ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА И ПОРОХА

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВАХ

Разрушающее действие средств поражения (СП) обусловлено энергией, выделяемой при быстром химическом или физическом превращении особой группы веществ, называемых взрывчатыми веществами (ВВ).

Химические ВВ представляют собой относительно неустойчивые в термодинамическом смысле системы, способные под влиянием внешних воздействий к быстрому выделению большого количества энергии в виде тепла и образованию сильно нагретых газов. Химические превращения ВВ, протекающие в чрезвычайно короткий промежуток времени, принято называть взрывными, а сам процесс превращения — взрывом.

Газообразные продукты взрыва в первый момент занимают объем заряда ВВ, при этом их давление достигает 15 000— 20 000 МПа. Затем они быстро расширяются, нанося при этом удар и совершая работу по разрушению или сотрясению окружающей среды.

В зависимости от скорости распространения взрывной реакции различают три вида взрывных процессов:

горение — скорость протекания взрывного процесса переменная и лежит в пределах от долей сантиметра до нескольких метров в секунду; процесс не сопровождается значительным звуковым эффектом и заметным механическим действием; в ограниченном объеме он протекает энергичнее, характеризуется более или менее быстрым нарастанием давления и способностью газообразных продуктов горения производить работу метания (горение является характерным видом взрывчатого превращения порохов);

взрыв — скорость протекания взрывного процесса переменная, измеряется тысячами метров в секунду; процесс характеризуется резким скачком давления в месте взрыва и ударом газов, вызывающим дробление и сильные деформации предметов на относительно небольших расстояниях;

детонация — взрыв, распространяющийся с постоянной максимальной для данного ВВ и данных условий скоростью; при этом с увеличением плотности заряда скорость детонации увеличивается, у ВВ, применяемых на практике; она лежит в пределах 3000—10 000 м/с.

В зависимости от области применения ВВ подразделяются на четыре группы:

инициирующие, используемые в капсюлях, электровоспламенителях, пиропатронах и других устройствах, предназначенных для возбуждения взрывчатого превращения зарядов бризантных ВВ, порохов и пиротехнических составов; характерная особенность инициирующих ВВ состоит в том, что для возбуждения их взрыва необходимо незначительное внешнее воздействие (удар, накол, нагрев и т. п.);

бризантные, которые служат в качестве разрывных зарядов боевых частей средств поражения и в подрывных средствах; в отличие от инициирующих ВВ они обладают меньшей восприимчивостью к внешним воздействиям, основным видом взрывчатого превращения бризантных ВВ является детонация, которая вызывается обычно действием взрыва инициирующих ВВ (в зависимости от состава бризантных ВВ различают однородные химические соединения и взрывчатые смеси);

пороха, используемые в качестве метательного средства в артиллерийском оружии, твердого топлива в ракетных двигателях, а также в вышибных зарядах кассетных боеприпасов и огневых цепях взрывателей; основным видом взрывчатого превращения порохов является горение (в зависимости от физической структуры пороха разделяются на две группы: смесевые и нитроцеллюлозные — бездымные);

Пиротехнические составы, применяемые для снаряжения пиротехнических средств (осветительных, трассирующих, дымовых, зажигательных и т. п.), представляют собой, как правило, механические смеси неорганических окислителей с органическими и металлическими горючими и цементирующими добавками; основным видом взрывчатого превращения этих смесей является горение. Однако многие из них при определенных условиях способны к детонации и обладают сравнительно высокой чувствительностью к внешним воздействиям.

Основными характеристиками ВВ являются: чувствительность, стойкость, теплота взрыва, фугасность и бризантность.

Чувствительность — способность ВВ к взрывчатым превращениям под влиянием внешних воздействий. Внешнее воздействие, результатом которого является взрывчатое превращение, называется начальным или инициирующим импульсом. Численной мерой чувствительности ВВ служит минимальная величина начального импульса, которая требуется для возбуждения их взрыва. Инициирование взрыва в заряде ВВ может быть произведено различными способами: нагреванием, механическим воздействием (ударом, трением), электрическим разрядом, энергией взрыва другого ВВ. В соответствии с этим различают следующие виды начальных импульсов: тепловой, механический, электрический, взрывной (детонационный).

