Справочник для попаданца (1881-1918). Пороха и взрывчатые вещества.
* Все приведённые данные относятся исключительно к указанному периоду. Современное состояние дела автору не интересно.
КАК БЫЛО В РЕАЛЬНОЙ ИСТОРИИ
Порох в Европе и России использовался примерно с XIV века. В его состав входили селитра, сера и уголь (75%, 10%, 15%). Сначала порох полностью соответствовал своему названию — пыль, прах. В начале XVI века порох научились зернить (гранулировать), что значительно упростило обращение с ним. В конце XVIII века были открыты составы, взрывающиеся от удара (гремучая ртуть и бертолетова соль). Это позволило в начале XIX века создать капсюль-воспламенитель, с помощью которого инициировался основной заряд.
В 1861 году был опубликован труд американца Томаса Джона Родмена, где он детально обосновал идею, что для крупных орудий нужен крупнозернистый порох с внутренними каналами (так называемый призматический). На следующий год началось производство первых партий такого пороха. В том же году его образцы и техническая документация оказались в России. Есть сведения, что на Охтинском пороховом заводе было налажено его производство.
С начала 1870-х годов американец Ламмот Дюпон вёл исследования по созданию более эффективного артиллерийского пороха. В 1875 году он наконец добился результата, создав гексагональный порох. При помощи фигурных матриц из пороховой мякоти прессовались многоугольные гранулы, имевшие небольшое отверстие в центре. При горении такого пороха внутреннее отверстие расширялось, благодаря чему площадь горения не уменьшалась, а выделение газов росло по мере того, как росло расстояние между снарядом и казённой частью орудия. Таким образом поддерживалось (примерно) постоянное давление в стволе, что позволяло увеличить начальную скорость снаряда. В 1876–1878 годах Охтинский пороховый завод освоил выпуск такого пороха.
В 1882 году немцам удалось ещё более замедлить горение, уменьшив пропорцию серы всего до двух процентов и используя уголь, сделанный из не до конца сожжённой ржаной соломы. Как и Дюпон, они прессовали порох в призмы. Полученный таким образом бурый порох, или порох «какао», ещё лучше подходил для больших орудий. В России его стали производить в 1885 году.
В 1884 году француз Поль Вьель изобрёл бездымный (пироксилиновый) порох (Poudre B). В его состав входила чистая нитроцеллюлоза (пироксилин) двух видов (68% с содержанием азота 13% и 30% с содержанием азота 12%) с добавлением стабилизаторов (2% парафина). При производстве пороха нитроцеллюлозная масса замешивалась на эфирно-спиртовой смеси (растворителе) до превращения её в плотное желе. Поскольку 13% пироксилин растворялся плохо, то часть растворителя оставалась в свободной форме, что приводило к неравномерности горения. Чтобы удалить остатки растворителя порох нужно было долго сушить (срок доходил до месяца). Этот порох стал применяться в стрелковом оружии и артиллерии разных стран.
В 1887 году Альфред Нобель запатентовал баллистит — бездымный порох, состоящий из двух компонентов: 49% нитроцеллюлозы, 49% нитроглицерина, 2% камфоры в качестве стабилизатора. Этот состав оказался не слишком удачным: камфора со временем испарялась (после чего порох разлагался), температура горения оказалась очень высокой (что вредно влияло на ресурс стволов), а технология производства оказалась крайне опасной (что регулярно приводило к авариям и взрывам).
В 1888 году порох, аналогичный по составу французскому, был разработан и внедрён в Германии группой специалистов Прусской оружейной комиссии.
В 1889 году англичане Фредерик Абель и Джеймс Дьюар разработали кордит, состоящий из нитроцеллюлозы (около 58%), нитроглицерина (около 37%) и минерального вазелинового масла (около 5%), формируемый в виде тонких нитей или шнурков с помощью ацетона. Кордит стал основным порохом, используемым в британской армии.
