Артиллерия для чайников. Часть 8. Взрывчатые вещества и пороха

Всё горяще-взрывающееся на протяжении всей истории было неотъемлемой частью артиллерии. Это метательные заряды, различные виды снаряжения снарядов, топливо ракет, трассеры и т.п. Сколько бы ни шла речь про рейлганы, но без порохов до сих пор невозможен ни один выстрел серийного орудия или пуск ракеты. Взрывчатые вещества — своеобразные аккумуляторы энергии, которые во взрыве или при сгорании отдают её во внешнюю среду, неся тепло и свет во внешний мир.

Часть 1. Задачи артиллерии.

Часть 2. Организация артиллерии.

Часть 3. Ствольная артиллерия.

Часть 4. Миномёты, гибриды и всякая экзотика.

Часть 5. Ракетные комплексы.

Часть 6. Боеприпасы ствольной артиллерии.

Часть 7. Устройство ракет.

Взрыв — вещь сложная. Он может быть и физическим, когда происходит разрушение окружающей среды из-за энергии межмолекулярных связей (например, разорвётся чрезмерно надутый баллон автомобильного колеса), либо химическим, в котором в ходе реакций выделяется внутримолекулярная энергия. Ну и ядерный взрыв — это физический процесс выделения энергии из атомов вещества. Нас интересует второй, который делают взрывчатые вещества (ВВ) — особое семейство соединений, в которых происходит очень быстрая самораспространяющаяся химическая реакция от внешнего воздействия.

Если реакция идёт в виде послойного теплового превращения, скорость которого (скорость горения) не превосходит скорость звука в этом вещества, то это быстрое горение. Такую реакцию можно сделать с любым кусочком взрывчатки. Если есть пространство, куда можно отвести газы, то быстрое горение идёт устойчиво. Но если реакция идёт под действием ударной волны, которая идёт со скоростью выше скорости звука в этом веществе, то это уже детонация. Эта скорость постоянна и называется скоростью детонации. Такое превращение возможно начиная с определённого размера заряда, разного для каждого вещества. Например, для аммиачной селитры без оболочки минимальный диаметр шашки 80-100 мм, для литого тротила — 32 мм, а для порошкообразного — 10 мм.

Химический взрыв (далее просто взрыв) можно характеризовать по:

• скорость взрывчатого превращения (Uв) — собственно, скорость детонации. Для сравнения, заряд пороха при выстреле из винтовки сгорает за 1,2 миллисекунду, а 0,4 кг тротила взрываются за 0,09 миллисекунды. Измеряется в м/с (у тротила — 6900-7100 м/с);
• количество выделяемой теплоты (Qв) — сколько энергии получится при взрывчатом превращении 1 кг вещества. При сравнении взрывчаток и мощностей взрыва, чтобы не путаться в джоулях энергии, за меру измерения берётся тротил с его 4187 кДж (принимается за 1). Отношение мощности взрывчатки к тротилу называется тротиловым эквивалентом (ТЭ). Для примера, 1 кг дымного пороха выделяет около 2380—2780 кДж (0,56-0,66 в ТЭ), а у старой японской шимозы — около 5000 кДж (1,2 в ТЭ);
• количество образующихся газов (Vв) — это то, что производит работу по метанию снаряда или разрушению цели. 1 л дымного пороха даёт 336 л газов, 1 л бездымного — около 1050 л (зависит от разновидности), 1 л тротила — 1104 л, а 1 л эдны — аж 1760 л;
• температура взрывного превращения (Tв) — сколько можно намерить во вспышке взрыва, обычно околок 3000-4000 град.

Отсюда сама по себе напрашивается классификация:

• инициирующие ВВ — вещества, имеющие высокую чувствительность способные в детонации в самых малых объёмах, чтоб от них сработал весь остальной заряд в боеприпасе. Это, например, гремучая ртуть, тетразен, азид свинца (последнему для детонации хватает шашечки в доли миллиметра);
• бризантные ВВ — вещества с не самой высокой чувствительностью и способные к детонации. Ими снаряжают основные заряды боеприпаса. К ним относятся тротил, A-IX-2, гексоген и т.п.;
• метательные вещества — собственно, пороха для метательных зарядов снарядов и топлива ракет, которые способны к быстрому горению;
• пиротехнические составы (ПС) — ВВ, которые горят ещё медленнее и могут использоваться для подачи сигналов и освещения (сигнальные ракеты, трассеры, осветительные снаряды), замедленной передачи огня в дистанционных взрывателях и т.п.