Наибольшее влияние на чувствительность ВВ оказывают плотность заряда и примеси. С увеличением плотности заряда чувствительность уменьшается. Примеси, повышающие чувствительность, называются сенсибилизаторами. К ним относятся мелкое стекло, песок, металлический порошок и другие вещества, частицы которых имеют острые грани, обладают высокими твердостью и температурой плавления. Примеси, понижающие чувствительность ВВ, называются флегматизаторами. В качестве флегматизаторов ВВ применяются парафин, воск, вазелин и другие вещества, способные покрывать поверхность кристаллов ВВ тонкой эластичной пленкой.

Чувствительность является одной из важнейших характеристик ВВ, определяющей возможность и условия их практического использования.

Стойкость — способность ВВ сохранять свои свойства в условиях длительного хранения. Под действием влаги, колебаний температуры, химических превращений ВВ могут изменять свои физикохимические и взрывчатые свойства.

Взрывчатые вещества по своей природе являются химическими соединениями, относительно малоустойчивыми, поэтому в процессе хранения они неизбежно разлагаются. Изменение химической структуры зарядов ВВ можно обнаружить после нескольких лет хранения в обычных условиях, но скорость химического разложения ВВ сильно зависит от температуры заряда. При повышении температуры на 10°С скорость разложения увеличивается в два три раза.

Химическое разложение ВВ сопровождается выделением тепла, которое при высокой температуре заряда может явиться причиной так называемого теплового взрыва. Тепловой взрыв происходит, если скорость тепловыделения при реакции разложения будет превышать скорость отвода тепла во внешнюю среду.

Для оценки способности ВВ выдерживать действие высоких температур применяется специальная характеристика, называемая термостойкостью ВВ. Характеристикой термостойкости ВВ служит продолжительность пребывания заряда под воздействием определенной температуры без теплового взрыва. (При наружной подвеске СП на сверхзвуковые самолеты температура их зарядов за счет кинетического нагрева может достигать более 300°С).

Теплота взрыва — это количество тепла, которое выделяется при взрыве одного килограмма ВВ. Чем больше теплота взрыва, тем больше его разрушающее действие. У ВВ, применяемых для изготовления разрывных зарядов, теплота взрыва лежит в пределах 3,5—7,5 миллионов джоулей на килограмм вещества.

Бризантность—способность ВВ к местному разрушающему действию, которое является результатом резкого удара продуктов взрыва. Бризантное действие проявляется лишь на близких расстояниях от места взрыва, где давление продуктов взрыва достаточно велико. За счет бризантного действия происходит измельчение, пробивание или дробление среды, соприкасающейся с зарядом ВВ (в частности, дробление корпусов боевых частей на осколки).

Фугасность — способность ВВ к разрушающему действию за счет расширения продуктов взрыва до сравнительно невысоких давлений и прохождения по среде ударной волны. Фугасное действие проявляется в форме раскалывания и отбрасывания среды, в которой происходит взрыв.

Непосредственное воздействие продуктов взрыва на окружающую среду и находящиеся в ней предметы проявляется при взрыве в воздухе на расстояниях от центра взрыва, не превышающих 10—12 радиусов сферического заряда.

Воздействие продуктов взрыва на окружающую среду (воздух, вода, грунт) приводит к образованию в среде ударной волны.

Ударной волной называется область повышенных давления, плотности и температуры, распространяющаяся в среде со сверхзвуковой скоростью. Ударная волна образуется газообразными продуктами взрыва, которые, расширяясь, производят резкий удар (по воздуху, воде, грунту и т. п.). В результате такого удара прилегающий к заряду слой окружающей среды сжимается и, стремясь расшириться, сжимает следующий слой, затем следующий и т. д. Одновременно со сжатием в слоях среды происходит резкое повышение давления — скачок давления, и вся масса сжатой среды приходит в движение в направлении от центра взрыва. Граница, отделяющая невозмущенную среду от среды, подвергшейся действию ударной волны, называется фронтом ударной волны. Ударные волны возникают при взрыве только в сжимаемой среде (воздух, вода, грунт, металл и др.).

1.2. БРИЗАНТНЫЕ ВВ

Основными однородными бризантными ВВ, находящими применение в авиационных СП, являются тротил, тетрил, гексоген, октоген и тэн.

Тротил (тринитротолуол, тнт, тол)—кристаллическое вещество желтого цвета, которое хорошо прессуется и плавится при температуре +8ГС. Тротил практически не взаимодействует с металлами, химически стоек (может храниться десятки лет). Чувствительность к удару сравнительно невелика (при простреле пулей не взрывается), подожженный тротил на открытом воздухе сгорает без взрыва. В чистом виде тротил используется для снаряжения авиабомб и боевых частей ракет. Снаряжение боеприпасов обычно производится предварительно расплавленным тротилом путем его заливки. Тротил широко применяется в качестве плавкой компоненты в сплавах с более мощными ВВ.

