ВВ Вещества,которые могут всё

В той или иной степени со взрывом знакомы все. Горняки и строители, геофизики и металлисты — представители многих мирных профессий успешно используют гигантские мощности и давле­ния, развивающиеся при взрыве. Много веков на­зад поставил человек на службу себе этот могу­чий и грозный процесс и до сих пор находит для него все новые и новые области применения.

К взрыву — резкому скачку давления, сопро­вождающемуся сильным механическим действием, могут привести самые разнообразные физические процессы: перегрев парового котла, мгновенное торможение быстро движущегося тела, извержение вулкана, сильный электрический разряд, быстрые реакции синтеза или деления ядер атомов. Но основной источник энергии взрыва — это химиче­ская реакция, а главный носитель этой энергии — взрывчатое вещество.

Что такое взрывчатое вещество и как возникает взрыв?

Представьте себе цилиндрический сосуд, ска­жем, прочную стальную трубу, заполненную ка­ким-либо веществом, в котором может идти хими­ческая реакция, сопровождающаяся образованием газообразных продуктов. К поверхности вещества подведена проволочная спираль.

Известно, что скорость почти всех химических реакций очень сильно увеличивается при повыше­нии температуры. Поэтому, если спираль накалена, в нагретом слое возникает быстрый процесс пре­вращения исходного вещества в конечные про­дукты. Реакция может идти двояко — либо с по­глощением, либо с выделением энергии. Если в первом случае охлаждение спирали приведет к быстрому затуханию реакции, то во втором — тепло накаленной спирали служит лишь неким началь­ным импульсом, роль которого сводится к прогреву поверхностного слоя и возбуждению в нем хими­ческих превращений. Дальше реакция пойдет сама, поддерживаемая теплом, выделяемым уже прореагировавшей частью системы. Единственное необходимое условие ее дальнейшего распростра­нения — это преобладани теплоприхода над поте­рями тепла в окружающее пространство.

Подобных реакций великое множество, в част­ности. к ним относятся все реакции горения. Взрывные — тоже.

Внимательный читатель мог заметить, что до сих пор мы совершенно не принимали во внимание заранее оговоренное условие, что продукты реак­ции в нашем примере газообразны. Действительно, если конец трубы открыт, газы свободно выходят через него и на процес горения никакого влияния не оказывают. Но если плотно закрыть трубу, то при поджигании давление в ней будет быстро расти. По реакционной массе со все возрастающей скоростью побежит резкий скачок давления — ударная волна. Она не только сжимает, но и разогревает вещество. Это происходит почти мгновенно. Скорость реакции все растет. Образую­щиеся горячие газы еще и еще «подталкивают» ударную волну, и тогда возникает детонация. Скорость этого процесса огромна: 8-10 километров в секунду. Давление газообразных продуктов при этом достигает сотен тысяч атмосфер.

Газ, находящийся под таким давлением, нано­сит по окружающей среде удар огромной силы. Стальная труба дробится на множество кусков, а в воздухе возникает взрывная волна, спо­собная произвести большие разрушения.

На практике детонация возбуждается не под­жиганием взрывчатого вещества, а ударной волной, возникающей при взрыве капсюля — детонатора.

Инициирующие и вторичные…

Капсюль-детонатор — это металлическая или картонная гильзочка, содержащая небольшой — менее грамма — заряд первичного или, как его обычно называют, инициирующего взрывчатого ве­щества. Это чрезвычайно опасные и чувствитель­ные химические соединения, которые легко дето­нируют при очень слабом воздействии. В их задачу не входит перемещение тысяч тонн грунта или разрушение скал. Они должны лишь возбудить бурное взрывное превращение в массе вторичного, уже непосредственно работающего, взрывчатого вещества.

Вторичные взрывчатые вещества, как правило, несравненно более инертны и безопасны. Так, пи­криновая кислота, одно из самых важных взрывча­тых веществ прошлого, долгое время применялась только как желтый краситель шерстяных и шелко­вых тканей. Взрывчатое вещество № 1 — тротил, эталон, в сравнении с которым определяют работо­способность любых зарядов, в том числе и ядерных, в обычных условиях горит ровным спокойным пла­менем. И только интенсивные ударные нагрузки могут привести к детонации этих соединений.