Тут появились два новых слова — чувствительность ВВ и бризантность. Чувствительностью называется возможность вещества взрываться под влиянием различных внешних воздействий (нагревание, удар, трение, прострел пулей и т.п.). Измеряется в проценте подрывов при испытаниях. Например, у тротила это 4-8%, а вот у тринитрофенола — ок. 24%. В бризантных ВВ чем ниже чувствительность, тем лучше, потому её снижают различными добавками. Также на это влияет температура (чем она выше, тем легче подрывать) и влажность (тут наоборот).

Чувствительность связана с безопасностью хранения и применения взрывчатки. С этим связано также понятие стойкости — способность продолжительное время сохранять свои взрывчатые свойства. У тротила с этим всё хорошо, а вот у более старых типов ВВ с этим проблемы. При хранении тринитрофенола могут образоваться пикраты, взрывающиеся от упавшего листа бумаги, а пироксилин способен вообще к самоподрыву.

Ещё сюда же можно отнести температуру вспышки — насколько минимально нужно нагреть ВВ, чтобы оно начало гореть, а инициирующие вещества ещё и детонировать.

Бризантность — это способность ВВ деформировать и дробить окружающие материалы на осколки. Замеряется по тому, насколько сожмётся цилиндр свинца высотой 60 мм от взрыва 50 г взрывчатки. Чем сильнее будет деформация — тем больше будет осколков от корпуса снаряда. У тротила это значение равно 16-18 мм, а у гексогена доходит до 22-24 мм. Всякие дешёвые заменители тротила типа аммотола имеют бризантность 12-13 мм. Зависит от скорости детонации — чем она выше, тем лучше бризантность.

И ещё одна характеристика взрывчатки, замеряемая по насилию над свинцом — фугасность. В свинцовый цилиндр закладывается 10 г изучаемого вещества и подрывается, а потом замеряется объём образовавшейся каморы. Это важно при разрушении укреплений, стрельбе внутрь зданий и сооружений, т.е. где объём ограничен. У боевой классики, тротила, фугасность равна 285-305 мл, у гексогена — 480-490, а у нитроглицерина — 520.

Инициирующие ВВ применяются в капсюлях и детонаторах для подрыва метательного или разрывного заряда. В патронах стрелкового оружия или малокалиберных автопушек для поджигания пороха имеются капсюли-воспламенители, во взрослой артиллерии — капсюльные втулки (которые в своём составе всё равно имеют капсюль-воспламенитель) или трубки (для лучшей инициации крупного заряда). При выстреле боёк клюёт по дну капсюля, вещество в котором взрывается и, если говорим про мелочёвку всякую, то огонь напрямую поджигает порох метательного заряда, а в крупных калибрах воспламенитель во втулке передаёт энергию на дополнительный заряд пороха, который уже и поджигает всё остальное.

Капсюли-детонаторы применяются для инициации основного заряда во взрывателях, которые, в свою очередь, подрывают основной заряд. И этих взрывателей… Очень много и описывать их можно бесконечно, потому прикреплю только схемку.

Есть другие методы поджигания метательного заряда: электрическим разрядом, трением. Для разрывного заряда способов чуть больше, появляются ещё механический и химический.

Бризантные взрывчатые вещества оцениваются по тротиловому эквиваленту и могут быть нормальной мощности (ТЭ около 1), повышенной (ТЭ более 1) и пониженной (в основном это промышленная взрывчатка, потому о ней речи не будет).

Во взрывчатках нормальной мощности лидирует тротил. Он же — тринитротолуол (в химии), он же — TNT (в США), он же — тол (в Англии). Наиболее удачный вариант в по совокупности характеристик мощности, бризантности, фугасности, чувствительности, стойкости и простоты производства. Аж с 1909 г. активно используется в артиллерии и сам, и в смеси с другими ВВ для снаряжения осколочных и фугасных снарядов, хотя были неоднократные попытки замены на что-то более мощное (например, A-IX-2 в СССР) или что-то малочувствительное (например, IMX-101 в США). За счёт технологичности и низкой чувствительности тротил используется даже в сгораемой части современных танковых гильз.

Взрывчатка повышенной мощности зачастую сложнее в хранении и производстве, потому и используется реже, особенно когда боеприпасы нужно выпускать в больших объёмах. Тут распространён гексоген (циклонит, RDX) с ТЭ 1,3. В чистом виде очень чувствителен, потому прессуется в каморы диаметром до 20 мм. В более крупных зарядах применяют флегматизаторы — вещества, снижающие чувствительность. У нас такая смесь называется A-IX-1. Более известна уже упоминавшаяся смесь с алюминиевой пудрой A-IX-2, использовавшаяся для бронебойных каморных снарядов среднего калибра и ОФС повышенного могущества. В США гексоген мешается в различными пластификаторами, получая знаменитые смеси (композиции) С-2, С-3, С-4.

