По́рох — многокомпонентная твёрдая взрывчатая смесь, способная к закономерному горению параллельными слоями без доступа кислорода извне с выделением большого количества тепловой энергии и газообразных продуктов, используемых для метания снарядов, движения ракет и в других целях[1]. Порох относят к классу метательных взрывчатых веществ.
Содержание |
Первым представителем взрывчатых веществ был дымный порох — механическая смесь калиевой селитры, угля и серы, обычно в соотношении 15:3:2. Существует устойчивое мнение, что подобные составы появились ещё в древности и применялись главным образом в качестве зажигательных и разрушительных средств. Однако материальных или надёжных документальных подтверждений этого не найдено. В природе месторождения селитры встречаются редко, а калиевая селитра, необходимая для изготовления достаточно стабильных составов, не встречается вообще.
Существуют устойчивые многочисленные мнения, что порох был изобретён в Китае. Возможно, это было сделано в IX веке, когда алхимики искали эликсир бессмертия. Его появление привело к изобретению фейерверков и ранних образцов огнестрельного оружия. И, гипотетически, он попал в Европу через несколько веков.[2]
Изготовление калиевой селитры требует разработанных технологических приёмов, которые появились лишь с развитием химии в XV—XVI веках и получением Глаубером азотной кислоты в 1625 году. Изготовление углеродных материалов с высокоразвитой удельной поверхностью типа древесных углей также требует развитой технологии, появившейся лишь с развитием металлургии железа. Наиболее вероятным является использование различных природных селитросодержащих смесей с органикой, обладающих свойствами, присущими пиротехническим составам. Одним из изобретателей пороха принято считать монаха Бертольда Шварца.
Метательное свойство дымного пороха было открыто значительно позже и послужило толчком к развитию огнестрельного оружия. В Европе (в том числе и на Руси) известен с середины XIV века; до середины XIX века оставался единственным взрывчатым веществом бризантного действия и до конца XIX века — метательным средством.
С изобретением нитроцеллюлозных порохов, а затем и индивидуальных мощных взрывчатых веществ, дымный порох в значительной мере утратил своё значение.
Впервые пироксилиновый порох был получен во Франции П. Вьелем в 1884, баллиститный порох — в Швеции Альфредом Нобелем в 1888, кордитный порох — в Великобритании в конце XIX века. Примерно в то же время (1887-91) в России Дмитрий Менделеев разработал пироколлодийный порох, а группа инженеров Охтинского порохового завода — пироксилиновый порох.
В 30-х годах XX века в СССР впервые были созданы заряды из баллиститного пороха для реактивных снарядов, успешно применявшихся войсками в период Великой Отечественной войны (реактивные системы залпового огня). Смесевые пороха для ракетных двигателей были разработаны в конце 1940-х годов.
Дальнейшее совершенствование порохов ведётся в направлении создания новых рецептур, порохов специального назначения и улучшения их основных характеристик.
Различают два вида пороха: смесевые (в том числе дымный) и нитроцеллюлозные (бездымные). Пороха, применяемые в ракетных двигателях, называются твёрдыми ракетными топливами. Основу нитроцеллюлозных порохов составляют нитроцеллюлоза и пластификатор. Помимо основных компонентов эти пороха содержат различные добавки.
Порох является взрывчатым веществом метательного действия. При соответствующем условии инициирования пороха способны к детонации аналогично бризантным взрывчатым веществам, благодаря чему дымный порох долгое время применяли в качестве бризантного взрывчатого вещества. При длительном хранении больше установленного для данного пороха срока или при храненении в ненадлежащих условиях происходит химическое разложение компонентов пороха и изменение его эксплуатационных характеристик (режима горения, механических характеристик ракетных шашек и др.). Эксплуатация и даже хранение таких порохов крайне опасны и могут привести к взрыву.
Современные дымные пороха изготовляются в виде зёрен неправильной формы. Основой для получения пороха являются смеси серы, калийной селитры и угля. Во многих странах существуют свои пропорции смешения этих компонентов, однако они не сильно различаются, в России принят следующий состав: 75 % KNO3 (калиевая селитра) 15 % C (древесный уголь) и 10 % S (сера). Роль окислителя в них выполняет калийная селитра (нитрат калия), основного горючего — уголь. Сера является цементирующим веществом, понижающим гигроскопичность пороха и облегчающим его воспламенение. Эффективность горения дымного пороха во многом связана с тонкостью измельчения компонентов, полнотой смешения и формой зёрен в готовом виде.