Главные требования к вторичным взрывчатым веществам: большая мощность, безопасность при хранении и транспортировке и как можно меньшая стоимость. Последнее требование становится все важнее по мере того как растут масштабы приме­нения взрывчатых веществ.

Главное — не масса а диаметр

И еще одно условие должно обязательно соблю­даться при изготовлении зарядов из взрывчатых веществ. Для распространения детонации необхо­димо, чтобы диаметр заряда был не меньше неко­торой строго определенной для каждого вещества величины. В противном случае газообразные продукты будут разбросаны в стороны раньше, чем реакция дойдет до конца, давление снизится, и де­тонация затухнет. Такие критические параметры, т. е. условия, при небольшом изменении которых взрыв становится невозможным — почти непремен­ный спутник всех взрывных процессов. Вспомним, например, что и ядерный взрыв возможен лишь в том случае, если масса радиоактивного «горюче­го» превышает некоторое критическое значение.

Зона первоначального возникновения реакции при возбуждении детонации также должна быть достаточно большой. Иначе выделившаяся энергия не сможет возбудить реакцию в следующем слое вещества. Вот почему частицы с очень высокой энергией, но малых размеров — космические лучи, радиоактивное и рентгеновское излучение — как правило, не вызывают ни детонации, ни горения большинства взрывчатых веществ.

Подведем итог. Для того чтобы вещество можно было отнести к разряду взрывчатых, оно должно быть способным к быстрой химической реакции, сопровождающейся выделением тепла и образова­нием газообразных продуктов.

В зависимости от абсолютных значений этих ве­личин определяются критические условия детона­ции того или иного вещества — критический диа­метр заряда и минимальный инициирующий им пульс.

Окислитель плюс топливо

Из распространенных химических реакций лучше всего удовлетворяют условиям взрывчатости реакции окисления. Они достаточно экзотермичны; если горючим является органическое вещество, то в продуктах реакции много газов (СО, СО₂, пары воды); наконец, можно достичь и большой скорости реакции, если тщательно смешать и привести в тесный контакт горючее и окислитель.

Очень простое и мощное взрывчатое вещество — ОКСИЛИКВИТ — получают, заливая жидким кис­лородом пористое порошкообразное горючее — дре­весные опилки, торф, активированный уголь. Но применять жидкий кислород для изготовления взрывчатых веществ не очень удобно: он быстро испаряется, и заряд теряет способность взрываться. Гораздо удобнее использовать для этой цели ка­кой-нибудь твердый окислитель, например, соли азотной (НNO₃) или хлорной (НCl₄) кислоты. Две из таких солей —NаNO₃ — натриевая (или чилий­ская) селитра и, особенно, КNO₃ — калийная се­литра — применяются для изготовления взрывча­тых веществ в течение многих сотен лет. На их основе получали, а на основе калийной селитры и сейчас еще получают черный порох — первое взрыв­чатое вещество, примененное человеком.

В последние десятилетия при изготовлении взрывчатых смесей горючего с окислителем особую роль приобрела аммиачная селитра — NH₄NO₃. При взрыве она дает больше газообразных продуктов, чем КNO₃ или NаNO₃, и, кроме того, смеси на ее основе легче детонируют.

Смеси аммиачной селитры с горючим — ДИНАММОНЫ — в нашей стране стали применять еще в тридцатых годах. А когда началась война, и производство взрывчатых веществ других типов было направлено на удовлетворение нужд фронта, почти вся наша горная промышленность работала только на динаммонах.

Смеси аммиачной селитры с жидким горючим — дизельным топливом и другими нефтепродукта­ми — широко используются сейчас в горнорудной промышленности многих стран. Легкость смешения жидкого топлива с селитрой привела к тому, что предприятия стали сами изготовлять такие смеси, используя простые по конструкции стационарные или самоходные смесители, а иногда просто зали- ван в мешок с селитрой необходимое количество горючего.

