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