Константин Андреев - Взрыв и взрывчатые вещества
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.
