, что исход войны решают прежде всего люди, сильные духом, беззаветно преданные своей родине, вдохновляемые великими историческими целями, в совершенстве владеющие своим оружием.

С самого начала возникновения атомного оружия Советский Союз последовательно борется за запрещение применения этого оружия, как оружия массового уничтожения. Но совершенно очевидно, что пока империалисты не откажутся от применения атомного и водородного оружия, Советский Союз вынужден также иметь его, чтобы в случае нападения не оказаться безоружным. Учитывая угрозу военного нападения со стороны империалистических агрессоров, Советские Вооруженные Силы, располагающие атомным и водородным оружием, всегда находятся в боевой готовности дать сокрушительный отпор любым агрессорам.

Реакционные круги стран империалистического лагеря упорно отвергают благородную инициативу Советского Союза о запрещении атомного оружия и уничтожении его запасов; они пренебрегают при этом интересами своих народов, так как применение атомного оружия, как известно, наиболее гибельно для стран с большим населением и маленькой территорией, в которых промышленность и экономическая жизнь наиболее сильно сконцентрированы в крупных городах.

Одновременно с настойчивой борьбой против военного применения атомной энергии наша страна проводит большую работу по использованию ее для мирных целей. Советский Союз вынес всю тяжесть войны, и поэтому у нас позже других стран были развернуты работы по освоению атомной энергии. Несмотря на это, первая в мире промышленная электростанция на атомной энергии была создана в нашей стране и на очереди стоит пуск других, еще более мощных электростанций. Советский Союз оказывает всестороннюю помощь странам народной демократии в мирном использовании атомной энергии, научно-техническую и производственную помощь в создании научно-экспериментальных баз для развития исследований в области ядерной физики.

В 1955 году на Женевской конференции по применению атомной энергии в мирных целях советские ученые и инженеры поделились с учеными других стран опытом работы первой советской атомной электростанции и результатами исследований по использованию атомной энергии для решения ряда важнейших проблем промышленности и сельского хозяйства. Эти работы получили высокую оценку со стороны всех участников конференции.

Вдохновляемый великими задачами построения коммунизма советский народ при поддержке всего прогрессивного человечества твердо и уверенно идет по пути, предначертанному Коммунистической партией, и никакие атомные и иные угрозы зарубежной пропаганды не могут его запугать.

Заключение

Взрывы атомных бомб над Хиросимой и Нагасаки воочию показали, какая угроза нависнет над всеми народами мира, если величайшее достижение человеческого гения — овладение энергией атома — окажется в бесконтрольном распоряжении реакционных кругов воинствующего империализма.

Широко развернувшееся во всем мире движение народных масс в защиту мира, за безусловное запрещение атомного и водородного оружия, сотни миллионов подписей, собранных под воззваниями всемирных конгрессов в защиту мира, показали, что народы ясно сознают тяжесть угрозы атомной войны и полны решимости не допустить ее возникновения.

Во главе этого великого движения современности стоит наша страна, всецело поддерживаемая другими странами социалистического лагеря и всем прогрессивным человечеством.

Исходя из ленинского положения о мирном сосуществовании государств с различными социальными системами, СССР неустанно борется за смягчение напряженности в международных отношениях, за разрешение существующих разногласий мирными средствами, путем переговоров, без применения силы.

Правительства всех стран мира не могут пренебрегать страстным желанием народов сохранить мир.

Женевское совещание Глав правительств четырех держав, созванное по инициативе Советского Союза, сыграло важную роль в деле смягчения международной напряженности и наметило ряд дальнейших мероприятий в этом направлении.

Своими последующими действиями — значительным сокращением численности Вооруженных Сил СССР, отказом от своих прав на аренду военно-морской базы Порккала-Удд в Финляндии, предоставлением широкой информации о достижениях СССР в области мирного использования атомной энергии — наша страна внесла новый вклад в развитие отношений между странами в духе Женевы.

Одновременно с развитием мирного использования атомной энергии Советский Союз ведет настойчивую, упорную борьбу за запрещение атомного и водородного оружия, как оружия массового уничтожения, за заключение такого международного соглашения, которое обеспечило бы запрещение применения атомной энергии в военных целях и сделало бы возможным использование запасов атомных материалов для мирных целей.

В этой благородной борьбе наша страна получает поддержку передовых людей всего мира, борющихся за мир, сочувствие всего прогрессивного человечества.