В 1893 году русский химик Дмитрий Иванович Менделеев разработал свою технологию получения бездымного (пироколлодийного) пороха. В отличие от Вьеля, он взял нитроцеллюлозу с содержанием азота 12,5%. Она полностью растворялась в эфирно-спиртовой смеси, образуя однородную массу (коллоид). Вода из пироксилина вытеснялась спиртом, который потом становился частью растворителя (эфирно-спиртовой смеси). Отсутствие нагрева делало производство пороха намного безопаснее и значительно ускоряло процесс (до нескольких дней или даже часов). Поэтому этот способ получения нитроцеллюлозных порохов позже стал применяться во всём мире.
Разработка Д.И.Менделеева велась под патронажем Морского министерства, а за снабжение армии отвечало Главное артиллерийское управление Военного ведомства. Одно это уже создавало ведомственные барьеры. В то же время управляющий Охтинским пороховым заводом полковник Николай Фёдорович Фёдоров (подчинявшийся ГАУ) продвигал французскую технологию пироксилинового пороха. Он воспринимал Д.И.Менделеева как опасного конкурента, отнимающего у завода славу и финансирование. Великий князь Михаил Николаевич, который в ту пору курировал русскую артиллерию, поддержал «своего» человека. Основным аргументом стало то, что французская технология уже внедрена, а как покажет себя пироколлодийный порох при массовом производстве — неизвестно. От того, что технология производства пороха, предложенная Д.И.Менделеевым, более безопасна и порох, полученный таким путём, дольше хранится, просто отмахнулись.
Оскорблённый недоверием и саботажем чиновников, Д.И.Менделеев в 1895 году подал в отставку из МТК. Но чиновникам этого показалось мало. Морское ведомство не только не засекретило формулу и технологический процесс, но открыто опубликовало подробный отчёт о них в журнале «Морской сборник». Эти материалы привлекли внимание находившегося в то время в России в составе дипломатической миссии лейтенанта ВМС США Джона Бернаду. Он быстро оценил их значение и в 1900–1901 годах оформил на себя патент на изобретение Д. И. Менделеева. Вскоре патент был передан компании DuPont для промышленного применения. В результате во время Первой мировой войны Россия закупала порох в США, вместо того чтобы использовать для наращивания производства собственное (русское) изобретение.
История про Бернаду отвергается в американских источниках, но российские по большей части на ней настаивают. Автор в эту дискуссию углубляться не желает.
Первоначально снаряды и заряды снаряжались одним и тем же чёрным порохом. Но в отличие от зарядов орудий, для разрывных снарядов требовалось вещество с гораздо большей скоростью детонации. Поэтому на смену дымному пороху в артиллерии пришли бризантные взрывчатые вещества.
В 1868 году англичанин Фредерик Август Абель разработал технологию прессования пироксилина. Кроме того, он показал, что влажный пироксилин (с содержанием воды 10–30%) безопасен в обращении. В 1882 году в Германии проводят успешные испытания первых пироксилиновых снарядов. Затем их принимают на вооружение многие страны, в том числе и Россия. Однако в начале XX века интерес к использованию влажного пироксилина для снаряжения фугасных снарядов падает. Как выяснилось, он оказался слишком требовательным к условиям хранения: плохо переносил перепады температур, при высыхании (ниже 3%) становился взрывоопасным, а при переувлажнении (свыше 50%), наоборот, полностью терял способность взрываться.
Сказку А. С. Новикова-Прибоя о том, что какие-то вредители поставили на эскадру снаряды, в которых «у пироксилина вместо нормальных 10% было 30% влажности», оставим на его совести. 10–30% — это как раз «рабочий диапазон».
В 1885–1887 годах во Франции для снаряжения снарядов принимают мелинит (пикриновую кислоту). Технологию его применения разработал Эжен Тюрпен. Вскоре и другие страны создают свои аналоги на основе пикриновой кислоты: Великобритания — лиддит (1888 год), Япония — шимозу, Италия — пертит, Испания — пикринит, США — тринитрофенол (TNP). Все эти названия означают одно и то же. Главная проблема тринитрофенола в том, что он вступает в реакцию с железом, образуя пикраты — химические соединения, чрезвычайно чувствительные к удару или трению. Неосторожное обращение с ними приводит к взрыву. Чтобы избежать этого, корпуса снарядов стали изнутри покрывать специальным лаком, а мелинит вкладывать в них в виде спрессованных шашек, обёрнутых в защитную оболочку. И всё же, как это ни странно звучит для взрывчатого вещества, мелинит (тринитрофенол) оказался слишком небезопасен.