Тетрил — кристаллическое вещество бледно-желтого цвета, хорошо прессуется, плавится со взрывом, чувствительность к удару и восприимчивость к детонации гораздо выше, чем у тротила. Тетрил применяется для изготовления дополнительных детонаторов и в составах капсюлей детонаторов.

Гексоген, октоген и тэн — кристаллические вещества белого цвета, хорошо прессуются, плавятся со взрывом. Отличаются от тротила высокой чувствительностью к удару и большей мощностью. Гексоген, октоген и тэн относятся к числу наиболее мощных ВВ, применение которых в чистом виде ограничено из-за высокой чувствительности к удару и невозможности, производить снаряжение простыми способами (заливкой).

Механическая смесь флегматизированного гексогена с алюминиевой пудрой обладает сильным фугасным и зажигательным действием. Повышенная фугасность действия смеси обусловлена алюминием, который после детонации вступает в реакции с продуктами взрыва (парами воды, углекислотой и окисью углерода), сгорая за счет содержащегося в них кислорода. Эти реакции сопровождаются выделением большого количества тепла (при сгорании 1 кг алюминия выделяется в семь с лишним раз больше энергии, чем при взрыве 1 кг тротила).

Выделенное избыточное тепло преобразуется в механическую работу, совершаемую продуктами взрыва, т. е. в период фугасного действия. При сгорании алюминия образуются раскаленные твердые шлаки окислов алюминия, которые обеспечивают зажигательное действие взрыва.

Сплавы тротила с гексогеном изготовляются введением в расплавленный тротил порошкообразного гексогена (температура плавления + 203,5°С), который находится в нем в виде взвеси. Сплавы по мощности превосходят тротил, значительно менее чувствительны, чем чистый гексоген, и обладают высокой восприимчивостью к детонации.

Для повышения фугасного действия взрыва в сплавы добавляют порошкообразный алюминий. Недостатком таких сплавов является повышенная чувствительность к удару и трению. Этот недостаток устраняется введением в сплав флегматизаторов, которые снижают чувствительность его до уровня чувствительности тротила, не оказывая при этом существенного влияния на мощность сплава.

1.3. ИНИЦИИРУЮЩИЕ ВВ

Группу основных инициирующих ВВ, нашедших применение в авиационных СП, составляют гремучая ртуть, азид свинца, ТНРС и тетразен.

Гремучая ртуть — кристаллическое вещество белого или серого цвета. Стойкость гремучей ртути сравнительно невелика, но достаточна для практики. В присутствии влаги легко взаимодействует с алюминием. За счет теплоты, выделяемой при этой реакции, может возникнуть взрыв. Поэтому составы с гремучей ртутью применяются в оболочках из меди или латуни, покрытых оловом. Гремучая ртуть является одним из наиболее чувствительных инициирующих ВВ, легко взрывается от незначительного удара. Применяется гремучая ртуть в смеси с горючими веществами и окислителями в составах капсюлей, срабатывающих либо от удара бойка, либо от накола жалом.

Наиболее распространенный ударный состав, применяемый в капсюлях—воспламенителях патронов артиллерийского оружия, представляет собой смесь гремучей ртути, бертолетовой соли и трехсернистой сурьмы (антимония). В этом составе гремучая ртуть является инициатором (воспламеняет состав при ударе бойка), бертолетова соль — окислителем, антимоний — горючим веществом, при сгорании которого воспламеняется пороховой заряд патрона.

Азид свинца — кристаллическое вещество белого цвета, химически стоек, чувствительность к механическим воздействиям в 2—3 раза ниже, чем у гремучей ртути. Азид свинца недостаточно чувствителен к лучу огня и к наколу, легко взаимодействует с медью, образуя при этом очень чувствительные к механическим воздействиям соли меди. С алюминием не взаимодействует и применяется поэтому в оболочках из алюминия. Ценным свойством азида свинца является его высокая инициирующая способность (в 5—10 раз выше, чем у гремучей ртути). Применяется азид свинца в капсюлях—детонаторах взрывателей.

ТНРС (тринитрорезорцинат свинца) — кристаллическое вещество желтого цвета, химически стоек, хорошо чувствителен к лучу огня. Чувствительность к удару в два раза ниже, чем у азида свинца. Особенностью ТНРС является высокая чувствительность к электрическим разрядам. Инициирующая способность ниже, чем у других инициирующих ВВ. Применяется ТНРС в комбинированных капсюлях—детонаторах, в пиропатронах и в капсюлях—воспламенителях.

