Исходя из прошлого опыта конспектирования, я просто взял с собой в ресторан лаптоп и Женя сам набил основные тезисы, затем я составил основной текст, и третий наш знакомый его отредактировал до удобочитаемости. Согласие всех авторов для публикуции на данном ресурсе получены.
Для начала, краткое введение в курс взрывчатых веществ, почему одни вещества горят, а другие детонируют. Рассмотрим тротил и бездымный порох, одноосновный: если воздействовать достаточным тепловым импульсом на тротил, то внешние его слои разогреются до температуры разложения и распадаются с образованием газообразных продуктов реакции. Так как процесс экзотермический, газы имеют высокую температуру и нагревают нижележащие слои, которые, в свою очередь, разлагаются и поддерживают весь процесс. Скорость распространения реакции по веществу определяется теплопроводностью и скоростью оттока продуктов реакции. Иными словами, если горение происходит при высоком давлении, горячие газы дольше задерживаются у поверхности взрывчатого вещества, сильнее его нагревают и в целом реакция идёт быстрее. Быстрое послойное сгорание взрывчатого вещества – дефлаграция, важное свойство порохов. Тротил так же обладает этим качеством и используется как высокоэнергетическая добавка к порохам.
Теперь рассмотрим второй вариант событий: по поверхности взрывчатого вещества нанесён удар. Внешние слои сжимаются, так как низлежащие стараются под действием явления инерции оставаться в покое. Сжатие вещества происходит достаточно быстро, чтобы процесс можно было считать адиабатическим, т.е. вся совершенная над веществом работа расходуется на изменение его внутренней энергии, температуры. В случае если удар был достаточно сильным, внешние слои от сжатия нагреются до температуры разложения и превратятся в нагретые газообразные продукты реакции, которые расширяясь, нанесут удар по следующему слою. Если первичный импульс вовлек в реакцию необходимое количество вещества, то реакция станет самоподдерживающейся и охватит в итоге весь объем. Если удар был слабым, либо недостаточной площади, реакция быстро затухнет или перейдёт в послойное горение. Критической разницей между дефлаграцией и детонацией является скорость и механизм распространения реакции по веществу. При детонации нагрев слоя до температуры начала реакции происходит без участия теплопроводности, от сжатия и переносом импульса в веществе занимается ударная волна сжатия, поддерживаемая протекающим за ее фронтом разложением с образованием горячих продуктов распада, находящихся под большим давлением.
Зачем это вступление? Для объяснения сути проблем применения взрывчатых веществ в военном деле. Но к этому вернемся немного позже, а для начала разберем: что хотят военные от нового взрывчатого вещества. Мощности? Нет. Когда изобретатель обращается в военное министерство с рецептом новой супервзрывчатки, вопрос о ее могуществе встает не ранее чем третьим. Перво-наперво, людей в погонах интересует вопрос практической применимости данного взрывчатого вещества. Сюда входят: а) безопасность применения, б) безопасность хранения (максимальная длительность безопасного хранения в широком диапазоне условий), в) безопасность снаряжения боеприпасов, г) безопасность производства. Если взрывчатое вещество детонирует от падения пера колибри, оно непригодно и нет смысла спрашивать, во сколько раз оно мощнее тротила. Второй вопрос людей в погонах: доступность компонентов и производительность процесса синтеза. Вновь, нет смысла уточнять характеристики потенциала ВВ, если для его производства требуются слезы единорога и прочий унобтаниум по полкило на тонну продукта или если в производстве присутствуют процессы, проходящие непременно в активной зоне реактора или только в фотосфере голубых гигантов.
