Константин Андреев - Взрыв
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 угля. Однако тонкое смешение участников реакции, которое необходимо, чтобы она могла протекать быстро, само по себе ещё 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?
Поднесём на короткое время к шашке тротила, вставленной в жестяной стакан[4]), 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, и реакция прекратится.
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. При 400 градусах химическая реакция в тротиле идёт так быстро, что тепла выделяется больше, чем его теряется вследствие теплоотдачи, и дальнейший разогрев слоя идёт сам по себе.
Однако, хотя реакция и быстрая, но идёт она только в тонком, нагретом пламенем слое, так как остальной тротил ещё холодный. В результате реакции образуются газы с высокой температурой. Они нагревают следующий слой тротила, вызывая в нём быструю реакцию. Этот процесс повторяется от слоя к слою, пока не сгорит весь тротил.
Нагрев слоя, вступающего в реакцию, происходит путём теплопроводности. Передача тепла теплопроводностью — довольно медленный процесс. В этом легко убедиться, погрузив, например, конец чайной ложки в горячий чай. Ощущение тепла дойдёт до руки только через несколько секунд.
Поскольку передача тепла при горении происходит медленно, то и скорость распространения горения мала. При горении с торца шашка тротила высотой 10 сантиметров сгорает за 15 минут.
Допустим теперь, что вместо того, чтобы поджигать тротиловую шашку, мы произведём по ней очень сильный удар, подобный тому, какой испытала бы шашка при попадании: в неё пули, но ещё более резкий. При таком ударе верхний слой тротила сожмётся и от сжатия сильно разогреется, подобно тому как разогревается поверхность наковальни от удара по ней молота. Вследствие высокой температуры в слое пройдёт химическая реакция. Скорость её 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 сожмёт соседний слой тротила. Сжатие вызовет в этом слое разогрев и быструю химическую реакцию. Таким образом, как и при горении, реакция, начавшись на поверхности шашки, распространится по ней последовательно, пока не прореагирует всё взрывчатое вещество.
Основное, качественное отличие взрыва от горения заключается в том, что при взрыве разогрев, вызывающий реакцию, передаётся 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 определённой скоростью и доходит до руки через некоторый промежуток времени. Однако этот промежуток времени слишком мал, и для нашего осязания момент удара и восприятия его рукой неразличимы, подобно тому как не различимы для глаза отдельные кадры кинокартины.
В тротиловой шашке 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 взрывающуюся шашку, нам покажется, что взрыв произошёл мгновенно и одновременно во всех её частях. На самом деле это не так: взрыв распространяется по взрывчатому веществу с определённой, 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 6,7 километра в секунду. Взрыв в тротиле распространяется в 20 раз быстрее, чем звук в воздухе, и в 9 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, тём больше дробящее действие взрыва.
Это действие можно ещё более усилить, направляя его на определённый, небольшой участок разрушаемого объекта, например брони, которую нужно пробить. Такое сосредоточение действия взрыва основано на явлении так называемой кумуляции (от латинского слова «кумуляцио» — увеличение), известном давно, но широко использованном впервые во второй мировой войне.
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, пробьёт 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 ещё сильнее, если коническая выемка имеет металлическую облицовку небольшой толщины. Тогда кумулятивная струя включает в себя тяжёлый металл, движущийся с огромной скоростью, и врезается в сталь, как нож в масло.
В дни Великой Отечественной войны снаряды, гранаты и мины с кумулятивным зарядом были с успехом применены для борьбы с вражескими танками, бронетранспортёрами и дотами.
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, зрения, а иногда и жизни — оплачивал своё открытие.
Некоторые взрывчатые вещества, открытые химиками, настолько чувствительны, что взрываются от малейшего прикосновения.
Примером такого вещества может служить иодистый азот — порошок чёрного цвета, образующийся при взаимодействии иода 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. Иодистый 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 иодистого 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 даёт при взрыве. Это относится не только к взрывчатым веществам. Зажечь дрова, например, легче, чем каменный уголь, хотя при горении угля тепла выделяется вдвое больше.