Динаммоны очень дешевы, но их реакционная (а следовательно, и детонационная) способность сравнительно низка из-за недостаточно тесного контакта горючего с окислителем. Ведь в каждой даже мельчайшей крупинке селитры содер­жатся миллиарды молекул, и многие молекулы, на­ходящиеся внутри крупинок, могут так и не всту­пить в реакцию с горючим. Поэтому критический диаметр детонации таких смесей велик — порядка нескольких сантиметров и более. Для надежного возбуждения их взрывчатого превращения тре­буется мощный начальный импульс в виде допол­нительного детонатора.

Идеальный, но недостижимый для любых меха­нических устройств способ смешения горючего с окислителем — это введение способных взаимодей­ствовать атомов в одну и ту же молекулу. Во взрывной технике такой прием используется чрез­вычайно широко. Основная масса современных взрывчатых веществ — это химические соединения, в молекулах которых вместе находятся и горю­чее — атомы углерода и водорода — и окислитель — кислород. Для того, чтобы кислород мог соединить­ся с «горючими» атомами лишь тогда, когда это нужно, их обычно отделяют друг от друга свое­образной «перегородкой» — атомами азота.

«Ведьмино семя» и другие…

Большинство применяемых на практике взрыв­чатых соединений содержат кислород в виде группы NO₂, связанной с углеродом непосредствен­но (нитросоединения), через еще один атом азота (нитрамины) или через атом кислорода (нитроэфиры).

Самое известное взрывчатое вещество — ТРО­ТИЛ — это толуол, в молекуле которого три атома водорода заменены нитрогруппами:

Из нитраминов широко применяются тринитрофенилметилнитрамин или ТЕТРИЛ

и ГЕКСОГЕН, полное химическое название которо­го циклотриметилентринитрамин:
Некоторые утверждают, что происхождение слова «гексоген» не связано с «шестигранной» структурой этого соединения (гекса — по гре­чески — шесть), а видят в его основе немецкое слово «гексе» — что переводится как «ведьма». Тогда «гексе-ген» — это «порождение ведьмы» или «ведьмино семя».

Если это и шутка, то довольно удачная. Гексо­ген — одно из самых опасных вторичных взрывча­тых веществ. Он может натворить больше бед, чем целый шабаш ведьм.

Самые старые индивидуальные взрывчатые ве­щества, полученные еще в первой половине прош­лого столетия, это нитроэфиры. До сих пор глицеринтринитрат — НИТРОГЛИЦЕРИН
пентаэритриттетранитрат — ТЭН
и нитраты целлюлозы (коллоксилин, пиро­ксилин и др) относятся к наиболее распростра­ненным взрывчатым соединениям.

В последние годы попеки более мощных взрыв­чатых веществ привели к появлению нового класса соединений, содержащих очень богатую кислоро­дом группировку — С(NO₂)₃. В печати появились сведения о некоторых взрывчатых свойствах бистринитроэтилнитрамина
тринитроэтилового эфира тринитромасляной кисло­ты
и некоторых других аналогичных им веществ. По- видимому, число таких соединений велико, и можно думать, что это направление даст технике немало интересных и очень мощных взрывчатых веществ.

В одну телегу…

Индивидуальные взрывчатые вещества редко применяются в чистом виде. Для увеличения мощ­ности, уменьшения опасности случайного взрыва при ударе или трении, для понижения температу­ры плавления и других целей их смешивают друг с другом или даже с невзрывчатыми веществами — пытаются «впрячь в одну телегу коня и трепетную лань». Это позволяет получать те или иные нуж­ные свойства.

Самые известные взрывчатые смеси — ДИНА­МИТЫ. Это композиции на основе нитроглицерина, загущенного (желатинированного) 3—10 процен­тами нитроцеллюлозы. Сам нитроглицерин при обычной температуре — вещество жидкое. Его крайне трудно и опасно транспортировать, хранить и применять. Загущенный нитроглицерин, сохра­няя свои взрывчатые характеристики, становится гораздо более удобным в обращении и менее опас­ным. Во многих странах динамит был самым рас­пространенным промышленным взрывчатым ве­ществом в течение многих десятилетии. Не утра­тил он своего значения и сейчас. Применяют­ся и другие смеси индивидуальных взрывчатых веществ, например, смесь низкоплавкого (темпера­тура плавления 80°), безопасного в обращении, но не очень мощного тротила с трудноплавящимся (температура плавления 202°), опасным, но более мощным гексогеном. Эта смесь сильнее, чем тротил, и менее опасна, чем гексоген. Заряды из нее можно получать простым и очень удобным спосо­бом — заливкой.

