Страница 2 из 44
Однажды в Севастополе автор набрел на такое ядро (рис. 1.6). Чугун корродировал не насквозь, а медная втулка, смявшись при ударе (возможно — о камень), намертво закупорила его. После осторожного удаления ее, внутри был обнаружен сохранившийся черный порох. За почти полтора столетия он, конечно, слежался, но отколупываемые кусочки, после минимального просушивания, энергично «пыхали» с белыми облачками дыма. Если бы запальная трубка сработала как надо, ядро могло причинить неприятности защитникам севастопольских бастионов!
Во времена Крымской войны позиции черного пороха казались незыблемыми. Но робко появлялись на арене безобидные (пока!) вещества с негромкими именами. Гусман в 1788 г., подействовав на индиго азотной кислотой, получил краситель для тканей, изумительно желтого цвета — пикриновую кислоту. В том же году Гусман получил и первый фульминат — гремучее серебро, а позже — и гремучую ртуть. Оба фульмината взрывались от несильных ударов, также как и нитроглицерин, полученный в 1846 г. Собреро. Чувствительность этих веществ считалась чрезмерной, исключающей практическое применение. Также чересчур капризным считался пироксилин, полученный Шенбайном при нитрации ваты: был он нестойким, упорно сохраняя следы кислоты. Все же, горел пироксилин неплохо и его стали использовать, чтобы зажигать свечи на люстрах, а позже — для получения первой пластмассы — целлулоида…
…И вдруг обнаружилось, что нитроглицерин желатинирует пироксилин, образуя «пластмассу», нечувствительную к удару, горящую стабильно и не слишком быстро, а следы кислот в ней можно связать добавкой веществ-стабилизаторов. «Пластмассу» назвали баллиститом и она, как и полученный из нитроглицерина и пироксилина, но — с добавкой ацетона кордит, сразу показали свои преимущества перед «черняшкой», потому что:
— содержали баллистит и кордит почти втрое больше энергии;
— давали при сгорании намного больше газов и намного меньше — твердых остатков, засорявших при стрельбе механизмы оружия.
Габариты пушек заметно уменьшились, а стрелять они стали дальше и чаше. Но в новых пушках происходил известный процесс — горение[3], а вот в новых снарядах — ранее не известная детонация, которую возбуждал взрыв гремучей ртути в контакте с пикриновой кислотой.
Детонация тесно связана с ударной волной (УВ). Удар такой волны в XIX веке удалось ощутить немногим: тем, кто оказался близко от разряда молнии, в котором быстро расширялся нагретый током газ. а также тем, кто выжил после близкого разрыва крупного ядра с зарядом пороха. Правда, ту же УВ, но — ослабленную, выродившуюся в акустическую, многие слышали.
Пусть поршень начал двигаться в цилиндре с газом (рис. 1.7). Он чуть-чуть подожмет и погонит газ впереди себя, при этом по газу пойдет акустическая (звуковая) волна, скорость фронта которой равна скорости звука, а массе сжатого газа будет придана скорость поршня. Отметим, что в сжатом газе скорость звука больше, чем в несжатом. Пусть поршень прошел еще некоторое расстояние. Тогда следующая волна пойдет по уже сжатому газу и, значит, будет иметь большую скорость. Кроме того, сам сжатый газ движется со скоростью поршня и, следовательно, относительно цилиндра скорость второй волны равна сумме скоростей: поршня и увеличенной — звука. Эта сумма и подавно превосходит скорость первого возмущения. Поэтому вторая волна сжатия непременно догонит первую. Но перегнать се она не сможет, так как для этого ей пришлось бы перейти в несжатый газ, где скорость распространения опять равна начальной скорости звука. Обе волны сольются. Если поршень продолжит движение, он погонит впереди себя волну сжатия увеличивающейся амплитуды, которая образуется в результате слияния отдельных слабых воли. В слившихся волнах, как едином скачке уплотнения, будет расти давление — до произвольно больших значений, в зависимости от скорости поршня. Этот скачок — резкое, происходящее на расстоянии порядка длины свободного пробега молекул изменение параметров вещества — и называется ударной волной (УВ).
