Общие свойства взрывчатых веществ

К взрывчатым веществам предъявляются различные требования, зачастую противоречивые. Невозможность создания универсального взрывчатого вещества, удовлетворяющего всем требованиям, привело к разработке большого количества взрывчатых веществ с различными свойствами, что видно из приведенной классификации ВВ. Однако есть свойства, являющиеся общими для всех взрывчатых веществ независимо от их назначения.

Основными для таких составов являются чувствительность и стойкость. Рассмотрим эти важные свойства взрывчатых веществ.

1.4.1 Чувствительность взрывчатых веществ [4, 7]

Под чувствительностью ВВ понимается их способность к взрывчатому превращению под влиянием внешних воздействий. Чувствительность характеризуется минимальным количеством энергии, необходимой для вызова взрывчатого превращения. Чувствительность взрыв-чатых веществ, применяемых на практике, должна быть ограничена пределами, обусловленными двумя противоречивыми требованиями: безопасностью ВВ в служебном обращении и возможно меньшими затратами энергии для возбуждения взрывчатого превращения.

В практике это противоречие решается путем создания двух типов ВВ – инициирующих и бризантных − и использования их в комплексе.

Сложность изучения чувствительности ВВ заключается в их избирательной способности к различным импульсам:

- механическому (удару, наколу, трению, прострелу пулей и др.);

- тепловому (нагреву, лучу пламени и др.);

- электрическому (искре);

- детонационному (детонации рядом расположенного ВВ) и т.д.

Например, высокая чувствительность данного ВВ к удару не означает, что ВВ будет также чувствительным к нагреванию и наоборот.

Поэтому необходимо изучать чувствительность ВВ к каждому виду начального импульса отдельно. В настоящее время отработаны и утверждены стандарты на определенные методы оценки чувствительности ВВ к различным начальным импульсам.

Критерием чувствительности ВВ к нагреванию является температура вспышки.

Испытания проводятся в строго определенных стандартом условиях. Нагревание производится источником тепла без пламени.

Наиболее чувствительными ВВ к нагреванию являются:

- гремучая ртуть (температура вспышки Т_всп =175–180 °С);

- пироксилин (Т_всп =195 °С);

- тетрил (Т_всп =195–200 °С).

Наименее чувствительными являются:

- азид свинца (Т_всп =330–340 °С);

- тротил (Т_всп =290–205 °С);

- дымный порох (Т_всп =290–310 °С) [4].

Чувствительность ВВ к удару оценивается наименьшей высотой падения груза определенной массы, при которой наблюдается взрывчатое превращение.

Испытание бризантных ВВ производится на вертикальных копрах. Чувствительность к удару бризантных ВВ оценивается процентом взрывов при сбрасывании на ВВ груза массой 10 кг с высоты 25 см.

Испытание инициирующих ВВ проводится на рычажных копрах. Чувствительность к удару инициирующих ВВ оценивается нижним и верхним пределами чувствительности.

Нижний предел чувствительности – это наибольшая высота падения груза, при которой не получается ни одного взрыва из определенного числа опытов, верхний предел чувствительности – это наименьшая высота падений груза, при которой получается 100 % взрывов. Нижний предел является мерой безопасности при служебном обращении с взрывчатым веществом. Верхний предел – мерой чувствительности к инициированию.

Чувствительность ВВ к наколу оценивается наименьшей высотой падения груза определенной массы на иглу, установленную на ВВ, при которой наблюдается взрывчатое превращение. Испытания проводятся, как правило, для инициирующих веществ с определением верхнего и нижнего пределов чувствительности.

Чувствительность ВВ к детонации характеризуется минимальным зарядом инициирующего ВВ, обеспечивающего незатухающую детонацию заданного ВВ. Этот заряд называется предельным зарядом инициирующего ВВ.

Определение чувствительности ВВ к сотрясению связано со специфическими условиями, в которых находится ВВ во время выстрела и при встрече снаряда с преградой. При выстреле во время движения снаряда по каналу ствола орудия возникают большие перегрузки, в результате во взрывчатом веществе создаются напряжения, которые могут вызвать воспламенение или детонацию, если ВВ достаточно чувствительно.

