Перед выстрелом в орудие вкладывают снаряд и заряд пороха. Затем порох воспламеняют; он сгорает и обращается в газы, обладающие в момент своего образования очень большой упругостью. Эти газы, точно сильно сжатая пружина, с огромной силой начинают давить во все стороны (рис. 15).
Во все стороны – значит, и на дно снаряда.
Давление пороховых газов и выбрасывает снаряд из ствола с такой большой скоростью.
Рис. 15. Пороховые газы давят во все стороны, они выталкивают снаряд из ствола
В этом заключается особенность нашей «пружины»: ее энергия скрыта в порохе до тех пор, пока мы его не зажжем и пока он не обратится в газы. Тогда энергия освобождается и производит нужную нам работу.
Можно ли заменить порох бензином?
Скрытой энергией обладает не только порох: и дрова, и каменный уголь, и керосин, и бензин тоже обладают энергией, которая может быть использована при их сгорании.
Так почему бы не использовать для выстрела другое горючее, например бензин? При горении бензин, тоже обращается в газы. Почему бы не поместить над орудием бак с бензином и не подводить его по трубке в ствол? Тогда нужно будет при заряжании вкладывать только снаряд, а «заряд» сам потечет в ствол, Только открыть кран!
Это было бы очень удобно.
Да и качества бензина как топлива как будто выше качеств пороха: если сжечь один килограмм бензина, выделится 10 000 больших калорий, а один килограмм пороха даст при сгорании лишь 665—910 калорий, то-есть раз в 11-16 меньше, чем бензин. Это значит, что килограмм бензина дает столько тепла, что им можно было бы нагреть на один градус 10 000 литров воды, а килограмм пороха нагреет всего лишь 665—910 литров воды.
Почему же не «стреляют бензином»?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, нужно посмотреть, как горит бензин и как горит порох.
На открытом воздухе и бензин, и порох горят не очень медленно, но и не очень быстро. Они горят, но не взрываются. Тут особой разницы между бензином и порохом нет.
Но совсем по-разному будут вести себя бензин и порох, если их поместить в замкнутом, закрытом со всех сторон пространстве, лишенном притока воздуха, например, в стволе орудия. Бензин в этом случае гореть не будет: для его горения нужен приток воздуха, приток кислорода.
Порох же в закрытом пространстве сгорит очень быстро: он взорвется и обратится в газы.
Горение пороха в закрытом пространстве – явление очень сложное, своеобразное, совсем не похожее на обычное горение. В науке подобные явления называют «взрывчатым разложением» или «взрывчатым превращением», лишь условно сохраняя за ним более привычное название «горение».
Почему же порох горит и даже взрывается без доступа воздуха?
Потому что в самом порохе содержится кислород, за счет которого и происходит горение.
В замкнутом пространстве порох сгорает чрезвычайно быстро, газов выделяется очень много, и температура их очень высока. В этом сущность взрыва; в этом отличие взрыва от обыкновенного горения.
Итак, чтобы получить взрыв, нужно зажечь порох непременно в замкнутом пространстве. Пламя тогда очень быстро, почти мгновенно, распространится по поверхности пороха, – произойдет его воспламенение. А затем порох сгорит и превратится в газы.
Так протекает взрыв. Он возможен только при наличии кислорода в самом взрывчатом веществе.
В этом именно и состоит особенность пороха и почти всех других взрывчатых веществ: в них самих имеется кислород, и они не нуждаются в притоке кислорода извне.
Возьмем хотя бы порох, применяющийся с незапамятных времен: дымный, черный порох. В нем смешаны уголь, селитра и сера. Горючим здесь является уголь. В селитре содержится кислород. А сера введена для того, чтобы порох легче зажегся; кроме того, сера служит скрепляющим веществом, она соединяет уголь с селитрой. При взрыве этот порох далеко не весь обращается в газы. Большая часть сгоревшего пороха, в виде мельчайших твердых частиц, осаждается на стенках канала ствола (нагар) и в виде дыма выбрасывается в воздух. Поэтому такой порох и называется дымным.
В современных орудиях применяется обычно бездымный, пироксилиновый порох. Его изготовляют из сильного взрывчатого вещества – пироксилина, обработанного смесью спирта и эфира. А пироксилин, в свою очередь, получают из хлопка, обработанного смесью азотной и серной кислот.
В пироксилиновом порохе, так же как и в дымном, содержится кислород. Этот кислород выделяется при взрывчатом превращении, и за его счет происходит сгорание пороха.
Пироксилиновый порох при горении весь превращается в газы, не дает дыма.
Итак, порох сравнивать с бензином нельзя: в порохе есть все, что нужно для его горения, а в бензине нет кислорода.