В Германии мелинит получил немного странное название “снарядное наполнение 88” (Granatfüllung 88). Дело в том, что немцы его не изобретали. В 1889 году капитан французской артиллерии Трипон выкрал секрет мелинита и продал его Германии. Изобретатель мелинита Тюрпен узнал об этой истории и предал её огласке, обвинив французское командование в халатности. Реакция последовала незамедлительно: в 1891 году Тюрпена посадили в тюрьму на 5 лет за разглашение государственной тайны. Правда, под давлением общественной кампании через 2 года всё-таки выпустили.
В России первые опыты с мелинитом проводил в 1888–1891 годах химик Семён Панпушко, но он погиб при взрыве. Поэтому разрешение снаряжать снаряды мелинитом последовало только в 1894 году. Хотя мелинит по фугасному действию превосходит пироксилин в 1,5–2,0 раза, основным ВВ в русских снарядах остался последний, как более безопасный и уже освоенный в производстве.
В 1902 году Германия первая в мире приняла тротил (тринитротолуол) для снаряжения снарядов, мин, бомб и так далее. Это вещество было синтезировано ещё в 1863 году немцем Юлиусом Вильбрандом, который предложил использовать его в качестве красителя. Взрывчатые свойства тротила были изучены немецким химиком Карлом Хёйссерманом в 1891 году. Оказалось, что его очень трудно детонировать. Тротил не взрывается даже от удара пули, не говоря уже про трение, тряску или нагрев. Он плавится при 80 градусах, что позволяет заливать его в снаряды сравнительно безопасно. Срок хранения — около 25 лет. Вслед за Германией тротил для снаряжения был принят в России (1909), Франции (1911), США (1912), Великобритании (1914). А затем он стал стандартной взрывчаткой во всех странах.
Теперь все, даже ядерные, взрывы измеряют в тротиловом эквиваленте.
СЫРЬЁ И МАТЕРИАЛЫ
Основу бездымного пороха (нитропороха) составляет нитроцеллюлоза (пироксилин), получаемая из клетчатки (хлопковой или древесной) путём её нитрования смесью серной и азотной кислот.
Для получения нитропороха используют хлопковую вату или древесную целлюлозу. Как известно, хлопок произрастает в жарких странах, ему нужно жаркое лето с температурой 25-30°. Поэтому в царской России основным районом его выращивания стал Туркестан (Средняя Азия, 85-90% урожая). Вторым по значимости было Закавказье (территория Армении и Азербайджана). Однако производство хлопка в этих регионах покрывало постоянно растущие потребности империи только на половину. К началу Первой мировой войны потребность в чистом хлопковом волокне составляла более 400 тыс.тонн, из которых 200 тыс.тонн поступали из-за границы. Ключевым внешним поставщиком традиционно оставались США, гораздо меньшие объёмы поступали из Египта, Персии и Британской Индии. Так как хлопок нужен не только для получения пороха, его дефицит тут же сказывался на огромном числе товаров (тканей, одежды, нижнего и постельного белья, перевязочных материалов, брезента, приводных ремней, изоляции проводов и т.д.).
При изготовлении пороха древесная целлюлоза может быть полноценной заменой хлопку, при условии её достаточной очистки. Она составляет примерно 45% древесины хвойных и лиственных пород и получается путём её химического измельчения (варки). Методы сульфатной и сульфитной варки целлюлозы известны с XIX века, но из-за доступности хлопкового сырья они не получали значительного развития. Например, в России на Лялинской писчебумажной фабрике (на Урале) или Труевской фабрике купца Петра Васильевича Сергеева (в Пензенской губернии) в 1910 году сульфатным способом перерабатывали только солому. Во время Первой мировой войны на Урале началось строительство первого завода по выпуску сульфатной целлюлозы, но из-за известных событий он смог выдать первую продукцию только в 1918 году.
Тротил (тринитротолуол) получается путём нитрования толуола смесью азотной и серной кислот.