Аналогичная картина происходит при встрече снаряда с преградой. Преждевременная детонация ВВ и в этом случае нежелательна, так как это существенно понижает эффективность поражающего действия снаряда. Например, бронебойный снаряд должен взорваться обязательно после пробития преграды, иначе его действие будет сведено к нулю. Практикой эксплуатации ВВ установлены допускаемые и критические напряжения во взрывчатом веществе при сотрясении. Напряжения выше критических вызывают в ВВ взрывчатые превращения. Оцен-ка стойкости ВВ к сотрясению производится аналитическим (расчетным) путем и экспериментально.

Экспериментальное определение стойкости ВВ к сотрясению производится стрельбой из соответствующего орудия специальным снарядом, в котором размещаются навеска испытуемого ВВ и инерционное тело. При выстреле инерционное тело давит на ВВ и таким образом имитирует давление наседающей массы ВВ. После выстрела снаряд находят, разбирают и осматривают. По результатам осмотра судят о стойкости ВВ.

В заключение следует отметить, что чувствительность ВВ можно изменить за счет изменения физической структуры и плотности заряда ВВ, формы и размеров кристаллов, температуры, введения некоторых примесей и добавок.

Имеющиеся в настоящее время сведения не позволяют пока установить единую пригодную для всех ВВ количественную характеристику влияния структуры вещества и плотности на чувствительность. Однако можно заметить, что увеличение плотности и переход от порис-той структуры к сплошной снижает чувствительность ВВ. С повышением температуры ВВ чувствительность его, как правило, повышается.

Примеси в виде частиц с высокой температурой плавления и твердостью больше твердости ВВ (песок, стекло, металлические порошки) повышают чувствительность к механическим воздействиям. Наоборот действуют легкоплавкие, мягкие, эластичные добавки.

Вещества, которые в сравнительно небольших количествах понижают чувствительность ВВ, называются флегматизаторами, а повышающие чувствительность – сенсибилизаторами.

1.4.2 Стойкость взрывчатых веществ [4, 7]

Под стойкостью понимают способность ВВ сохранять практически неизмененными свои химические и физические свойства, то есть способность к взрывчатому превращению после длительного хранения.

Стойкость является важным свойством при хранении больших запасов ВВ, которые должны быть пригодны к боевому использованию в любой момент времени. Нестойкие к длительному хранению ВВ не только становятся непригодными для боевого использования, но и представляют опасность для складов боеприпасов. Так, химические превращения в порохах носят характер термического распада. Он протекает медленно, однако образующиеся продукты распада (оксиды азота, азотная и азотистая кислоты) способны ускорить реакцию распада, при этом идет нагревание ВВ за счет выделения тепла. Такого типа процессы называются автокатализом. Нагревание ВВ может вызвать его самовоспламенение. Известны случаи возникновения пожаров на складах от самовозгорания пороха, произошедшего в результате его химического разложения с выделением тепла. Таким образом, боеготовность ВВ и безопасность его зависят от обеспечения высокой стойкости ВВ.

Различают физическую и химическую стойкость ВВ. Под физической стойкостью понимают неизменность физических свойств (плотности, прочности, гигроскопичности и др.). Оценка физической стойкости производится обычными способами, как и других материалов.

Под химической стойкостью понимают неизменность химических свойств ВВ. Оценку химической стойкости производят специальными методами, основанными на том, что процесс разложения ВВ искусственно ускоряется путем нагревания и затем с помощью различных приемов легко обнаруживается. Существует несколько методов оценки химической стойкости ВВ.

Лакмусовая проба (проба Вьеля). Применяется для оценки стойкости нитратцеллюлозных порохов и нитратов целлюлозы. Сущность пробы заключается в следующем. Навеска пороха с лакмусовой бумажкой помещается в герметическом цилиндре в термостат при температуре (106,5±0,5) °С и определяется время, в течение которого синяя лакмусовая бумажка окрасится в красный цвет [4].