Сорта дымных порохов (% состав KNO3, S, C.):
Дымный порох легко воспламеняется под действием пламени и искры (температура вспышки 300 °C), поэтому в обращении опасен. Хранится в герметической упаковке отдельно от других видов пороха. Гигроскопичен, при содержании влаги более 2 % плохо воспламеняется. Процесс производства дымных порохов предусматривает смешение тонкоизмельчённых компонентов и обработку полученной пороховой мякоти до получения зёрен заданных размеров. Коррозия стволов при использовании дымного пороха намного сильнее, чем от нитроцеллюлозных порохов, поскольку побочным продуктом сгорания является серная и сернистая кислоты. В настоящее время дымный порох используется в фейерверках. Примерно до конца XIX века применялся в огнестрельном оружии и взрывных боеприпасах.
Реакция горения:
По составу и типу пластификатора (растворителя) нитроцеллюлозные пороха делятся на: пироксилиновые, баллиститные и кордитные.
В состав пироксилиновых порохов обычно входит 91-96 % пироксилина, 1,2-5 % летучих веществ (спирт, эфир и вода), 1,0-1.5 % стабилизатора (дифениламин, централит) для увеличения стойкости при хранении, 2-6 % флегматизатора для замедления горения наружных слоев пороховых зёрен и 0,2-0,3 % графита в качестве добавок. Такие пороха изготовляются в виде пластинок, лент, колец, трубок и зёрен с одним или несколькими каналами; применяются в стрелковом оружии и в артиллерии. Основными недостатками пироксилиновых порохов являются: невысокая энергия газообразных продуктов сгорания (относительно, например, баллиститных порохов), технологическая сложность получения зарядов большого диаметра для ракетных двигателей. Основное время технологического цикла затрачивается на удаление из порохового полуфабриката летучих растворителей. В зависимости назначения помимо обычных пироксилиновых имеются специальные пороха: пламегасящие, малогигроскопичные, малоградиентные (с малой зависимостью скорости горения от температуры заряда); малоэрозионные (с пониженным разгарно-эрозионным воздействием на канал ствола); флегматизированные (с пониженной скоростью горения поверхностных слоев); пористые и другие. Процесс производства пироксилиновых порохов предусматривает растворение (пластификацию) пироксилина, прессование полученной пороховой массы и резку для придания пороховым элементам определённой формы и размеров, удаление растворителя и состоит из ряда последовательных операций.
Основу баллиститных порохов составляют нитроцеллюлоза и неудаляемый пластификатор, поэтому их иногда называют двухосновными. В зависимости от применяемого пластификатора они называются нитроглицериновыми, дигликолевыми и т. д. Обычный состав баллиститных порохов: 40-60 % коллоксилина (нитроцеллюлоза с содержанием азота менее 12,2 %) и 30-55 % нитроглицерина (нитроглицериновые пороха) или диэтиленгликольдинитрата (дигликолевые пороха) либо их смеси. Кроме того, в состав этих порохов входят ароматические нитросоединения (например динитротолуол) для регулирования температуры горения, стабилизаторы (дифениламин, централит), а также вазелиновое масло, камфора и другие добавки. Также в баллиститные пороха могут вводить мелкодисперсный металл (сплав алюминия с магнием) для повышения температуры и энергии продуктов сгорания, такие пороха называют металлизированными. Порох изготовляются в виде трубок, шашек, пластин, колец и лент. По применению баллиститные пороха делят на ракетные (для зарядов к ракетным двигателям и газогенераторам), артиллерийские (для метательных зарядов к артиллерийским орудиям) и миномётные (для метательных зарядов к миномётам). По сравнению с пироксилиновыми баллиститные пороха отличаются меньшей гигроскопичностью, большей быстротой изготовления, возможностью получения крупных зарядов (до 0,8 метра в диаметре), высокой механической прочностью и гибкостью за счёт использования пластификатора. Недостатком баллиститных порохов по сравнению с пироксилиновыми является большая опасность в производстве, обусловленная наличием в их составе мощного взрывчатого вещества — нитроглицерина, очень чувствительного к внешним воздействиям, а также невозможность получить заряды диаметром больше 0,8 м в отличие от смесевых порохов на основе синтетических полимеров. Технологический процесс производства баллиститных порохов предусматривает смешение компонентов в тёплой воде в целях их равномерного распределения, отжимку воды и многократное вальцевание на горячих вальцах. При этом удаляется вода и происходит пластификация нитрата целлюлозы, который приобретает вид роговидного полотна. Далее порох выпрессовывают через матрицы или прокатывают в тонкие листы и режут.