Поэтому, когда нужно добиться быстрого сгорания бензина в закрытом пространстве, например в цилиндре автомобильного мотора, нам приходится устраивать специальные сложные приспособления, для того чтобы предварительно смешать бензин с воздухом-приготовить горючую Смесь.
Рис. 16. При горении пороха образуется гораздо больше газов, чем при горении бензина
Порох в этом отношении гораздо удобнее.
Но дело не только в удобстве.
Мы уже сказали, что один килограмм бензина дает 10 000 больших калорий, тепла. Но, оказывается, для сгорания каждого килограмма бензина нужно к нему присоединить 15,5 килограмма воздуха. Значит, 10 000 калорий приходится не на один килограмм, а на 16,5 килограммов горючей смеси. Один же ее килограмм выделит при горении всего около 610 калорий. Это уже меньше, чем дает один килограмм пироксилинового пороха.
Как видим, смесь бензина с воздухом уступает пороху и в калорийности.
Однако главное все же не в этом. Главное в том, что при взрыве пороха образуется очень много газов. Количество газов, образующихся при сгорании одного литра дымного и пироксилинового пороха, показано на рисунке 16.
Объем этот газы заняли бы при охлаждении их до нуля градусов и при давлении в одну атмосферу, то-есть при нормальном давлении. Если же взять объем пороховых газов при температуре взрыва, то он будет еще во много раз больше.
Из рисунка 16 видно, что пироксилиновый порох выделяет, газов в четыре с лишним раза больше, чем дымный, черный порох. Поэтому пироксилиновый порох и сильнее дымного.
Но и этим не исчерпываются преимущества пороха перед обычными горючими. Большое значение имеет еще скорость превращения пороха в газы.
Взрыв порохового заряда при выстреле длится всего несколько тысячных долей секунды. Бензиновая смесь в цилиндре мотора горит раз в десять медленнее.
Пороховой заряд 76-миллиметровой пушки целиком превращается в газы меньше чем за 6 тысячных (0,006) секунды.
Такой малый промежуток времени даже трудно себе представить. Ведь «миг» – мигание века человеческого глаза – длится около трети секунды.
На взрыв порохового заряда уходит в пятьдесят раз меньше времени.
Взрыв заряда бездымного пороха создает в стволе орудия огромное давление: до 3 500-4 000 атмосфер, то-есть 3 500-4 000 килограммов на каждый квадратный сантиметр.
Высокое давление пороховых газов и очень малое время взрывчатого превращения и создают огромную мощность при выстреле. Такой мощности в тех же условиях не создает ни одно из других горючих.
Сильнее взрыва!
Почему же на открытом воздухе бездымный порох спокойно горит, а не взрывается?
На открытом воздухе можно по часам проследить время горения ленты бездымного пороха (рис. 17); между тем самый точный секундомер не позволяет измерить время взрыва того же пороха в орудии. Чем же объяснить такую разницу во времени?
Оказывается, все дело здесь в условиях, при которых происходит образование газов.
Рис. 17. На открытом воздухе порох горит спокойно. В замкнутом пространстве порох взрывается
При горении пороха на открытом воздухе образующиеся газы быстро рассеиваются: их ничто не удерживает. Поэтому давление не повышается, и скорость горения сравнительно невелика.
В замкнутом пространстве образующимся газам выхода нет. Они заполняют все пространство. Их давление поэтому растет. Под действием этого давления взрывчатое превращение идет очень быстро, то-есть весь порох очень быстро обращается в газы. Получается уже не обыкновенное горение, а взрыв (рис, 17).
Чем больше давление, тем больше скорость взрыва. Увеличивая давление, мы можем получить очень большую скорость взрыва. Такой взрыв, протекающий с огромной скоростью, в десятки и даже сотни раз большей, чем скорость обычного взрыва, называется детонацией. При нем воспламенение и взрывчатое превращение как бы сливаются, происходят одновременно.
Скорость взрыва зависит не только от давления. Можно иногда получить детонацию, не применяя большого давления.
Бывают случаи, когда взрывается, детонирует, например, угольная пыль или даже обыкновенная мука. Это случается тогда, когда они распылены в воздухе.
В обычных условиях уголь зажечь совсем не легко, а муку и того труднее. Но когда частицы угля и муки распылены в воздухе, они перемешиваются с воздухом. Каждая частица угля или муки окружена кислородом. Поэтому они так легко соединяются с кислородом, сгорают с огромной скоростью – детонируют.
Что же лучше для стрельбы-обычный взрыв или детонация?
Скорость детонации больше скорости обычного взрыва. Может быть, и работа, совершаемая газами при детонации, будет больше?
Попробуем заменить взрыв детонацией: создадим для этого в стволе давление большее, чем то, которое получается обычно при воспламенении пороха.
Для этого все то пространство в стволе, которое остается позади снаряда, заполним порохом. Воспламеним теперь порох.
Что получится?