Рассмотрим, вновь на примере тротила, как указанные факторы влияют на применение взрывчатого вещества и отношение к нему военных. Итак, в 1891 году была открыта способность тринитротолуола к самоподдерживающейся детонации. Почему потребовалось без малого три десятилетия для установления того простого факта, что взрывчатка – взрывается? Перечитаем два первых абзаца: мы легко можем представить, как профессор лучиной поджигает крупицу только что синтезированного тринитротолуола и вписывает в лабораторный журнал (морщась от гари) «новое вещество на воздухе сгорает желтым пламенем с большим количеством сажи, что говорит нам о недостатке кислорода и неполном окислении углерода». Получив побольше вещества он засыпает его в бумажную гильзочку и пытается вызвать детонацию небольшой навеской гремучей ртути. С трудом полученный порошок разлетается по лаборатории и сбор остатков показывает, что некоторые крупинки имеют следы оплавления и горения. Почему так произошло? Мелкие крупинки отделены друг от друга воздушной прослойкой, которая гасит ударную волну, не давая ей передаваться от одного кристалла к другому. Профессор вписывает в журнал (смахнув желтоватую пыль) «новый состав совершенно инертен и от навески в половину грамма гремучей ртути не детонирует». Опыт повторят много раз в различных лабораториях по всему миру, с неизменным результатом: порошок тротила отказывается детонировать. Но наш профессор не сдается! Он сплавляет на водяной бане несколько грамм тринитротолуола и отливает в прежнюю бумажную гильзочку. Вновь устанавливает детонатор из гремучей ртути и проводит эксперимент во взрывной камере. Выгребя из нее тонко помолотый порошок тринитротолуола профессор делает в лабораторном журнале очередную запись: «нет, совсем не взрывается». Что пошло не так на этот раз? Процесс детонации можно рассматривать как строго адиабатический только в первом приближении, на деле сжимаемый слой успевает отдать какое-то количество теплоты окружающей его массе взрывчатого вещества и эти теплопотери тем выше, чем выше плотность образца и чем он однороднее. Литой тротил имеет плотность близкую к абсолютной кристаллической, и может считаться однородным, поэтому для возбуждения детонации требуется воздействие значительной силы, много больше, чем дает стандартный капсюль-детонатор.
Только много лет спустя Хауссерманн додумался не сплавлять кристаллы тротила, а спрессовать их до монолитного состояния. Прессование устраняет пустоты между кристаллами, плотно прижимая их один к другому и «сцепляя» между собой, одновременно все же сохраняется четкая граница между зернами, препятствующая быстрому оттоку тепла. В таком виде детонацию тротила легче возбудить, по существу воздействуя на внешний слой условно обособленных зерен, и рожденная ударная волна не рассеется в воздушных прослойках, легко переходя от кристалла к кристаллу.
Как можем убедиться, даже в лабораторных условиях банально выяснить является ли тринитротолуол самостоятельным ВВ или нет, оказалось совсем непросто. В связи с чем, поднимается другой вопрос: практической применимости в военном деле. Если тринитротолуол настолько сложно заставить детонировать в лаборатории, как это сделать на поле боя, безотказно и безопасно? Очевидный, на первый взгляд, вывод: увеличить размер детонатора. Более мощный детонатор сильнее ударит по заряду и компенсирует потери тепла в литой шашке. Но вспомним второй абзац. А что если удар по некоторому слою взрывчатого вещества будет наносить не жало ударника, не ударная волна, но лежащая выше масса самого вещества? В момент выстрела из орудия снаряд приобретает ускорение в тысячи и десятки тысяч метров в секунду за секунду, что мгновенно придает каждому его компоненту вес в тысячи раз больше покоящегося. В короткое мгновение заряд гремучей ртути в детонаторе вместо одного грамма весит как десяток килограмм, что само по себе равноценно удару. Из этого следует ограничение на максимальный размер детонатора, который не будет срабатывать под собственным весом в момент выстрела. И этого детонатора категорически недостаточно для надежного возбуждения взрыва тротила. Потребовались многочисленные эксперименты, годы исследований и немалые материальные затраты для создания модели многоступенчатой детонации и отработки практически применимой схемы. Сейчас, с высоту более ста лет прогресса легко указывать пращурам: да надо было всего-навсего под детонатор из гремучей ртути положить таблетку тетрила или подобного вещества, и все это упереть в столбик прессованного тротила в массе литого! Примерно так будут через сто лет писать про термоядерный синтез: чего они там полвека копались и куда слили миллиарды кредитов, надо было просто <хххххх> и все!