Толуол, как и бензол, можно получать в качестве побочного продукта при коксовании каменного угля или перегонке нефти. Но на русских заводах этого не делали. Лёгкие фракции (толуол и бензол) просто сжигались. В результате для военных нужд толуол закупался в Германии. С началом боевых действий его импорт, естественно, прекратился. Пришлось срочно размещать заказы на толуол и готовый тротил в США и Великобритании и заменять тротил в снарядах суррогатами. Кризис удалось преодолеть в 1916 году, когда начали работать отечественные бензольно-толуоловые улавливающие установки. Кроме того, три завода (в Баку, Ярославле и Казани) освоили выпуск из нефти толуола и бензола пирогенетическим способом, разработанным инженерами Владимиром Егоровичем Бородиным и Ксенофонтом Павловичем Никифоровым.
Практически всю азотную кислоту вплоть до начала XX века получали вытеснением её из природной селитры концентрированной серной кислотой при нагревании. Старинный процесс получения селитры кустарным биохимическим способом в селитренницах (буртах) уже не покрывал спроса. Главным источником стали залежи чилийской селитры, которые контролировались английским капиталом. В случае войны поставки селитры могли быть прерваны, что привело бы к остановке производства взрывчатки.
Азотную кислоту можно также получить из оксида азота. В 1902 году немецкий химик Вильгельм Оствальд запатентовал метод, суть которого заключалась в получении оксида азота путём сжигания смеси аммиака и воздуха, пропускаемой через платиновую сетку, раскаленную с помощью электрического тока.
Существенным источником технического азота мог служить азот, содержащийся в твёрдом топливе и улавливаемый при пирогенетической переработке ископаемых углей и торфа (коксовании, газификации). Содержание азота в каменном угле зависит от местоположения и возраста угля. Например, угли Донецкого бассейна содержат 1,55–1,70% азота. Но далеко не весь азот, имеющийся в угле, может быть извлечен при химической переработке. При коксовании угля (то есть при нагревании до 900–1100°C без доступа воздуха) связанный азот распределяется между всеми продуктами процесса, и уловить удаётся только ту часть, которая переходит в коксовый газ в форме аммиака — обычно не более 15–20% от общего объёма. Таким образом, в среднем коксовое производство давало 3,0–3,5 кг аммиака на тонну коксуемого угля (шихты), или 4–4,3 кг на тонну кокса.
Улавливать аммиак при коксовании угля научились во второй половине XIX века. Но в России лишь с 1910 года начали устанавливать печи рекуперации побочных продуктов коксования. В 1913 году действовало 848 таких печей, и они дали 1272,8 тысячи тонн кокса и 16,2 тысячи тонн 25%-й аммиачной воды. В 1916 году на базе донбасского коксохимического завода в Юзовке было запущено первое в России производство азотной кислоты по методу Оствальда, что позволило ослабить “селитренный голод”.
Первая промышленная установка окисления азота кислородом при температуре около 3000°С путем пропускания воздуха через дуговую электрическую печь по методу Х.Биркеланда и С.Эйде была введена в действие в Нотоддене (Notodden, Норвегия) в мае 1905 года. Недостатком этого метода получения “норвежской селитры” являлся большой расход электроэнергии (80 000 кВт·ч на 1 тонну связанного азота). Он был применим лишь там, где она достаточно дешева (т.е. там где можно построить мощную гидроэлектростанцию).
Ещё одним промышленным методом получения азота стал цианамидный, разработанный немецкими инженерами А.Франком и Н.Каро. Метод основан на экзотермической реакции взаимодействия карбида кальция с элементным азотом при температуре около 1000°С. Поддержание температуры, необходимой для синтеза цианамида кальция в промышленных аппаратах, осуществляется автотермически — за счет тепла реакции. Небольшой расход электроэнергии необходим лишь в начальный период для создания очага реакции. Кроме того, электроэнергия требуется для получения элементного азота из воздуха методом сжижения и ректификации последнего. На 1 т связанного азота суммарно расходуется около 7,5 т известняка, 3,5 т каменного угля и 12 тыс. кВт ч электроэнергии. Первая промышленная установка производства цианамида кальция была построена в 1905 году в Италии.