Такие же проблемы с чувствительностью и ценой производства есть и у более редкого октогена (ТЭ 2,0, в США обозначается как HMX), ТЭНа (ТЭ 1,45, PENT, пентрит). Например, смесь октогена и тротила октол дороже сделанной на базе гексогена до 10 раз!

Отдельной группой находятся двухкомпонентные ВВ астролиты из жидких ракетных топлив. Имеет огромную скорости детонации до 9560 м/с, что превосходит тот же октоген (9157 м/с). ТЭ жидких астролитов — 2,0. Есть твёрдые варианты этих веществ, где ТЭ колеблется от 1,5 до 3,0, а скорость детонации — 7600-8600 м/с. Кроме того, в них используется крайне ядовитый гидразин, из-за чего можно даже без подрыва получить тяжёлое отравление. К счастью, сейчас эту гадость практически не найти.

Метательные взрывчатые вещества требуют совсем других характеристик, чем предыдущие. Они должны иметь низкую бризантность, а вместо детонации должно идти быстрое горение. Таким образом, получающиеся газы начинают совершать полезную работу по ускорению снаряда (и вредную по нагреву ствола).

Причём для разных калибров, длин стволов и типов выстрелов эта самая скорость должна различаться: чтобы эффективно использовать орудие, горящий заряд должен обеспечить как можно более равное давление на всём протяжении трубы. Да ещё и характеристики заряда должны быть предсказуемы при разной температуре. При этом дульная вспышка должна быть как можно меньше, т.е. процесс горения должен заканчиваться, пока ствол заткнут снарядом. По этой причине стрельба снарядами от пушки L55 танка Leopard 2A6 крайне нежелательна для 44-калиберной М256 Abrams'а, хотя оба этих орудия сделаны под один и тот же немецкий патрон 120х570.

Сейчас метательные вещества можно поделить на:

1) пороха — многокомпонентные композиции, состоящие из твёрдых частиц (зёрен), способные к равномерному горению параллельными слоями;

2) жидкие метательные вещества (ЖМВ) — фактически дозируемое ракетное топливо, используемое вместо пороха;

3) газообразные метательные вещества — то же, но с ещё более низкой плотностью.

Пороха же, в свою очередь, делятся на:

1) механические смеси (смесевые пороха) — простейшие композиции из нескольких веществ:

• дымный порох — старая-добрая смесь калиевой селитры, древесного угля и серы, используемая армиями уже более 1000 лет. В зависимости от содержания углерода в угле, выступающего в роли горючего, бывает чёрным (80-85%), бурым (70-75%) и шоколадным (52-54%). Зёрна в форме глыбок. При сгорании лишь 43% уходит на образование газов, совершающих полезную работу, остальное — в нагар.

Не смотря на имеющиеся недостатки, способен в сухом состоянии сохранять свои свойства десятки лет, но при влажности от 2% навсегда начинает терять свои свойства. При поджигании более 3 кг в закрытом объёме детонирует. Очень легко загорается от трения, особенно угольная пыль, из-за чего применяется до сих пор в капсюлях, воспламенительных и вышибных зарядах, огнепроводных шнурах.

• хлоратные и перхлоратный порох — смеси органических горючих, выступающих одновременно связующим, с неорганическим окислителем хлоратом или перхлоратом. Из-за малой усадки, устойчивого горения, долгого сохранения свойств при хранении, легкости поджигания и возможности производства толстой однородной шашки используются в качестве топлив для РДТТ.

2) нитроцеллюлозные (коллоидные или бездымные) — мощнее смесевого пороха до 3 раз, при этом практически не выделяют дыма, само горение довольно равномерно, а зёрна прочны и эластичны:

• одноосновные (пироксилиновые) — пороха, создаваемые на основе желеобразного пироксилина (до 92,5% от всего объёма зерна) с летучим растворителем, что испаряется при производстве. В виде желе вещество легко прессовать в виде лент, нитей и трубок, а потом получившиеся зёрна сушатся, из-за чего производство одной партии может занимать до 10-30 дней. Да и выделяемая энергия невысока, на уровне дымного пороха.

Есть вариант, называемые вискозным порохом, где сложный пироксилин заменён на целлюлозу самого низкого качества. В артиллерии применились во Второй Мировой в зарядах к миномётам. Возможно, вновь начали выпускать у нас с 2024 г.