Кордитные пороха содержат высокоазотный пироксилин, удаляемый (спирто-эфирная смесь, ацетон) и неудаляемый (нитроглицерин) пластификатор. Это приближает технологию производства данных порохов к производству пироксилиновых порохов. Преимущество кордитов — большая мощность, однако они вызывают повышенный разгар стволов из-за более высокой температуры продуктов сгорания.
Смесевые пороха на основе синтетических полимеров (твёрдые ракетные топлива) содержат примерно 50-60 % окислителя, как правило перхлората аммония, 10-20 % пластифицированного полимерного связующего, 10-20 % мелкодисперсного порошка алюминия и различные добавки. Это направление пороходелания впервые появилось в Германии в 30-40е годы XX века, после окончания войны активной разработкой таких топлив занялись в США, а в начале 50х годов и в СССР. Главными преимуществами перед баллиститными порохами, привлёкшие к ним большое внимание явились: более высокая удельная тяга ракетных двигателей на таком топливе, возможность создавать заряды любой формы и размеров, высокие деформационные и механические свойства композиций, возможность регулировать скорость горения в широких пределах. Эти достоинства позволили создавать стратегические ракеты с дальностью действия более 10 000 км, на баллиститных порохах С. П. Королёву вместе с пороходелами удалось создать ракету с предельной дальностью действия 2000 км. Но у смесевых твёрдых топлив есть значительные недостатки по сравнению с нитроцелюлозными порохами: очень высокая стоимость их изготовления, длительность цикла производства зарядов (до нескольких месяцев), сложность утилизации, выделение при горении перхлората аммония в атмосферу соляной кислоты.
Горение параллельными слоями, не переходящее во взрыв, обусловливается передачей тепла от слоя к слою и достигается изготовлением достаточно монолитных пороховых элементов, лишённых трещин. Скорость горения порохов зависит от давления по степенному закону, увеличиваясь с ростом давления, поэтому не стоит ориентироваться на скорость сгорания пороха при атмосферном давлении, оценивая его характеристики. Регулирование скорости горения порохов очень сложная задача и решается использованием в составе порохов различных катализаторов горения. Горение параллельными слоями позволяет регулировать скорость газообразования. Газообразование пороха зависит от величины поверхности заряда и скорости его горения.
Величина поверхности пороховых элементов определяется их формой, геометрическими размерами и может в процессе горения увеличиваться или уменьшаться. Такое горение называется соответственно прогрессивным или дегрессивным. Для получения постоянной скорости газообразования или её изменения по определённому закону отдельные участки зарядов (например ракетных) покрывают слоем негорючих материалов (бронировкой). Скорость горения порохов зависит от их состава, начальной температуры и давления.
Основными характеристиками пороха являются: теплота горения Q — количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 килограмма пороха; объём газообразных продуктов V выделяемых при сгорании 1 килограмма пороха (определяется после приведения газов к нормальным условиям); температура газов Т, определяемая при сгорании пороха в условиях постоянного объёма и отсутствия тепловых потерь; плотность пороха ρ; сила пороха f — работа, которую мог бы совершить 1 килограмм пороховых газов, расширяясь при нагревании на Т градусов при нормальном атмосферном давлении.
Характеристики основных типов порохов
| Порох | Q, ккал/кг | V, дм³/кг | T, K |
|---|---|---|---|
| Пироксилиновый | 700 | 900 | ~2000 |
| Баллиститные: | 900 | 1000 | 1700-4000 |
| ТРТ | 1200 | 860 | 1500-3500 |
| артиллерийский | 880 | 750 | ~2500 |
| Кордитный | 850 | 990 | ~2000 |
| Дымный | 700 | 300 | ~2200 |
Порох.