В 1909 году немцы Фриц Габер и Карл Бош научились получать аммиак из атмосферного азота и водорода под действием высоких давлений и температур в присутствии железного катализатора. На основе длительных исследований ими были определены оптимальные условия синтеза аммиака при давлении 20,2 МПа и температуре около 550°С, сконструирован и испытан опытный реактор, на котором в 1910 г. была доказана принципиальная возможность промышленного производства синтетического аммиака. В 1912 году в Людвигсгафене (Ludwigshafen, Германия) была построена и пущена в эксплуатацию опытная установка производительностью около 1 тонны аммиака в сутки. В 1913 году было закончено строительство завода в Оппау, который начал производить 25 т аммиака в сутки. Второй большой завод синтетического аммиака Лойна-Верке (Leuna-Werke) в Мерзебурге был построен и введен в действие в 1916 году. Его мощность к концу 1917 года достигла 400 тонн в сутки. Это позволило Германии так долго продержаться без импортной селитры.
Залежи серы находились в Поволжье (недалеко от Самары), в XVIII веке здесь добывали серу для пороха всей русской армии. Однако богатые пласты постепенно истощились. Тогда прибегли к закупке дешёвой сицилийской серы. Поволжские кустарные промыслы не выдержали конкуренции, в результате к 1911 году добыча самородной серы в России прекратилась. Выход был найден в том, чтобы для производства серной кислоты использовать не чистую серу, а железный колчедан (пирит). Его залежи на Урале были огромны, но уральский пирит содержит много примесей, особенно смертельного мышьяка. Поэтому до войны русские заводы предпочитали использовать чистый колчедан, который привозили из Испании и Португалии.
Добыча серы из природных залежей в районе Самары была вновь налажена в 1920-х годах, когда выяснилось, что здесь сохранились запасы более глубокого залегания.
В 1897-1903 годах инженеры Тентелевского химического завода в Санкт-Петербурге разработали передовой контактный метод производства серной кислоты повышенной концентрации (олеума), необходимой для производства взрывчатых веществ. Созданные ими аппараты были настолько эффективны, что патенты на эту технологию закупали даже заводы Германии, Великобритании и США. Однако общие объёмы производства серной кислоты всё равно критически уступали немецким, и прекращение импорта европейского колчедана в 1914 году привело к тяжелейшему кризису снабжения. Выход был найден в скорейшей разработке метода эффективной очистки пирита от мышьяка и улавливании сернистого газа, выделяющегося при обжиге медных руд. Для увеличения производства были построены новые предприятия на Урале, в Поволжье и на Донбассе.
ВОЕННЫЕ СУРРОГАТЫ
Производство аммиачной селитры (нитрата аммония) несопоставимо проще, безопаснее и дешевле, чем сложнейший многоступенчатый синтез тротила.
Получение аммиачной селитры сводится к простой химической реакции нейтрализации: газообразный аммиак пропускают через раствор азотной кислоты. Этот процесс идет мгновенно, выделяет собственное тепло (автотермичен), требует самого элементарного оборудования и не нуждается в строгом температурном контроле. Огромная разница в сложности и стоимости производства подсказывала экономическую эффективность использования для снаряжения снарядов в военное время смесей на основе аммиачной селитры вместо чистого тротила. Это давало многократное увеличение объемов выпуска взрывчатых веществ при весьма скромных вложениях.
В качестве суррогатного взрывчатого вещества чаще всего используется аммотол (смесь аммиачной селитры и тротила). Для снаряжения фугасных снарядов и миномётных мин используется смесь из равных частей аммиачной селитры и тротила. Для авиационных бомб и сапёрных мин берут смесь из 80% аммиачной селитры и 20% тротила, так как при их больших объёмах падение эффективности ВВ не так заметно. Для ручных гранат (содержащих незначительное количество взрывчатого вещества) используют “бедный” аммонал. Это тоже смесь аммиачной селитры (80%) и тротила (15%) с добавлением алюминиевой пудры (5%), которая существенно увеличивает температуру и фугасность взрыва. Более стабильный состав (селитра 65%, тротил 20%, алюминий 15%) использовался в снарядах (такой состав во время войны массово применялся для их снаряжения во французской армии).