Хорошо, мы доказали безопасность и практическую применимость тринитротолуола для снаряжения боеприпасов. Самой технологии снаряжения у нас пока нет, это дело будущего, но как минимум лабораторные образцы проходят все положенные испытания. И тут во весь свой внушительный рост, встает вопрос №2. Сколько стоит, и из чего получать будете? В этом месте отсеивается 90% кандидатов. Тринитротолуол, год 1891й. Синтез многоступенчатый, порционный, с многократным разделением продуктов реакции отгонкой, осаждением, выпариванием и вымораживанием. Конечный этап выполняется в присутствии безводной серной кислоты с высоким содержанием растворенного сернистого ангидрида (олеум). Олеум сам по себе промышленностью не производится и кустарным способом его получают для нужд различных лабораторий. Вопрос о военном применении закрыт.
Понадобилось дополнительно почти десять лет, прежде чем был изобретен способ промышленного производства серной кислоты крепостью 98%, что дало возможность начать работы по поиску промышленно приемлемого способа получения тринитротолуола. У Хауссерманна ушло одиннадцать лет на разработку такой методики. В этом месте источники разнятся, но большинство говорит о том, что профессор все это время уже работал на Carbonit AG либо был тем или иным образом его работы финансировались предприятием из Шлебуш. Необходимо было не просто придумать сам процесс получения тринитротолуола в три стадии непрерывным методом, а подтвердить его реализуемость. Провести колоссальный объем расчетов динамической системы реакционного раствора во всем диапазоне эксплуатационных условий, на тысячах экспериментов подтвердить правильность расчетов, продумать все вспомогательные процессы и создать хоть бы экспериментальную, лабораторную модель промышленной установки. И повторно на экспериментах и моделях доказать масштабируемость метода и принципиальную осуществимость цикла в промышленных объемах. На синтезе тринитротолуола производство не заканчивается, далее продукт требуется очистить от примесей и делать это непрерывно, с производительностью основного процесса синтеза. Это новые расчеты и новые эксперименты. Каждое подобное большое открытие или принципиально новая технология влекут за собой каскад других патентов, открытий, изобретений либо просто инноваций и улучшений.
На этом этапе у нас уже имеется технология промышленного производства тринитротолуола, доказана безопасность его производства, хранения и применения, отработана методика боевого применения. Осталось разработать технологию безопасного и производительного способа снаряжения боеприпасов, а это отдельная история. Вспомним предшественника тринитротолуола, тринитрофенол (пикриновая кислота, мелинит, лиддит, шимоза). Ходит легенда о якобы имевшей быть шпионской истории с выносом крошек образца, переправкой на родину, и последующим «открытием секрета мелинита». Если бы в жизни все было настолько просто… Химическая формула никакого секрета не представляла, ее мог взять в справочнике любой желающий, что зашифровано под названием «Melinite» легко вычислялось по ввозимому на фабрику сырью. Истинный секрет был в технологии снаряжения боеприпасов и методе синтеза. Если со вторым в России разобрались достаточно быстро, то вопрос снаряжения долго не давался и стоил много крови. До конца этот секрет так и не удалось раскрыть и к моменту снятия с производства мелинитовых снарядов.