Открытия различных способов использования энергии, выделяющейся при атомных и термоядерных реакциях, сделанные в нашей стране, создание у нас атомного и водородного оружия не изменили позиции СССР за безоговорочное запрещение его применения всеми странами, не ослабили нашей борьбы за мир. Направляя главное свое внимание на развитие использования атомной энергии в народном хозяйстве и в науке, советские ученые и инженеры успешно разрабатывают способы защиты от действия атомного взрыва и мероприятия по обеспечению высокой обороноспособности СССР.

Большие задачи стоят и успешно разрешаются советской наукой и техникой и в области использования энергии взрыва обычных взрывчатых веществ. Сила взрыва широко привлекается на помощь советским людям в их мирном созидательном труде.

Взрывчатые вещества заменяют тяжелый физический труд рабочих, сокращают сроки проведения работ. Они являются одним из самых эффективных средств механизации трудоемких и тяжелых процессов.

В соответствии с пятым пятилетним планом развития СССР и последующими решениями партии и правительства развернуты гигантские работы по строительству гидроэлектростанций, оросительных систем и каналов, промышленных предприятий, железных и автомобильных дорог, по освоению целинных и залежных земель, по добыче угля, нефти, торфа и руды. В выполнении этих работ, в облегчении труда рабочих и повышении его производительности умелое использование взрывчатых веществ — этих мощных аккумуляторов энергии — играет важную роль.

Перед советской взрывной техникой стоят большие, еще не решенные задачи.

Одной из таких задач является удешевление взрывчатых веществ. Дело в том, что в ряде случаев, например для земляных работ, можно применять не только взрывчатые вещества, но и различные машины — экскаваторы, скреперы и др. Выбор того или иного способа определяется тем, какой способ будет более экономичен. Чтобы взрывчатые вещества могли широко заменить машины, они должны быть дешевы. А для этого надо разработать и внедрить в применение такие взрывчатые вещества, которые состоят из широко доступных, дешевых составных частей и просты в изготовлении.

Основой наших взрывчатых веществ является аммиачная селитра; наряду с ней в состав взрывчатых веществ входят горючие добавки — обычно тротил. Однако известны взрывчатые вещества, содержащие вместо дорогого тротила другие добавки — торф, древесную муку, жмыховую муку, парафин, которые гораздо дешевле тротила.

Усовершенствование и широкое внедрение таких взрывчатых веществ значительно повысили бы экономичность и расширили бы применение взрывного способа.

Вполне целесообразно также увеличить применение взрывчатых веществ — оксиликвитов, которые обладают большой мощностью. Жидкий кислород производится нашей промышленностью в больших количествах, а такие горючие добавки, как торф, мох и др., дешевы и доступны. Правда, оксиликвиты имеют недостатки, — они опаснее аммонитов в обращении, так как легче взрываются от огня и удара, они отличаются непостоянством состава и действия. Но эти недостатки могут быть устранены или смягчены.

В Советской стране высоко ценится человек, и одной из главных задач, стоящих перед нашими учеными в любой области техники, а во взрывной технике в особенности, является дальнейшее повышение безопасности работы. Мы уже говорили, что в этом отношении наше взрывное дело стоит на первом месте в мире. В Советском Союзе уже давно не применяются опасные в обращении динамиты, которые заменены аммонитами.

В годы Великой Отечественной войны на основе работ Макеевского научно-исследовательского института по безопасности горных работ в угольную промышленность были внедрены новые виды взрывчатых веществ (из класса аммонитов), менее опасных при взрывных работах в шахтах, где могут образовываться взрывчатые смеси рудничного газа или пыли с воздухом. Однако и такие взрывчатые вещества полностью безопасны не при всех условиях применения. Кроме того, аммониты вообще сравнительно с динамитами обладают пониженным дробящим действием при взрыве. Поэтому задачей наших ученых является повышение взрывного действия аммонитов, а также дальнейшее увеличение безопасности взрывных работ в угольных шахтах.

Исследования советских ученых — академиков Н. Н. Семенова, Ю. Б. Харитона, профессоров Я. Б. Зельдовича, А. Ф. Беляева и других в области теории горения и взрыва открывают новые пути в решении перечисленных задач, и нет сомнения, что эти задачи будут успешно и быстро решены советской наукой и техникой.