Проба взвешиванием. Сущность пробы взвешиванием состоит в следующем. Навеску ВВ помещают в стеклянную колбу с отверстием в пробке для выхода летучих продуктов разложения. Колба устанавливается в термостат, в котором поддерживается температура 95 °С. Один раз в сутки колба охлаждается и взвешивается. Характеристикой стойкости ВВ служит кривая зависимости потери массы от времени. Резкий перегиб кривой указывает на начало прогрессивного разложения.

Оценку химической и термической стойкости ВВ можно проводить измерением давления газообразных продуктов разложения ВВ при фиксированных температуре и времени.

В настоящее время для этих целей применяются специализированные автоматические установки типа «Вулкан» и «Вулкан-В», разработанные под руководством профессора Г.К. Клименко. В состав установки «Вулкан» входят четыре термостата, два нагревателя с верх-ним пределом до 300 °С, терморегулятор. Установка позволяет изучать процессы, связанные с газовыделением или газопоглощением.

1.5 Действие взрыва на окружающую среду [4]

Реакция взрывчатого превращения при взрыве протекает настолько быстро, что в момент выхода детонационной волны на поверхность взрывчатого вещества образовавшиеся газообразные продукты находятся практически еще в объеме заряда сжатыми до плотности твердого тела. Давление в них обусловливается не только тепловым движением молекул, но и силами взаимодействия (отталкивания) между моле-кулами газа. Газ в таком состоянии можно сравнить с клубком сжатых пружинок. Давление продуктов детонации в этот момент очень большое. Например, при детонации ВВ типа тротила оно составляет от 20000 до 30000 МПа (от 200000 до 300000 атмосфер), а скорость их расширения примерно равна 3/4 скорости детонации. Расширяясь, продукты детонации наносят удар по окружающей среде и предметам, при этом окружающая среда вытесняется из некоторого объема, а предметы дробятся.

При рассмотрении действия взрыва на окружающую среду различают фугасное и бризантное действия.

Под фугасным действием понимают работу продуктов взрыва, выражающуюся в перемещении окружающей среды и предметов, и работу образовавшейся ударной волны. Примером фугасного действия является образование воронки при взрыве снаряда в грунте или разрушения, наносимые воздушной ударной волной, возникающей при взрыве в воздухе. По объему воронки, образующейся при взрыве 1 кг ВВ, судят о его фугасном действии и сравнивают между собой по фугасному действию различные ВВ. Однако следует отметить также, что объем воронки зависит еще от глубины внедрения боеприпаса в грунт. Если, например, артиллерийский снаряд слишком глубоко уйдет в грунт до момента взрыва, то воронки может не получиться. Такое явление называется камуфлет (франц. – несостоявшееся событие).

Под бризантным действием понимают способность ВВ к местному разрушительному действию, которое является результатом резкого удара продуктов детонации по окружающим ВВ предметам. Проявлением бризантного эффекта объясняется осколочное действие боепри-пасов, бронебойное действие продуктов детонации и другие виды разрушений. Бризантное действие ВВ проявляется только на небольших расстояниях от места взрыва, где давление и плотность энергии продуктов детонации его достаточно велики. С удалением от места взрыва механические эффекты резко снижаются вследствие падения давления, скорости и других параметров взрыва. Максимальный бризантный эффект проявляется при непосредственном контакте предмета с зарядом ВВ. Примером бризантного действия является осколочное действие боеприпасов. В результате взрыва осуществляется дробление массивной стальной или чугунной оболочки боеприпаса на осколки и метание их с большой скоростью во все стороны. Обладая достаточной энергией, осколки способны выводить из строя людей и технику.

1.6 Понятие о боеприпасах и выстрелах [8]

Под боеприпасами понимается широкий круг предметов вооружения, необходимых для производства выстрела из артиллерийского орудия, миномета, пусковой установки, стрелкового оружия, проведения взрывных работ и т.д., все это объединяется одним понятием – бое-припасы.

