2. Три класса взрывчатых веществ
История открытия взрывчатых веществ - героические страницы в летописи химии. Часто химик, получая новое соединение, не подозревал о том, что оно способно взрываться, и дорого - потерей пальцев, глаз, а иногда и жизни - оплачивал свое открытие.
Некоторые взрывчатые вещества, открытые химиками, настолько чувствительны, что взрываются от малейшего прикосновения.
Примером такого вещества может служить йодистый азот - порошок черного цвета, образующийся при взаимодействии йода с раствором аммиака. Во влажном виде этот порошок не взрывается, но если дать ему высохнуть, то он становится таким чувствительным, что взрывается от самого слабого воздействия, например от прикосновения бородки птичьего пера. Йодистый азот взрывается даже от сильного света, например от вспышки магниевого состава, применяемого при фотографировании.
Понятно, что такие сверхчувствительные взрывчатые вещества не могут иметь практического значения, так как опасность взрыва при обращении с ними чрезмерно велика. И если бы химия знала только взрывчатые соединения типа йодистого азота, то взрывчатые вещества не получили бы того применения, какое они имеют в наше время.
Следует указать, что нет прямой связи между количеством энергии, которую нужно затратить для возбуждения взрыва взрывчатого вещества, и количеством энергии, которую оно дает при взрыве. Это относится не только к взрывчатым веществам. Зажечь дрова, например, легче, чем каменный уголь, хотя при горении угля тепла выделяется вдвое больше.
Представим себе камень, лежащий на возвышении. Если столкнуть его с этого возвышения, то он будет падать, приобретая все большую и большую скорость. Очевидно, что усилие, которое нужно, чтобы вызвать падение камня, не зависит от того, на какой высоте он находится. Скорость же и кинетическая энергия, которые приобретает падающий камень, тем больше, чем больше высота падения.
Учеными были открыты взрывчатые вещества, превосходящие йодистый азот по силе действия и в то же время обладающие несравненно меньшей чувствительностью. Возбудить взрыв таких взрывчатых веществ теплом и ударом настолько трудно, что некоторые из них долгое время после их открытия даже не считались взрывчатыми. Так, пикриновая кислота, которая была открыта в 1788 году, в течение почти ста лет использовалась только как желтая краска. И лишь в 1873 году было установлено, что эта краска является сильнейшим взрывчатым веществом; вскоре после этого ее начали применять для снаряжения артиллерийских снарядов.
Тротиловый заряд не взрывается от удара при падении на землю с любой высоты. Тротил не взрывается даже при простреле обычной винтовочной пулей. Чтобы вызвать его взрыв, требуется удар еще большей резкости. Добавим, что и зажигаются такие взрывчатые вещества, как тротил или пикриновая кислота, с трудом; например, зажечь тротил гораздо труднее, чем бумагу или керосин. А некоторые взрывчатые вещества от спички вообще не загораются.
Относительно малая чувствительность современных взрывчатых веществ к удару и к трению очень важна для безопасности их применения как в горном деле, так и в военной технике.
При горных взрывных работах патроны взрывчатого вещества вводят в выбуренный в породе шпур (цилиндрическое углубление); при этом взрывчатое вещество может подвергаться трению о стенки шпура.
Далее обычно одновременно взрывают несколько шпуров; если заряд в одном из них по тем или иным причинам не взорвался, то взрывчатое вещество попадает в отколотую взрывом породу и при разборке и погрузке ее может подвергаться ударам.
Если порода не разрушена, там, где находился невзорвавшийся заряд, то для его ликвидации, ввиду того, что разряжать шпур сложно, обычно бурят рядом новый шпур, направляя его так, чтобы конец находился около невзорвавшегося заряда; в новый шпур вводят новый заряд, при взрыве которого взрывается и отказавший заряд. Бывает, однако, что направление нового шпура установлено неточно и бур попадает в отказавший заряд.
Во всех этих случаях, если взрывчатое вещество обладает большой чувствительностью к трению и к удару, возможно возникновение взрыва, обычно приводящее к ранению или гибели горняка. Такие случаи - нередкое явление при применении нитроглицериновых или хлоратных взрывчатых веществ. Именно по этой причине взрывчатые вещества этих типов были сняты с применения в горной промышленности в нашей стране.
Еще меньше должна быть чувствительность взрывчатых веществ при их применении в военном деле. Так, например, для разрывного заряда артиллерийского снаряда не могут быть применены взрывчатые вещества значительной чувствительности, взрывающиеся от толчка при выстреле.
Каждый знает, что если поезд или автомашина резко трогается, то пассажир испытывает толчок в обратном направлении. Происходит это потому, что любое тело обладает инерцией и стремится сохранить то состояние движения или в данном случае покоя, в котором оно находилось.