Во многих странах большое распространение по­лучила смесь тротила с тэном — пентолит, отли­чающаяся от предыдущей тем, что тэн, в противо­положность гексогену, растворяется в тротиле и при охлаждении образует с ним однородный твер­дый раствор — сплав.

Кислородное голодание

Если внимательно посмотреть на формулы при­веденных выше ВВ, то можно увидеть, что кислорода в большинстве из них не хватает для полного окисления всех атомов углерода и водоро­да. Следовательно, при взрыве часть заключенной

в горючем энергии теряется бесполезно. Особенно велики эти потери в тротиле, на каждые 100 г ко­торого необходимо еще 74 г кислорода. Поэтому при использовании тротила в технике его обычно смешивают с веществами, богатыми кислородом, чаще всего — с аммиачной селитрой. Это значи­тельно удешевляет производство взрывных работ (селитра гораздо дешевле тротила), позволяет пол­нее использовать энергию, заключенную в тротиле, а также дает возможность избежать образования при взрыве ядовитой окиси углерода, которая де­лает невозможным применение тротила для под­земных работ в шахтах и рудниках.

Смеси на основе аммиачной селитры, содержа­щие тротил или другие взрывчатые вещества, на­зываются АММОНИТАМИ. Аммониты дешевле и безопаснее, чем динамиты, и в нашей стране уже с конца 30-х годов почти полностью вытеснили их.

Способы целенаправленного изменения свойств взрывчатых веществ чрезвычайно многочисленны, а подчас и довольно необычны. Иногда в мощные взрывчатые вещества вводят… воду, которая делает пх безопаснее и, кроме того, придает им пластич­ность, позволяет заполнить взрывчатым веществом весь объем шпура или скважины. Способность этих веществ к детонации и при введении воды остается достаточно высокой. В некоторых случаях она даже повышается. Стало возможным, например, использовать для взрывных работ орудийные по­роха, которые без воды детонировать практически не способны.

Как «оживить» взрывчатое вещество?

Некоторые взрывчатые вещества, прежде всего, динамиты, очень плохо детонируют под давлением, например, при попытках взрывать их на дне морей, рек и озер или в глубоких скважинах, залитых во­дой. Причина — в воздушных пузырьках, всегда имеющихся в динамите. Внешнее давление сжи­мает их, и когда по веществу проходит детона­ционная волна, пузырьки разогреваются намного хуже, чем обычно. Передача энергии реакции от одной зоны к другой затрудняется, скорость реак­ции падает, детонация затухает.

Справиться с этсй проблемой удалось лишь не­давно. В динамит вводят 5—10% тяжелых невзрыв­чатых солей, например BaSO₄ или PbSO₄, которые «оживляют» или, как говорят, сенсибилизируют плотное взрывчатое вещество. Необычный эффект обусловлен тем, что тяжелые частицы вызывают в веществе сильные местные разогревы; когда по нему проходит ударная волна, эти частицы увели­чивают внутреннее трение, и течение реакции облегчается.

Предохранительные ВВ

Особые требования предъявляются к взрывча­тым веществам, применяемым в угольных шахтах, где скапливаются выделяющийся из пласта горю­чий газ и угольная пыль. Сколько катастроф вы­зывали взрывы газовоздушных или пылевоздуш­ных смесей, напоминать излишне. Не разработка угольных пластов с помощью взрывов очень эффек­тивна. Значит, нужны такие взрывчатые вещества, которые не могли бы взорвать пыль п газ. Для этого в состав взрывчатых веществ ввели солипламегасители: обычную поваренную соль или хло­ристый калий. Они, как вещества невзрывчатые и негорючие, поглощают часть выделяющегося тепла и охлаждают продукты взрыва. Кроме того, они служат антикатализаторами процесса горения метана и препятствуют эго воспламенению. Взрыв­чатые вещества с такими добавками называются предохранительными. Чем меньше размеры частиц соли-пламегасителя, тем выше ее ингибирующее действие. Поэтому в состав предохранительного взрывчатого вещества часто вводят не готовую по­варенную соль (NaCl), а комбинации из двух солей, например NaNO₃ и NH₄Cl, которые при взрыве реагируют между собой, образуя тонкодисперсный хлористый натрий:

Металлы во взрывчатых веществах

Для того чтобы увеличить мощность и энергию взрывчатых веществ, в их состав очень вы­годно вводить легкие высококалорийные металлы, например алюминий. При взрыве одного килограм­ма смеси алюминия с аммиачной сэлитрой, рассчи­танной на использование всего имеющегося в ней кислорода, выделяется около 1600 ккал— больше, чем при взрыве таких мощных ВВ, как тэн или нитроглицерин. Смеси алюминия с аммиачной се­литрой (обычно с добавкой тротила) называют АММОНАЛАМИ.

Алюминий часто добавляют и к индивидуаль­ным нитросоединениям; например, на открытых горных разработках широко применяют алюмотол — смесь тротила с алюминием.

Подобный эффект дают и другие легкие ме­таллы. Но этим роль металлов во взрывчатых ве­ществах не ограничивается. Иногда они. уже не в виде добавки, а химически связанные со взрыв­чатым веществом, выступают в другом амплуа.

Если ввести в молекулу взрывчатого вещества атом металла, скорость горения этого вещества намного возрастет, и тогда становится реальной возможность перехода горения в детонацию даже в условиях низких температур и давлений.

Пикриновая кислота — вещество очень спокой­ное, в небольших количествах его невозможно взорвать простым поджиганием. Однако, если пре­вратить пикриновую кислоту в ее калиевую соль, получив, таким образом, пикрат калия, горение станет гораздо более энергичным, скорость его уве­личится в десятки раз и при некоторых условиях поджигание может привести к взрыву.

Еще более разителен второй пример. Стифинновую кислоту (тринитрорезорцин)
при атмосферном давлении даже зажечь трудно. В то же время свинцовая соль этой кислоты тринитрорезорцинат свинца (сокращенно ТНРС)
— известное инициирующее взрывчатое вещество, широко применяемое в капсюлях-детонаторах. Вот его поджигать нельзя — взорвется.

При поджигании не взрывается

Тротил, тэн, аммонит и другие наиболее рас­пространенные вторичные взрывчатые вещества при поджигании не взрываются, и вот почему.

Важная особенность этих веществ (в значитель­ной мере именно она и позволила применять их в промышленности так широко) состоит в том, что при горении они превращаются в продукты реак­ции не сразу, а в несколько этапов. Сначала от молекулы отрывается двуокись азота — NО₂. Это сильный окислитель, который реагирует с орга­нической частью молекулы и при этом превра­щается в значительно более флегматичное соеди­нение — окись азота— NО. Заставить NО вступить в реакцию довольно трудно — для этого нужны высокие температуры и давления, а при горении в нормальных условиях окись азота практически не реагирует с горючим.

Таким образом, при обычном поджигании почти половина кислорода, содержащегося во взрывча­том веществе, на окисление не расходуется. Тепла образуется мало. Скорость его выделения невелика.

Слои непрореагировавшего вещества не успевают прогреться, и горение не может перейти в детона­цию. Вот почему нельзя реализовать появившийся несколько лет назад на страницах одного молодежного журнала способ разрезания стальных листов поджиганием насыпанной на них полоски тэна. В лучшем случае тэн при этом спокойно сгорит, хотя, надо сказать, горит он в малых количествах, очень неохотно, и конечно, никакого взрыва при поджигании не произойдет.

Благодаря этому свойству большинство взрыв­чатых веществ, применяемых на практике, отно­сительно безопасны; они не взрываются при случайном загорании, мало чувствительны к ударам, трению и толчкам, могут производиться, храниться и транспортироваться в больших коли­чествах.

О взрывчатых веществах можно было бы расскя- зать еще много интересного, но говорят, у научно- популярных статей, как и у зарядов, есть «крити­ческий диаметр», превышение которого делает их трудновоспринимаемыми. Поэтому нам пора поста­вить точку.

Доктор технических наук Л. В. ДУБНОВ,

Кандидат технических наук Б. Н. КОНДРИКОВ