Применение взрывного способа основано на действии огромного давления газов, образующихся при взрыве. Это действие направлено практически одинаково во все стороны. Однако в большинстве случаев нужным, полезным является только действие в некоторых направлениях. Например, при взрыве на выброс непосредственно полезными являются только подъем грунта на небольшую высоту и боковое его перемещение, что составляет очень небольшую часть всей работы взрыва. Поэтому мысль исследователей работает над проблемой направленного взрыва, над тем, чтобы заставить взрыв действовать преимущественно в определенном направлении и повысить тем самым коэффициент его полезного действия. Примером успешного решения этой задачи является использование кумулятивного эффекта в бронебойных боеприпасах. Однако кумулятивный эффект применен только в военной технике и для промышленных взрывных работ реального значения пока не имеет. Но этим эффектом не исчерпываются возможности направленного взрыва. Мы видели, что советские инженеры успешно осваивают способ массовых взрывов с направленным в нужную сторону выбросом. Несомненно, что это только первые шаги на пути к управлению взрывом, к повышению использования его действия.

Более глубокое и полное изучение процессов горения и взрыва — важнейшая задача и в деле совершенствования боевого применения энергии взрывчатых веществ. Степень использования энергии горения и взрыва в настоящее время далека от предела; современная наука и техника еще не овладели в полной мере умением регулировать свойства взрывчатых веществ и управлять процессами выделения их энергии так, чтобы получить наибольший метательный или разрушительный эффект. Так, например, основным взрывчатым веществом в боеприпасах до сих пор является тротил, хотя известны взрывчатые вещества вроде нитроглицерина, в полтора — два раза превосходящие его по энергии. Однако они слишком чувствительны к удару и имеют некоторые другие недостатки. Если бы удалось получить новые взрывчатые вещества с такой же энергией или же уменьшить чувствительность известных взрывчатых веществ без снижения силы их взрыва, то это позволило бы резко усилить действие боеприпасов. Точно так же и современные пороха по количеству энергии, выделяющейся при их горении, по закономерностям горения, а также по ряду других важных свойств (образование пламени при выстреле, разгар ствола орудия и т. д.) далеко не удовлетворяют растущих запросов артиллерийской техники. Развитие и совершенствование существующих порохов, а возможно, и разработка новых их типов подобно тому, как это произошло 70 лет назад, когда дымный порох был заменен современным бездымным порохом, открывают большие возможности повышения дальнобойности и эффективности стрельбы.

Напряженная творческая работа, которую ведут советские ученые и изобретатели в области производства и применения взрывчатых веществ, открывает новые, еще более широкие перспективы использования энергии взрыва для народного хозяйства и в деле укрепления обороноспособности нашей страны, уверенно идущей по пути постепенного перехода к коммунизму.

Содержание

Введение…3

1. Горение и взрыв…13

2. Три класса взрывчатых веществ…20

3. Устойчивость горения взрывчатых веществ…40

4. Мощность взрыва…42

5. Состав и изготовление взрывчатых веществ…58

6. Применение взрывчатых веществ в народном хозяйстве…80

7. Атомный взрыв… 96

Заключение…112


Примечания

1

Ф. Энгельс. Анти-Дюринг. Госполитиздат, 1953, стр. 156.

2

Чтобы легко плавящийся тротил не растекался при нагревании.

3

Чем ниже давление, тем меньше скорость горения пороха; порох в виде толстых частиц в этих условиях не сгорал бы до конца.

4

В давние времена порох изготовлялся в виде мелких округлых частиц; отсюда и возникло название частицы — зерно. По мере развития артиллерии, особенно же после изобретения бездымного пороха, пороху стали придавать форму лент, трубок, больших шашек и т. д., вес которых иногда превосходит сто килограммов. В силу известной консервативности языка даже такие огромные шашки в пороходелии попрежнему называют зернами. Да и само название «порох», то есть порошок, тоже, применительно ко многим видам современных порохов, утратило свой первоначальный смысл. Это же относится и к слову «стрелять» и к другим словам, имеющим тот же корень и возникшим в тот исторический, давно прошедший период, когда стреляли только стрелами.

5

Мы не касаемся здесь вопроса о возможностях использования атомной энергии, который рассматривается в 7-м разделе.

6

Водород получают из воды электролизом или другими способами.

7

Гидромонитор, или водомет, очень похож на всем известный брандспойт, применяющийся в пожарном деле. Из конусообразной, суживающейся к концу металлической трубки — гидромонитора — под действием мощного нагнетательного насоса с большой скоростью вырывается струя воды, которая разрушает грунт.

8

Ядро его в 235 раз тяжелее ядра атома водорода.