Черный и бездымный порохи

Вопреки распространенному мнению, порох — не взрывчатка. Порох — топливо. Он может взорваться при неправильном обращении, может взорваться, если его «очень попросят», может взорваться без вмешательства извне, если слишком далеко зашли процессы деструкции, распада. Взрывчаты и некоторые компоненты порохов. И все-таки порох — топливо. Ради горения, а не взрыва его придумывали. Но порох —топливо особое. В отличие от большинства веществ, для горения ему не нужен воздух. Порох любого состава и марки сгорает «за счет внутренних ресурсов» — кислорода, входящего в состав пороховой композиции.

Пороходелие — одно из самых старых химических производств, существующих на нашей планете. Еще за несколько столетий до наступления нашей эры китайцы обнаружили способность селитры поддерживать горение различных веществ и стали подбирать разные горючие композиции с нею. Методом проб и ошибок они пришли к классической рецептуре черного пороха: уголь, селитра и сера в равных пропорциях. Состав и рецепт приготовления пороха китайский ученый Сунь-Сымяо описал еще в 600 г. н. э. А спустя полтысячелетия в Китае же было сделано первое огнестрельное оружие. Полый ствол бамбука стал стволом первого ружья, а метательным составом, естественно, был черный порох.

Позже это изобретение распространилось по миру. В средневековой Европе, как считают большинство историков, порох изобрели заново. Указывается даже имя этого новооткрывателя фрейбургского монаха Бертольда Шварца, «черного Бертольда». Но сведения о нем противоречивы. По одним данным (не очень достоверным) дата изобретения пороха в Европе 1259 г., по другим — чуть ли не на сто лет позже, а по третьим Бертольда Шварца вообще нельзя считать изобретателем пороха, ибо еще раньше, до Шварца, Роджер Бэкон разработал формулу взрывчатого вещества, в которое входили селитра и сера. Может быть, это и был первый европейский порох.

Московская Русь познакомилась с порохом в XIV в.— определенно, до 1382 г., потому что известно из летописей: в этом году москвичи обороняли свой город от войска татарского хана Тохтамыша с помощью и огнестрельного оружия...

У черного пороха долгая история. Им заряжали все пищали и мортиры, все мушкеты и кремневые ружья, а позже, вплоть до последних лет XIX столетия, — и более совершенные средства для стрельбы.

Многие известные ученые занимались исследованием и совершенствованием черного пороха. Достаточно вспомнить Ломоносова, установившего рациональное соотношение компонентов пороховой смеси. Можно вспомнить и о неудачной попытке Клода Луи Бертоле заменить в составе пороха дефицитную селитру бертолетовой солью — хлоратом калия. Многочисленные взрывы встали на пути этой замены — слишком активным окислителем оказалась бертолетова соль...

Одной из самых заметных вех в истории пороходелия следует считать 1832 г., когда французским химиком А. Браконо впервые была получена нитроклетчатка, или пироксилин.

Нитроклетчатка — это эфир целлюлозы и азотной кислоты. Молекула целлюлозы содержит большое число гидроксильных групп, которые и реагируют с азотной кислотой.

В зависимости от того, сколько групп OH этерефицировано, т. е. вступило в реакцию с азотной кислотой, получается нитроцеллюлоза, содержащая от 9 до 14% азота, а от этого зависят и свойства нитроцеллюлозы, ее гигроскопичность и растворимость в разных растворителях. Низконитрованная целлюлоза — коллоксилин — растворяется даже в воде, а высоконитрованная, которая называется пироксилином, растворяется только в смеси этанола и эфира.

Свойства пироксилина исследовали многие ученые. В частности, к концу 1848 г. русские инженеры Г. И. Гесс и А. А. Фадеев установили, что по мощности пироксилин в несколько раз превосходит черный порох. Пироксилин пытались применять для стрельбы, но неудачно. Рыхлая пористая нитроцеллюлоза была неоднородна и горела с далеко не постоянной скоростью, а при прессовании часто возгоралась. Лишь в 1884 г. французский химик Ж. Вьель сумел создать монолитное рогоподобное вещество на основе пироксилина. Это был первый бездымный порох. Вьель использовал для получения пороха способность пироксилина набухать в смеси эфира и спирта. При этом получалась студкеподобная масса, которую можно было прессовать и делать из нее ленты или пластины, которые затем сушили. Большая часть растворителя улетучивалась, а меньшая — оставалась в пироксилине, продолжая играть роль пластификатора. Пироксилиновый порох почти целиком, на 80—95%, состоит из этой массы. В отличие от непластифицированного пироксилина пироксилиновый порох сгорает строго по слоям с постоянной скоростью. Строго закономерное горение — обязательное свойство любого из порохов. Пироксилиновый порох до сих пор применяют для стрелкового оружия.