Когда при выстреле из орудия снаряд под действием пороховых газов, давящих на его дно, начинает двигаться, то заложенный в нем заряд взрывчатого вещества, подобно пассажиру, испытывает толчок. Многие взрывчатые вещества не могут выдержать такого толчка и взрываются от него. В этом случае снаряд разрывается не у цели, а в стволе орудия или сразу же как только вылетит из него. В результате выходит из строя орудие, поражается орудийный расчет. Понятно, что такие случаи совершенно недопустимы.
Еще меньше должна быть чувствительность взрывчатого вещества к толчкам и ударам, чтобы его можно было применять для снаряжения бронебойных снарядов обычного типа, которые имеют большую скорость встречи с броней.
Разрывной заряд такого снаряда, помимо толчка при выстреле, испытывает еще более сильный толчок при ударе о броню. Если взрывчатое вещество чувствительно, то оно может взорваться от этого удара прежде, чем снаряд пробьет броню. В этом случае поражения, наносимые взрывом, будут гораздо меньшими. В одном из крупнейших морских сражений первой мировой войны - Ютландском - английские снаряды, попадая в немецкие корабли, наносили им относительно малый ущерб. Эти снаряды были снаряжены пикриновой кислотой, чувствительность которой к удару слишком высока для ее применения в бронебойных снарядах, и они взрывались, не успев проникнуть в корпус корабля.
По этим причинам для снаряжения снарядов не применяются такие взрывчатые вещества, как нитроглицерин или динамиты на его основе, хотя по энергии взрыва нитроглицерин в полтора раза превосходит тротил и с точки зрения получения наибольшего разрушительного действия применение нитроглицерина было бы желательно.
Чувствительность взрывчатого вещества к удару ограничивает его применение и для снаряжения авиабомб. Заряд авиабомбы не должен взрываться от удара падающей бомбы о грунт или иную преграду. В зависимости от установки взрывателя этот взрыв производится обычно с тем или иным замедлением, в течение которого авиабомба успевает проникнуть на достаточную глубину в то сооружение (здание, блиндаж и т. п.), которое она должна разрушить.
По всем этим причинам в боеприпасах, как правило применяют относительно малочувствительные взрывчатые вещества.
Чувствительность некоторых взрывчатых веществ к внешним воздействиям настолько мала, что это иногда и в наше время приводило к недооценке возможности взрыва, имевшей катастрофические последствия. На немецком химическом заводе в Оппау в числе других продуктов производилась удобрительная смесь, состоящая из аммиачной селитры и сернокислого аммония. Завод работал круглый год, но смесь вывозилась в сельские районы только осенью. Готовый продукт ссыпали в заводские склады. При длительном хранении рыхлый порошок слеживался в сплошную камнеобразную массу. Дробление этой массы обычными механическими способами при разгрузке складов было затруднительным, и на заводе применили для этой цели взрывной способ. Предварительно обычными испытаниями установили, что смесь не взрывается. Было произведено около двадцати тысяч подрывов слежавшейся смеси, и вдруг при очередном подрыве, утром 21 сентября 1921 года, склад, а вместе с ним и весь завод взлетели на воздух. На месте взорвавшегося склада образовалось озеро длиной 165, шириной около 100 и глубиной около 20 метров (рис. 3). Взрывом были вызваны большие разрушения и в городе. Число убитых при взрыве превысило 500 человек.
Рис. 3. После взрыва на химическом заводе в Оппау.
Последующие широкие исследования, проведенные в разных странах, показали, что в известных условиях, которые, очевидно, и имели место при взрыве в Оппау, данная смесь способна взрываться. После этого случая взрывное рыхление подобных смесей было запрещено, и теперь допускается только механическое дробление, которое не может вызвать их взрыва.
Число взрывчатых веществ, подобных тротилу или пикриновой кислоте, не взрывающихся от зажигания или слабого удара, велико.
Все такие вещества составляют основной класс взрывчатых веществ: они называются дробящими или вторичными взрывчатыми веществами. Первое название - дробящие - обусловлено тем, что эти взрывчатые вещества используются для целей дробления; смысл второго названия будет пояснен ниже.
То, что вторичные взрывчатые вещества не взрываются в обычных условиях от пламени, а также от ударов умеренной силы, очень важно для безопасности их производства и применения. В процессе производства взрывчатое вещество приходится иногда нагревать, и при недосмотре возможны перегрев и самовоспламенение. В ряде случаев взрывчатые вещества подвергаются механической обработке. При применении взрывчатых веществ тоже нельзя полностью избежать толчков и ударов. Наконец, возможны пожары при производстве и хранении взрывчатых веществ, и бывает, что они загораются.
Если бы взрывчатое вещество во всех этих случаях не просто сгорало, а давало взрыв, то каждое его воспламенение приводило бы к разрушительной катастрофе.
Примерами таких катастроф могут служить те пожары на заводах взрывчатых веществ, при которых горение взрывчатого вещества по некоторым не всегда установленным причинам переходило во взрыв.