Тетразен — кристаллическое вещество с желтоватым оттенком. Отличается высокой чувствительностью к лучу огня и удару. Инициирующая способность низкая. Применяется в накольных и ударных составах капсюлей.

1.4. ПОРОХА

В авиационных СП находят применение смесевые и нитроцеллюлозные пороха.

Смесевые пороха представляют собой механические смеси окислителей, горючих и связующих веществ. Простейшим смесевым порохом является дымный, или ч,ерный, порох, состоящий из калиевой селитры (окислитель), древесного угля(горючее) и серы (связующее вещество). Дымный порох изготовляется в виде отдельных зерен, легко воспламеняется от пламени и искры. Скорость горения пороха при нормальных атмосферных условиях равна 8—10 мм/с. При горении дымного пороха наряду с газообразными продуктами выделяется большое число раскаленных твердых частиц. Дымный порох весьма чувствителен к влаге. При влажности 2% трудно воспламеним, а при влажности 15% вообще теряет способность воспламеняться. В военной технике дымный порох применяется лишь для вспомогательных целей — в воспламенителях зарядов из нитроцеллюлозных порохов, в выщибных зарядах боеприпасов, во взрывателях и т. д.

К смесевым порохам принято относить также ракетные топлива, в которых окислителями являются нитраты и перхлораты (перхлорат аммония, нитрат аммония, перхлорат калия и др.), а к горючим связующим веществам — высокомолекулярные соединения: каучуки, пластмассы, смолы и т. п. Смесевые ракетные порох отличаются от нитроцеллюлозных порохов повышенными энергетическими характеристиками.

Нитроцеллюлозные пороха состоят из нитратов целлюлозы, растворителей, стабилизаторов, флегматизаторов, пламегасящих добавок и других компонентов.

Нитраты целлюлозы являются продуктом нитрования целлюлозы азотной кислотой. В составе пороха они играют роль источника энергии. Целлюлоза (клетчатка) содержится в хлопке (92—93%), древесине (50—60%), льне, соломе и т. п. В зависимости от процентного содержания азота нитраты целлюлозы подразделяются на пироксилины (азота свыше 12%) и коллоксилины. Характерным свойством нитратов целлюлозы является способность под воздействием растворителей образовывать пластичные системы. На этом свойстве основан процесс производства пороха, который заключается в переводе нитратов целлюлозы растворителями в пластичную массу и прессовании из нее пороховых шашек определенных размеров и формы.

В качестве растворителей при производстве порохов применяются: летучие растворители (смесь этилового спирта с этиловым эфиром и ацетон), труднолетучие растворители (нитроглицерин, нитродигликоль и др.) и нелетучие растворители (тротил, динитротолуол и др.). После изготовления пороха летучие растворители удаляются из него сушкой или вымачиванием.

Нелетучие и труднолетучие растворители не удаляются, а, оставаясь в порохе, играют роль (дополнительного к нитратам целлюлозы) источника энергии. Стабилизаторы служат для повышения химической стойкости пороха. В качестве их применяются дифениламин и централит. Флегматизаторы (камфара) вводятся в порох для уменьшения скорости горения, Пламегасящие добавки (канифоль, сульфит калия) вводят в состав пороха для устранения пламени при выстреле.

В авиационных СП применяются два типа нитроцеллюлозных порохов:

-пироксилиновые —для производства пороха используются пироксилин и летучий растворитель (спиртоэфирная смесь);

-баллиститные нитроглицериновые — для производства пороха используются коллоксилин и труднолетучий растворитель нитроглицерин.

Пироксилиновый порох применяется в качестве зарядов патронов авиационных пулеметов и пушек, а нитроглицериновый — в качестве твердого топлива ракетных двигателей. В процессе производства нитроцеллюлозным порохам придается определенная форма (пластинки, трубки, цилиндра и др.). В зависимости от формы порохового элемента его горение может быть прогрессивным или дегрессивным. При прогрессивном горении скорость газообразования по мере сгорания пороха растет, а при дегрессивном — уменьшается.

Скорость газообразования зависит от характера изменения поверхности порохового элемента в процессе горения, увеличиваясь с увеличением поверхности горящего пороха. В соответствии с этим пороха с увеличивающейся поверхностью горения называют прогрессивными, а с уменьшающейся поверхностью — дегрессивными. К прогрессивным порохам относится, например, цилиндрический семиканальный порох, к дегрессивным — кубический.