Рис. 18. Произошла детонация, ствол орудия разорвало
Первые же порции газа, имея очень мало пространства для своего распространения, создадут в стволе очень большое давление. Под действием такого давления весь порох сразу обратится в газы: это еще во много раз увеличит давление. Все это произойдет в промежуток времени, неизмеримо меньший, чем при обыкновенном взрыве. Он будет измеряться уже не тысячными, а десятитысячными и даже стотысячными долями секунды!
Но что это случилось с орудием?
Посмотрите на рисунок 18.
Ствол не выдержал!
Снаряд не успел еще тронуться с места, как огромным давлением уже разорвало ствол на куски.
Значит, чрезмерная скорость взрыва, превращающая его в детонацию, не годится для стрельбы. Нельзя заполнять порохом все пространство за снарядом и таким способом создавать чрезмерное давление. В этом случае орудию грозит разрыв.
А если сделать орудие таким прочным, чтобы оно не разорвалось даже при детонации?
Мы вскоре узнаем, что и в этом случае детонация была бы невыгодна для стрельбы.
Рис. 19. Плотность заряжания этого орудия равна 0,9 кг / 3,2 л = 0,28 кг/л
Поэтому, составляя заряд пороха, никогда не забывают об объеме того пространства, в котором порох будет взорван, то-есть об объеме каморы орудия. Отношение веса заряда в килограммах к объему каморы в литрах называется плотностью заряжания (рис. 19). Если плотность заряжания превысит известный предел, появится опасность детонации. Обычно плотность заряжания в орудиях не превышает 0,5-0,7 килограмма пороха на один литр объема каморы.
Есть, однако, такие вещества, которые выделываются специально для получения детонации. Это – бризантные или дробящие взрывчатые вещества, например, пироксилин, тротил, гремучая ртуть, динамит. В отличие от них пороха называются метательными взрывчатыми веществами.
Бризантные взрывчатые вещества обладают интересными особенностями.
Например, одно из самых разрушительных бризантных веществ – пироксилин – лет сто тому назад применяли без всякого опасения для совершенно мирных целей: для зажигания свечей в люстрах. Пироксилиновый шнур зажигали, и он горел совершенно спокойно, чуть коптя, без взрыва, зажигая одну свечу за другой.
От удара же или от трения этот самый пироксилин, если его высушить и заключить в оболочку, взрывается. А при взрыве гремучей ртути такой сухой пироксилин детонирует.
Почему же бризантное вещество – пироксилин – ведет себя при различных обстоятельствах совсем по-разному: иногда горит, иногда взрывается, а иногда детонирует? Ведь, казалось бы, раз он создан для детонации, то он всегда должен детонировать.
Дело в том, что здесь прежде всего сказываются прочность химического соединения молекул, химическая и физическая природа вещества, способность вещества к взрывчатому превращению.
Влажный пироксилин горит, сухой пироксилин при ударе взрывается, а при взрыве гремучей ртути детонирует. Подобно этому различно ведут себя и другие бризантные взрывчатые вещества.
Одним бризантным веществам для быстрого взрывчатого превращения достаточно прикосновения пламени. В других-взрывчатое превращение происходит от удара. В третьих же оно наступает лишь при сильном сотрясении, вызванном взрывом другого взрывчатого вещества. Сотрясение от взрыва распространяется довольно далеко, на десятки метров. Поэтому многие бризантные вещества могут детонировать даже тогда, когда взрыв такого же или другого бризантного вещества произошел далеко от них.
При детонации все бризантное вещество мгновенно превращается в газы почти того же объема, который занимало это вещество до детонации. Один килограмм динамита, например, обратится в газы всего за две стотысячных секунды!
Здесь газам уже нет времени сравнительно спокойно, по мере образования, распространяться в воздухе. Газы с огромной силой и скоростью ударяют во все стороны; они разрушают все, что мешает им расшириться.
Чем ближе к взрывчатому веществу расположено препятствие для распространения газов, тем сильнее удар газов по этому препятствию. Поэтому бризантное вещество, взрываясь в сосуде, закрытом крышкой, дробит сосуд, а крышка обычно, хотя и слетает, но остается целой (рис. 20). Ведь дно и стенки сосуда соприкасаются с бризантным веществом, а крышка – нет.
Можно ли пользоваться бризантными взрывчатыми веществами для выстрела?
Рис. 20. Взрыв и детонация
Конечно, нет. Мы знаем, что при детонаций пороха разорвало ствол. То же самое произошло бы и в том случае, если бы мы вложили в орудие заряд из бризантного взрывчатого вещества.
Но небольшими порциями бризантных взрывчатых веществ пользуются в артиллерии для воспламенения порохового заряда.
Дело в том, что некоторые бризантные вещества отличаются необычайной, чувствительностью: гремучая ртуть, например, взрывается от простого укола и даже от сотрясения.