В конце прошлого столетия в испанской гавани Сантандере возник пожар на пароходе, груз которого состоял из 2000 тонн железа и нескольких сот ящиков динамита. Часть ящиков была спешно переброшена на берег. Пожар тем временем продолжал разрастаться, а на набережной собралась, как это в таких случаях обычно бывает, большая толпа зрителей. Представитель пароходства по ошибке заявил, что на пароходе не осталось больше динамита. Через два часа после начала пожара внезапно произошел сильнейший взрыв; полкорабля взлетело в воздух, и разбросанными осколками было убито пятьсот и тяжело ранено более тысячи человек.
В 1935 г., в период усиленной подготовки гитлеровской Германии к войне, на заводе взрывчатых веществ в Рейнсдорфе по неизвестной причине загорелся тротил в мастерской переработки отходов производства. Необходимых устройств для тушения горения не было, оно усилилось и перешло во взрыв. В результате разлета осколков аппаратов, раздробленных взрывом, он передался в другие мастерские завода и вызвал в них пожары и взрывы, разрушившие почти весь завод. Общее число пострадавших превысило 800, из них 80 человек были найдены убитыми или вообще не были найдены.
Если бы воспламенение взрывчатого вещества всякий раз приводило ко взрыву подобно тому, как это было в описанных случаях, то это сделало бы производство и широкое применение взрывчатых веществ практически невозможным. Однако, к счастью, это не так. Известно много случаев, когда при пожарах на заводах и складах порохов и взрывчатых веществ большие их количества, достигающие десятков тонн, сгорали без взрыва.
Однако посмотрим на этот вопрос с другой стороны. Если взрывчатое вещество не взрывается от поджигания, а только от сильного удара, то спрашивается: как же вызывать его взрыв в реальных условиях применения? Представим себе, например, заряд взрывчатого вещества, помещенный в узком и длинном углублении, выбуренном в горной породе. Чтобы произвести по этому заряду сильный механический удар, достаточный для возбуждения взрыва, потребовалось бы сложное устройство, приводимое в действие на расстоянии и уничтожающееся при каждом взрыве. Это было бы слишком дорого и поэтому практически нецелесообразно, а в условиях военного применения, как правило, и неосуществимо. Значит, нужен какой-то другой, более простой, способ производить удар по заряду взрывчатого вещества.
Именно такая задача и стояла перед техникой взрывного дела сто лет назад, когда надо было внедрить в горное дело взамен слабого по действию, но взрывающегося от пламени дымного пороха открытые к тому времени первые вторичные взрывчатые вещества - пироксилин и нитроглицерин. Пионерами в решении этого вопроса были русские исследователи, знаменитый химик проф. Н. Н. Зинин и военный инженер В. Ф. Петрушевский. В 1854 году они предложили применять нитроглицерин для снаряжения снарядов и мин и разрабатывали практические способы возбуждения его взрыва.
В царской России работы Зинина и Петрушевского не получили развития; однако они стали известны энергичному и инициативному шведскому предпринимателю и инженеру А. Нобелю. Последний заимствовал идеи русских ученых, разработал на их основе способ применения нитроглицерина для взрывных работ и широко внедрил его в практику горного дела.
Задача надежного возбуждения взрыва вторичных взрывчатых веществ была окончательно разрешена применением для этой цели взрывчатых веществ другого класса - инициирующих взрывчатых веществ: гремучей ртути, азида свинца и др. Основной особенностью этих взрывчатых веществ является то, что горение их, вызванное поджиганием, очень быстро, иногда практически мгновенно, переходит во взрыв.
Если крупинку инициирующего взрывчатого вещества - азида свинца - положить на лист жести или на стеклянную пластинку и поджечь, то происходит взрыв, пробивающий в жести или в стекле отверстие. Действие взрыва настолько местное, резкое, что сама стеклянная пластинка остается целой, и трещин обычно не образуется (рис. 4).
Рис. 4. Действие инициирующих взрывчатых веществ. Слева - крупинка азида свинца, поджигаемая на стеклянной пластинке; справа - отверстие, пробитое в стеклянной пластинке взрывом азида.
Если немного азида свинца поместить на заряд вторичного взрывчатого вещества и поджечь, то взрыв азида производит такой сильный удар по вторичному взрывчатому веществу, что взрывается и оно.
На практике возбуждение взрыва на основе этого принципа осуществляется при помощи капсюля-детонатора. В простейшем своем виде он представляет собой гильзочку (рис. 5), металлическую или бумажную, диаметром 6–7 миллиметров, в которую запрессовано небольшое количество (1–2 грамма) инициирующего взрывчатого вещества. Капсюль-детонатор помещается в заряде вторичного взрывчатого вещества (рис. 6); при поджигании (тем или иным способом) инициирующее взрывчатое вещество в капсюле-детонаторе взрывается и вызывает взрыв вторичного взрывчатого вещества.
Рис. 5. Устройство капсюля-детонатора.