Аммонийный (аммиачный) порох, изобретенный в 1867 году шведскими инженерами И.Норбином и А.Ольсеном, занимал пограничное положение: при поджигании обычным воспламенителем он вел себя как порох, а при инициировании капсюлем-детонатором — как взрывчатое вещество. По методу Краузе этот малодымный состав прессовался в зерна и состоял из 80—90% аммонийной (аммиачной) селитры (нитрата аммония) и 10—20% углеродистого горючего (древесного угля, торфа или древесной муки). Первое коммерческое применение пороха началось в 1869 году в Германии на фабрике в Роттвайле (Rottweil) под торговым наименованием «аммонкрут». В Австрии также выпускалась целая линейка составов подобного типа, которые использовались и как метательные заряды, и как ВВ (в последнем качестве вещество получило название “динамон”). Однако в качестве пороха для артиллерийских орудий эти смеси оказались малопригодными: высокая гигроскопичность приводила к быстрому отсыреванию и разложению зарядов, а температурные колебания приводили к тому, что пороховые зерна растрескивались и превращались в пыль. В результате аммонийные смеси использовались лишь как вынужденное суррогатное решение в периоды дефицита сырья (в военное время). При первой возможности войска возвращались к стабильным пироксилиновым и нитроглицериновым составам.
ЧТО МОЖНО БЫЛО УЛУЧШИТЬ
Из-за ведомственных барьеров и консерватизма военной бюрократии Россия отказалась от массового внедрения производства пороха по методу Д.И.Менделеева. Американская корпорация DuPont его успешно использовала. В результате во время Первой мировой войны производственные мощности DuPont превзошли объёмы выпуска всех российских пороховых предприятий, и России пришлось закупать порох в Америке по высоким военным ценам. Этого, конечно, нельзя было допускать, а развивать производство у себя.
О взрывчатых свойствах тротила в научных кругах стало известно ещё в начале 1890-х годов. Однако в то время ведущие армии мира были увлечены мелинитом, и новое вещество долго оставалось без должного внимания. К тротилу вернулись лишь спустя годы, после череды трагических катастроф. Если бы потенциал тротила был оценен своевременно, страна могла бы начать освоение его производства гораздо раньше 1909 года, избежав многих проблем, связанных с химической нестабильностью пикриновой кислоты.
Гром не грянет — мужик не перекрестится.
Попытка царских военных чиновников решить проблемы снабжения армии порохами и взрывчатыми веществами за счёт импорта готовых материалов и исходного сырья провалилась сразу же после первых залпов Великой войны. Зависимость оборонного сектора от импортных компонентов поставила русскую промышленность в крайне тяжёлые условия. Сокращение иностранных поставок лишило отечественные заводы возможности оперативно наращивать объёмы производства вслед за возросшими потребностями фронта. Это способствовало появлению “снарядного голода”. А ведь этой ситуации вполне можно было избежать — всё необходимое сырьё в России было, но нужно было организовать его добычу и переработку.
Император Александр III последовательно проводил курс на протекционизм и развитие отечественной промышленности. Он (в отличие от тогдашних чиновников и современных “эффективных менеджеров”) хорошо понимал простое экономическое правило: деньги, выплаченные за импортные товары, навсегда уходят из страны, а средства, вложенные в отечественное производство и добычу, остаются внутри государства. Вложения в российскую экономику запускали долгосрочный экономический оборот. Деньги шли на зарплаты русским рабочим, расширение фабрик и закупку местного сырья, после чего неизбежно и в многократном размере возвращались в казну в виде налогов и сборов. Создание замкнутых внутренних производственных цепочек превращало военные расходы в полезные инвестиции.
Все мероприятия по самообеспечению сырьём и материалами, в великой спешке проводившиеся во время Первой мировой войны, могли бы быть реализованы на 15-20 лет раньше. Нарастить производство всегда легче чем создать его заново. Поэтому своевременное и последовательное развитие в мирное время позволило бы в военное время избегнуть тех кризисных явлений, которые произошли в реальной истории.
Автор будет благодарен за комментарии, вопросы и уточнения, для более полного раскрытия темы.