Слово «выстрел» имеет два понятия. Первое – совокупность физических и химических явлений, сопровождающих горение порохового заряда в зарядной камере огнестрельного оружия или в камере сгорания реактивного двигателя и вылет снаряда из ствола орудия (пусковой установки). Эти явления характеризуются высоким давлением, развивающимся в камере, высокой температурой, сильным звуком и изучаются внутренней баллистикой.

Второе – предмет вооружения и единица учета – совокупность элементов, необходимых для производства выстрела из орудия, пусковой установки, миномета. В зависимости от принадлежности к тому или иному виду оружия выстрелы подразделяются на артиллерийские, минометные, реактивные (реактивные снаряды).

Выстрел состоит из основных и вспомогательных элементов (рисунок 1).

В частности, артиллерийский выстрел включает следующие элементы.

Основные: снаряд, взрыватель, трассер, гильза, боевой (пороховой) заряд, средство воспламенения.

Вспомогательные: размеднитель, пламегаситель, флегматизатор, обтюрирующее устройство.

1 – взрыватель; 2 – cнаряд (боевая часть); 3 – трассер;

4 – обтюрирующее устройство; 5 – размеднитель; 6 – боевой
(пороховой) заряд; 7 – флегматизатор; 8 – гильза; 9 – воспламенитель;

10 – средство воспламенения; 11 – пламегаситель

Рисунок 1 – Выстрелы: а – артиллерийский унитарного заряжания;

б – артиллерийский раздельно-гильзового заряжания;

в – минометный выстрел; г – реактивный выстрел

Снаряд предназначен для поражения живой силы противника, уничтожения военной техники, разрушения оборонительных сооружений, коммуникаций, а также для выполнения ряда специальных задач, например, освещения местности, задымления местности и т.д. Соответственно, в зависимости от назначения, снаряды могут быть осколочные, бронебойные, фугасные, осветительные, дымовые и т.д.

Взрыватель предназначен для приведения в действие снаряда. Конструкции взрывателей очень разнообразны и зависят от их назначений, принципа действия снарядов, для которых они предназначены. По виду действия взрыватели подразделяются:

- на ударные (срабатывают при встрече снаряда с преградой и, в свою очередь, подразделяются на мгновенного действия, замедленного действия, с несколькими установками и авторегулируемым замедлением);

- на дистанционные (дистанционные взрыватели срабатывают на траектории полета снаряда через определенное время, установленное перед выстрелом). Эти взрыватели могут быть механические с часовым механизмом и пиротехнические;

- на неконтактные (срабатывают на траектории полета снаряда под воздействием какого-либо физического поля цели). В зависимости от используемого физического поля цели различают: радиовзрыватели, акустические взрыватели, тепловые взрыватели и т.д.

Трассер предназначен для корректировки стрельбы, если она ведется прямой наводкой. Трассер, как правило, размещается в дне снаряда. Основу его составляет пиротехнический состав, который воспламеняется в момент выстрела пороховыми газами и горит ярким пламе-нем на всей траектории полета снаряда, благодаря чему виден путь полета снаряда.

Боевой (пороховой) заряд предназначен для сообщения снаряду заданной начальной скорости при обеспечении допустимого давления в канале ствола орудия. Основу заряда составляет навеска пороха.

Вспомогательные элементы являются элементами конструкции заряда.

Воспламенитель предназначен для надежного воспламенения по всей поверхности боевого (порохового) заряда и создания некоторого давления в зарядной камере, при котором порох горит стабильно. Воспламенитель состоит из навески быстрогорящего пороха, масса его составляет примерно 0,5−5 % массы порохового заряда.

Флегматизатор предназначен для уменьшения разгара стенок ствола орудия (повышения живучести орудия). Флегматизатор представляет собой лист бумаги, пропитанный сплавом петролатум–парафин или петролатум–парафин–церезин. При выстреле указанный состав переходит в парообразное состояние, конденсируется на стенках ствола и таким образом уменьшает теплообмен между пороховыми газами и стенками ствола.