В УВ массовая скорость вещества (скорость поршня) всегда меньше скорости фронта. Чтобы продемонстрировать это, возьмем несколько карандашей и. оставляя зазоры равные их толщине (что будет моделировать двукратное увеличение плотности вещества при сжатии), разложим в ряд на столе. Затем начнем двигать крайний из карандашей. Выбрав зазор, этот карандаш толкнет соседний, тот, пройдя зазор — следующий и т. д. Заметьте, что «фронт» процесса (граница области, где находятся карандаши без зазоров между ними) всегда опережает любой из двигающихся карандашей. Чем больше сжатие (больше расстояние между карандашами), тем меньше различаются массовая скорость и скорость фронта, но отличие существует всегда.
УВ не только сжимает, она также и нагревает вещество. Из-за этого плотность сжатого вещества не становится сколь угодно большой при неограниченно большом давлении, а стремится к конечному пределу (воздух, например, сжимается не более чем в 6 раз). Предел ударного сжатия существует и для конденсированных веществ.
Но все это относится к субстанциям инертным, а ведь есть и такие, молекулы которых метастастабильны и распад их происходит с выделением энергии. Достаточно мощная УВ как раз и инициирует этот процесс: за ударным фронтом в нагретом веществе начинается химическая реакция. Вначале энергией этой реакции фронт может «подпитываться», ускоряясь при этом, но затем устанавливается равновесие. Такой процесс называется детонацией, а установившаяся скорость симбиоза УВ и химической реакции за ее фронтом — скоростью детонации, которая, для той же пикриновой кислоты, была для XIX века поистине «космической» — 7,2 км/с (при плотности 1,6 г/см3).
Понятно, что термодинамические характеристики вещества изменяются при протекании в нем реакции, но и с учетом этого явление детонации вполне возможно описать в рамках теории УВ:
скорость детонации относительно продуктов реакции равна местной скорости звука в продуктах реакции
УВ как явление, вызывающее детонацию упомянуто не случайно, именно таков основной механизм инициирования бризантных (дробящих) взрывчатых веществ (ВВ), таких как пикриновая кислота. Назвали их дробящими потому, что плотность кинетической энергии газов при детонации столь высока, что они дробят преграды на куда большее число осколков и метают их с большей скоростью, чем взрыв «черняшки». Однако, если небольшое количество бризантного ВВ поджечь, то, не находясь в ограниченном объеме, оно в отличие от черного пороха, спокойно горит. Это горение переходит в детонацию, если сопровождается повышением давления (как это было, например, в замкнутом сосуде — зарядном отделении торпеды на атомной подводной лодке «Курск», нагреваемом пламенем горящего двигателя другой торпеды). Но существуют и такие вещества, в которых горение быстро ускоряется за счет химической реакции и вне замкнутого объема, а переход в детонацию весьма быстротечен. Такие ВВ (например — те же фульминаты) называются инициирующими и служат они для возбуждения детонации в бризантных ВВ.
Мы рассмотрели стационарную детонацию с постоянной скоростью, но возможны и нестационарные режимы. Например, если кривизна детонационного фронта существенна, это может приводить к рассеянию или концентрации энергии. Сходящиеся детонационные волны (цилиндрические, сферические) движутся не с постоянной скоростью, а ускоряются по мере уменьшения радиуса. На достаточно малых радиусах энергия химической реакции вообще перестает играть существенную роль и возрастание параметров сжатия определяется только геометрическим фактором. Кстати, именно в сферически-симметричном случае возможно достижение экстремальных параметров ударного сжатия, хотя часто от даже имеющих дипломы технических вузов приходится слышать, что для получения наибольшего давления следует организовать «лобовое» столкновение тел. Видимо, тут сказывается юношеский опыт игры в футбол, при которой лобовые столкновения происходят часто, а сферически-симметричные — никогда.
3
Горение конденсированного вещества — химическая реакция, связанная с переходом вещества в газообразное состояние. При этом выделяется тепло и газообразные продукты догорают в гак называемой зоне горения, расположенной вблизи поверхности. Скорость горения определяется процессами диффузии и теплопроводности