• двухосновные (нитроглицериновые) — в них источником энергии выступают два вещества — основное топливо и труднолетучий растворитель. Бывают нескольких видов:

а) баллистит — сделан на основе источника энергии коллоксилина и растворителя с дополнительными веществами: флегматизаторами и пластификаторами. Очень быстро производится (всего 10 часов на партию), но из-за высокой энергии при сгорании быстро изнашивает ствол орудия, а при низких температурах зерна легко разрушаются. Да и производство опасно — нитроглицерин на ещё гадость.

По виду растворителя бывают нитроглицериновыми и дигликолевыми (с растворителем нитродигликолем). Из-за большого количества добавок (до 11,5%) могут сильно изменять свои характеристики и потому делятся на:

— низкокалорийные (2750-3350 кДж/кг);

— среднекалорийные (3350-4200 кДж/кг);

— высококалорийные (4200-6280 кДж/кг, но есть и более мощные образцы).

Большой разброс характеристик зависит от уже упомянутой температуры: холодный нитроглицериновый порох сгорает по 110 мм/сек, а горячий — аж 360 мм/сек. Для сравнения, пироксилиновый даёт ± 140 мм/сек.

б) кордит — английский порох на основе пироксилина, нитроглицерина и летучего растворителя ацетона. От него стволы горят ещё быстрее, чем от баллистита, и имеется милое свойство, названное британцами эскудацией — выпотевание нитроглицерина в определённых условиях, из-за чего хранить и использовать заряды становится опасным делом;

в) лаковые (эмульсивные) — по составу схожи с прочими нитроцеллюлозными порохами. Но основные компоненты сперва смешиваются с летучим растворителем, а потом распыляются в воде, получая на выходе сферические зёрна. Имеют равномерное горение и высокую плотность в заряде. Практически неприменимы для артиллерии.

• трёхосновные (нитрогуанидиновые) — вариант дигликолевого баллиститного пороха или кордита с добавлением третьего вещества-энергоносителя (нитрогуанидина) для повышения энерговыделения. В Англии их вариант получил название кордит N и кордит NQ.

Для того, чтобы как-то регулировать скорость горения пороха, используют вещества флегматизаторы и изменяют форму зерна. В самом простом виде зёрна порохов бывают в виде разнообразных чешуек, глыбок (если что, это реальное название частиц), эллипсоидов-сфероидов. Они используются в дымных порохах, сейчас — разве что в детонаторах и капсюлях. Более продвинутые формы (пластинки, диски, цилиндры, сфероиды) также устарели и не применяются в метательных зарядах. Сейчас используется форма длинного цилиндра с мелкими каналами. Горение такого зерна происходит максимально равномерно: пока внешний периметр уменьшается, внутренний увеличивается.

ВНИМАНИЕ! Подобно другим веществам, пороха со временем деградируют, т.е. их характеристики падаю, а чувствительно меняется. Применение стабилизатора повышает срок хранения до 20 лет, но дальше пороха начинают разлагаться. При этом они сперва покрываются жёлтыми пятнами, потом зеленеют, а под конец чернеют. Зёрна начинают слипаться, вздуваться, легко растираться пальцами. Начинают выделяться пары азота со специфическим запахом, ещё и немного нагреваясь сами по себе. Стрелять такими зарядами ОПАСНО, потому что вместо горения легко может произойти детонация, а на складе из-за выделяемого химическими процессами разложения тепла случится пожар.

Однако, есть и изначально чёрный бездымный порох — это графитированные мелкозернистые пороха, которые обрабатывают графитом, дабы при пересыпании мелкие частицы и пыль не наэлектризовалась, не слиплась и не воспламенилась от случайной искры.

Жидкие метательные вещества, они же ЖМВ, на первый взгляд имеют большой плюс в сравнении с обычными порохами: у них высокая энергетика и скорость истечения продуктов сгорания, что позволяет разгонять снаряд более 2000 м/с. 1 кг топлива (а фактически ЖМВ — это ракетное топливо) на основе керосина даёт более 40 МДж, на порядок выше баллиститных порохов! Давление в стволе распространяется равномернее, да ещё и меньше изнашивается канал и остаётся меньше нагара. Главное же в ЖМВ, это возможность точно дозировать массу заряда, позволяя осуществлять очень простую и эффективную корректировку по дальности.