Пламегаситель предназначен для гашения дульного или обратного пламени. Он представляет собой навеску пламегасящего состава К₂SO₄, KCl, K₂C₂O₄ (сульфат калия, хлористый калий, оксалат калия соответственно). Гашение пламени сводится к изоляции продуктов неполного окисления, образующихся при выстреле, от кислорода воздуха.

Размеднитель предназначается для предохранения стенок ствола орудия от омеднения при стрельбе снарядами с медными ведущими поясками. Он представляет собой кольцо из свинцовой проволоки, которое укладывается сверху заряда. Механизм работы размеднителя заключается в том, что при выстреле свинец плавится. Пары свинца соединяются с медью, оставшейся на стенках, и образуют легкоплавкий сплав, удаляемый при очередном выстреле. При отсутствии размеднителя на внутренней поверхности стенок ствола накапливается медь, которая мешает правильному движению снаряда по каналу ствола орудия.

Обтюрирующее устройство предотвращает прорыв пороховых газов через зазор между стенками ствола и ведущим пояском снаряда до врезания последнего в нарезы, а также служит для фиксации порохового заряда в гильзе и герметизации порохового заряда (изоляции от окружающей среды).

Гильза предназначена:

- для обтюрации пороховых газов при выстреле (не допускается прорыв пороховых газов вдоль стенок зарядной камеры к затвору);

- для размещения боевого (порохового) заряда и других элементов выстрела;

- для предохранения заряда от механических повреждений и воздействия окружающей среды;

- для соединения снаряда с зарядом.

Средство воспламенения предназначается для воспламенения боевого (порохового) заряда от простого начального импульса (удара, нагревания). Средства воспламенения включают капсюль-воспламени-тель, пороховой усилитель и устройство для обтюрации пороховых газов. По принципу действия средства воспламенения подразделяются на ударные и электрические.

Артиллерийский выстрел не обязательно должен состоять из всех указанных элементов. В зависимости от его назначения и конструкции некоторые из перечисленных основных и вспомогательных элементов могут отсутствовать. Например, холостые выстрелы не имеют снаряда, многие выстрелы не имеют гильзы и т.д.

Рассмотренные элементы можно увидеть и у минометного выст-рела. Например, минометный выстрел включает: мину, взрыватель, боевой (пороховой) заряд, средство воспламенения, гильзу, воспламенитель и др.

Реактивный выстрел (реактивный снаряд) включает боевую часть (вместо снаряда), пороховой заряд, воспламенитель, средство воспламенения и др. (см. рисунок 1 и рисунок 2).

1 − взрыватель; 2 − заряд взрывчатого вещества; 3 − корпус;

4 − ведущий поясок; 5 − сопло; 6 − твердотопливный
реактивный заряд; 7 − боевая часть

Рисунок 2 − Активно-реактивный снаряд

Все основные элементы и некоторые вспомогательные элементы (кроме гильзы) рассмотренных выстрелов содержат взрывчатые вещества, выполняющие различные функции: дробление корпуса снаряда на осколки, разрушение и перемещение окружающих предметов и среды, метание снаряда на требуемую дальность, обеспечение видимости трассы и т.д. Разнообразие функций, выполняемых взрывчатыми веществами, привело к созданию различных взрывчатых веществ с различными свойствами и различного назначения.

1.7 Инициирующие взрывчатые вещества [9]

Важным отличием инициирующих ВВ от бризантных является высокая чувствительность их к простому начальному импульсу – удару, наколу, нагреванию и др. Инициирующие ВВ горят с большой скоростью, которая резко возрастает с увеличением давления. Этим определяется невозможность стационарного горения большинства инициирующих ВВ при обычных условиях. Уже при атмосферном давлении взрывчатые превращения таких веществ, начавшиеся в форме горения, очень быстро переходят в детонацию.

Инициирующие ВВ должны обладать бризантностью для возбуждения детонации вторичных взрывчатых веществ. Известно очень боль-шое число инициирующих ВВ, однако лишь некоторые их них нашли практическое применение: гремучая ртуть, азид свинца, тринитрорезорцинат свинца и тетразен.