Сделаем очередное отступление и кратко углубимся в теорию. Что такое кристалл, объяснять не буду, как и то, что большинство твердых предметов, имеющих кристаллическую структуру, состоят на деле из большого числа мелких кристаллов. Если расплав залить в форму и дать время остыть, он затвердеет, кристаллизуется. При этом как именно будут выглядеть кристаллы, и какие свойства получит затвердевшая отливка, зависит от целого ряда факторов. Если брать осесимметричную отливку с большим отношением высоты к диаметру (заряд ВВ в снаряде, сталь в изложнице), то кристаллизация начинается на стенках и основной объем составляют длинные игольчатые или столбчатые кристаллы, радиально сходящиеся к оси отливки. Средняя плотность полученного таким образом слитка невелика, он отличается рыхлой, зачастую пористой структурой и может иметь усадочные раковины в верхней трети. Прямая заливка расплавленного тринитрофенола в снаряды неприемлема. Французский секрет технологии снаряжения заключался в том, что тринитрофенол не расплавлялся до жидкого состояния, а доводился только до тестообразного и уже в таком виде набивался в корпуса снарядов. Затем прессованием повышалась плотность полученного заряда, после чего готовые снаряды ставились в печи, где выдерживались при температуре ниже точки плавления. Итогом была однородная, мелкокристаллическая структура слитка, его высокая плотность. Для надежной детонации переплавленного таким образом тринитрофенола требовался большой заряд прессованного порошка по оси, полость под него получалась естественным образом при прессовании, от пуансона. Требовалось соблюсти тонкий баланс между надежностью и безопасностью. Для надежного возбуждения детонации желателен большой заряд прессованного тринитрофенола по всей оси литого заряда. Но при выстреле слишком высокий столб может не выдержать собственного веса и детонировать преждевременно. Первое применение снаряженных лиддитом снарядов в войне с бурами показало катастрофический процент отказов и неполной детонации британских боеприпасов: недостаточная масса промежуточного детонатора либо его отсутствие на некоторых типах боеприпасов. С другой стороны, аномально высокий процент преждевременных разрывов японских фугасных снарядов при их безотказном срабатывании лично меня наводит на мысль о слишком большом промежуточном заряде спрессованного под слишком высоким давлением. Это только предположение, но, на мой взгляд, преждевременные взрывы снарядов японского флота связаны не с нестойкостью тринитрофенола, а с особенностями снаряжения и размерами промежуточного детонатора. По аналогии с британскими снарядами малого и среднего калибра, промежуточный детонатор состоял из картуза с таблетками прессованного тринитрофенола. Для небольших снарядов такая процедура снаряжения приемлема, но снаряд крупного калибра нуждается в массивном промежуточном детонаторе, и при выстреле столб «таблеток» мог раздавить те из них, что находятся на дне, вызвав преждевременную детонацию. С другой стороны, именно в Японии был разработан прогрессивный и более производительный метод снаряжения боеприпасов. Суть «взрывчатки Симосе» в процессе, названном по фамилии изобретателя: шимозации. Расплав тринитрофенола помещается в баки с мешалками и остывает при постоянном и энергичном перемешивании до тех пор, пока не достигнет густоты сметаны или полужидкой кашицы. После чего шла заливка снарядов обычным способом, высверливалось глухое отверстие по оси заряда под промежуточный детонатор и так далее. Что давала дополнительная операция? Кристаллизация расплава начиналась в баке, но благодаря мешалкам кристаллы постоянно ломались и не могли вырасти, оставаясь взвесью большого числа мелких кристалликов. Окончательная кристаллизация завершалась в корпусе боеприпаса, но так как основная часть уже была представлена мелкокристаллической массой, в итоге получалась однородная отливка с хорошей кристаллической структурой и высокой плотностью, без усадочных раковин, трещин и пористости.
Вот этот бак с мешалкой и был недостающим звеном головоломки «мелинитных снарядов», которую не сумели разгадать в России, а вовсе не количество слоев вощеной бумаги между зарядом тринитрофенола и стальным корпусом снаряда. Технология шимозации пришла в Россию много позже и была с успехом применена к процессу снаряжения боеприпасов триниротолуолом. Теперь и только теперь новое взрывчатое вещество может быть одобрено к применению и принято на вооружение, когда имеется недорогое исходное сырье, безопасная технология массового производства с разумной ценой конечного продукта, отработанная методика снаряжения боеприпасов и надежные средства инициирования. Могущество, Вы спросите? Вздор. Если новая рецептура превосходит прежнюю по первым двум вопросам, то будет принята на вооружение и вытеснит старый состав даже при некотором снижении боевых качеств. Яркий тому пример: тринитротолуол и тринитрофенол. Уступая последнему в плотности и потенциалу (работа, которую может теоретически совершить один килограмм ВВ при полном химическом превращении), тротил настолько превзошел мелинит по безопасности и массовости производства, что безоговорочно вытеснил его в кратчайшие сроки.
Извините за «многобукаф», но короче столь обширную тему не раскрыть. Вопросы методологии сравнения взрывчатых веществ оставим на следующий раз, тема не менее емкая.
