Константин Андреев - Взрыв и взрывчатые вещества
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,