Вскоре появился и другой бездымный порох — нитроглицериновый, он же баллистит. Его основой тоже служила нитроцеллюлоза, хотя ее количество в рецептуре и было уменьшено до 56—57%. Пластификатором здесь служит жидкое взрывчатое вещество тринитроглицерин (о нем — самостоятельный очерк). Такой порох обладает большой силой, его до сих пор применяют в артиллерии и ракетных войсках.

Третьим типом бездымного пороха стал изобретенный в 1889 г. в Англии кордит — среднее между баллиститом и пироксилиновым порохом; он почти вышел из употребления.

В начале девяностых годов своя рецептура бездымного пороха была разработана и в России. Это пироколлодийный порох Менделеева.

Пороходелию, как области химических знаний, Менделеев уделил много сил и внимания в 1890—1894 годах. Он ездил во Францию и Англию, знакомился с постановкой порохового дела; он встречался с Вьелем, Абелем, Дьюаром, Арну, Сарро и другими ведущими учеными-пороховиками того времени. Он нашел способ получения растворимой нитроклетчатки — пироколлодия, причем в своих изысканиях он исходил из очень определенной и химически строго обоснованной идеи: искомое вещество при горении должно выделять максимум газообразных продуктов на единицу массы. Это значит, что кислорода в его составе должно быть достаточно для превращения всего углерода в газообразную окись, а водорода — в воду.

Уже в 1892 г. были проведены первые опытные стрельбы пироколлодийным порохом. Стрельбы прошли успешно. Через год впервые в России бездымным порохом стреляли из 12-дюймового орудия, и инспектор морской артиллерии адмирал С. О. Макаров поздравлял Менделеева с блестящим успехом.

Менделеев «считал свое дело законченным с того времени, когда пироколлодийный порох выдержал опыты морского полигона в орудиях всех калибров». Но этим не ограничиваются заслуги великого ученого перед пороховым производством и военным делом. В технологию производства пороха он внес очень важное усовершенствование, предложив вместо сушки нитроклетчатки обезвоживание ее с помощью спирта. Это усовершенствование не только сделало пороховое производство безопаснее, но и улучшило качество нитроклетчатки: спирт вымывал из нее менее стойкие продукты...

Здесь мы коснулись очень важного вопроса — вопроса временной и физико-химической стойкости бездымных порохов. Даже при нормальной температуре нитроцеллюлоза самопроизвольно разлагается. С ростом температуры растет и скорость распада. Почти все загрязнения, и в частности остатки кислот, недовымытые из нитроклетчатки после нитрации, намного ускоряют разложение, причем процесс этот — самоускоряющийся... При неблагоприятных условиях этот нарастающий распад может привести к самовоспламенению пороха и даже к взрыву.

Чтобы этого не случилось, чтобы повысить стойкость бездымных порохов, в их состав вводят стабилизаторы — вещества, связывающие продукты разложения и тем самым не дающие развиваться цепной реакции распада. Такими веществами-стабилизаторами служат некоторые производные карбамида (мочевины), так называемые центролиты, и дифениламин.

Вводят в состав порохов и другие добавки всевозможного назначения. В лабораториях химики, используя точнейшие аналитические весы постоянно совершенствуют состав пороха. Например, чтобы уменьшить пламя при выстреле, в порох вводят сульфат калия. В артиллерийские пороха добавляют вещества, уменьшающие теплоту сгорания, например динитротолуол. Делают это, чтобы уменьшить износ стволов или разгар, как говорят артиллеристы. Есть добавки и чисто технологические. Зерненый порох, к примеру, покрывают тонким слоем графита — чтобы при перемешивании он не электризовался. Словом, бездымный порох — это многокомпонентная строго сбалансированная система. Составляя этот баланс, учитывают все: и баллистику, и технологию, и технику безопасности, и экономику.

Сегодня порох — не только горючее артиллерии, но и твердое ракетное топливо (ТРТ).

Твердое топливо уступает жидкому по некоторым важным показателям, прежде всего по удельному импульсу. Поэтому, в частности, на космических ракетах используют в основном жидкое топливо. Но у ТРТ есть и преимущества, главные из которых— простота устройства твердотопливного реактивного двигателя и постоянная боевая готовность твердотопливных ракет.

Из бездымных порохов для изготовления больших пороховых шашек для ракет используют баллисты. Пороха, в состав которых входит нитроглицерин, дают больше тепла при сгорании. Удельный импульс их выше, чем у пироксилиновых порохов. Немаловажно и то обстоятельство, что в наши дни баллиститные пороха дешевле пироксилиновых.