И было бы всё идиллией, если бы не куча проблем:

• сложность заправки — нужны специальные машины и насосы с высокой степенью надёжности и герметичности, ведь эти ЖМВ зачастую крайне ядовиты;
• нужна сложна система подачи топлива в зарядную камору. Если у ракет с ЖРД она просто сложная, то для артиллерии требуется ещё и очень прочная система кранов и форсунок для обтюрации и турбонаддува для подачи веществ — давления в ракетном двигателе до 10 и более раз меньше, чем в каморе орудия. А ещё нужна отдельная система откачки ЖМВ в случае осечки или разряжания орудия;
• сложность смешения компонентов у двухкомпонентных ЖМВ. Фактически, в камору через форсунки поступает аэрозоль, вещества которого примерно равномерно должны смешаться. На практике это означает снижение кучности из-за непредсказуемости характеристик заряда. В опытных образцах времён Холодной войны доходило аж до разрыва стволов из-за скачков давления! Ситуацию можно попробовать облегчить применением заряда-воспламенителя, т.е. нужна третья ветвь подачи зарядов, но всё равно проблема остаётся;
• далее про двухкомпонентные ЖМВ — требуется отдельный бак с окислителем, объём которого для тех же топлив на базе керосина в 2,5 раза больше основного. Т.е. вместо одного грузовика снабжения надо будет посылать как минимум три;
• сложность хранения из-за быстрой деградации топлива и его ядовитости;
• снижение живучести техники, особенно при использовании самовоспламеняющихся компонентов;
• если использовать готовые заряды в гильзах, то потребуются дорогие коррозионностойкие материалы;
• интенсивный нагрев орудия.

Как видим, минусов столько, что лучше уж страдать с обычными порохами.

С орудиями на газах ситуация не лучше. Они ещё мощнее (водород может выдать до 120 МДж/кг), но имеют очень малую плотность и могут требовать криогенное оборудование. Но есть другой способ использования газов для метания: водород или гелий разогреваются либо сжиманием пороховым зарядом, либо электроразрядом, либо впрыском микроскопических разогретых керамических шаров. Давление в газе подскакивает, газ пробивает защитную мембрану и разгоняет снаряд. Это так называемые легкогазовые орудия. Они позволяют добиться скоростей до 7000 м/с, правда… для пульки массой около 2 г. Требуют очень мощных источников энергии и потому используются лишь в лабораториях.

Пиротехнические составы — смеси тонкоизмельчённого твёрдого топлива или жидкости и окислителем и различными добавками, что обычно помогают поддержать длительное постоянное горение и улучшать характеристики (например, поднять температуру пламени). Они делятся на:

1) ближнего действия — предназначены для обеспечения действий на дальности ближнего боя. Это:

• осветительные ПС. В них горючим выступает либо магний, либо алюминий с окислителями из чистого натрия или его перхлората, нитрата бария, перхлората калия и добавками для повышения яркости (люминисцентными);

• сигнальные ПС. Тут важно иметь разноцветную окраску сигнала, которая зависит от горючего из солей металлов. Натрий даёт жёлтый цвет, стронций — красный, барий — зелёный.

2) огневого действия — выступают средствами поражения или целеуказания, отличаются высокой температурой горения в разных средах.

• трассирующие ПС — нужны для корректировки стрельбы и целеуказания. Бывают видимого излучения для пуль и снарядов (на основе нитратов бария или стронция), видимого и ИК излучения для ПТУР и высотные трассеры на основе белого фосфора для создания дымовых полос самолётами и ракетами;
• зажигательные ПС (ЗС, огнесмеси) — для поджигания всего, что может гореть, а если не горит — то облить сей предмет и гореть самой огнесмеси. Вязкие ЗС сделаны на основе нефтепродуктов (например, напалм), легко растекаются по площади, долго и охотно горят, но температура горения невелика, до 900 град. Их можно металлизировать, добавив металлическое горючее и окислитель. Такая гадость горит и без доступа к воздуху. А есть твёрдые ЗС типа термита или кислородосодержащих солей в зажигательных снарядах. Радиус их воздействия невелик, зато температура достигает 2500 град;
• воспламенительные ПС — легкозагорающиеся вещества для инициации огнесмесей, РДТТ и осветительных составов. В артиллерии обычно это дымный порох.

Как видим, в артиллерии остро вопрос «чем бы взорвать, чем бы поджечь», главное тут — есть ли боеприпасы или нет и попадут ли они в цель. Об этом будет следующая статья.

Алексей Борзенков

Историческая группа коллектива авторов

Моя группа про артиллерийское и ракетное вооружение: https://vk.com/artillery333

Мой Телеграмм-канал.