Чувствительностью гремучей ртути пользуются для воспламенения заряда пороха.
Однако применять гремучую ртуть в чистом виде нельзя, – она слишком чувствительна; гремучая ртуть может взорваться и воспламенить заряд пороха тогда, когда этого еще не нужно, – при случайном легком ударе во время заряжания или даже от сотрясения при перевозке зарядов.
Чтобы этого не случилось, чувствительность гремучей ртути искусственно понижают, смешивая ее с бертолетовой солью и антимонием (препарат сурьмы). Эта смесь взрывается только при сильном ударе или уколе и называется ударным составом. Ударный состав помещают в медную чашечку. Чашечка с ударным составом называется капсюлем.
При ударе или уколе капсюль взрывается и дает пламя, которое воспламеняет пороховой заряд.
Кроме того, бризантные взрывчатые вещества, но уже совсем не чувствительные даже к удару, например тротил, кладут обычно внутрь артиллерийских снарядов для разрыва их у цели.
Как видим, артиллерии нужны и метательные, и бризантные взрывчатые вещества. Нужны и взрыв, и детонация. Только они применяются для разных нужд.
Порох нужен для метания, для выбрасывания снаряда из ствола, бризантное вещество – для изготовления капсюлей и для разрыва снаряда у цели.
Какова же энергия пороха?
При выстреле часть энергии, заключенной в заряде пороха, переходит в энергию движения снаряда.
Пока заряд еще не зажжен, он обладает скрытой энергией. Ее можно сравнить с энергией высокого уровня воды у шлюзов мельницы, когда они закрыты. Вода спокойна, колеса неподвижны (рис. 21).
Рис. 21. Потенциальная энергия превращается в кинетическую
Но вот мы воспламенили заряд, начинается взрывчатое превращение: энергия освобождается. Порох превращается в сильно нагретые газы.
Тем самым химическая энергия пороха превращается в тепловую, то-есть в энергию движения частиц газов. Это движение частиц и создает давление пороховых газов, а оно, в свою очередь, рождает движение снаряда: энергия пороха стала энергией движения снаряда.
Мы как бы открыли шлюзы. Бурный поток воды ринулся с высоты и быстро завертел лопасти водяных колес (рис. 21).
Каково же количество энергии, заключенное в порохе, например, в заряде 76-миллиметровой пушки?
Рис. 22. Единица работы-килограммометр
Риc. 24. Единица мощности – лошадиная сила
Подсчеты дают такие результаты: заряд выделяет 338 000 килограммометров энергии.
А что такое килограммометр, показано на рисунке 22.
Однако, к сожалению, далеко не вся энергия пороха уходит на выталкивание снаряда из орудия, на полезную работу. Большая часть энергии пороха пропадает.
На что обычно тратится энергия пороха при выстреле, показано на рисунке 23.
Если учесть все потери, то окажется, что только одна треть, или 33%, энергии заряда идет на полезную работу.
Однако, по правде говоря, это не так уж мало. Вспомним, что в самых совершенных двигателях внутреннего сгорания полезная работа Составляет не более 36% всей тепловой энергии. А в других двигателях этот процент еще ниже, например, в паровых машинах – не более 18%.
По сравнению с тепловыми двигателями, потери энергии в орудии невелики: огнестрельное артиллерийское орудие является одной из наиболее совершенных тепловых машин.
Итак, на полезную работу в 76-миллиметровой пушке тратится 33% от 338 000 килограммометров, то-есть почти 113 000 килограммометров.
Рис. 23. На что тратится энергия при выстреле из орудия и при работе авиационного мотора
И вся эта энергия выделяется всего лишь в шесть тысячных долей секунды!
Это соответствует мощности в 250 000 лошадиных сил. Чему равна «лошадиная сила», видно из рисунка 24.
Если бы люди могли произвести такую работу в столь же короткий срок, потребовалось бы примерно полмиллиона человек, и то при напряжении всех их сил. Вот как огромна мощность выстрела, даже из небольшой пушки!
Нельзя ли все-таки чем-нибудь заменить порох?
Однако у пороха как источника огромной энергии имеются не только достоинства, но и недостатки.
Во-первых, очень высокое давление пороховых газов.
Из-за этого стволы приходится делать очень прочными, тяжелыми; страдает подвижность орудия.
Во-вторых, при взрыве пороха развивается очень высокая температура (рис. 25) – до 3000 градусов. Это в четыре раза выше температуры пламени примуса!
Рис. 25. Температура: пламени примуса, плавления стали, взрыва порохового заряда
Для плавления стали достаточно 1400 градусов. Температура взрыва, таким образом, больше чем в два раза превышает температуру плавления стали.
Орудийный ствол не плавится только потому, что высокая температура взрыва действует очень короткий промежуток времени и ствол не успевает нагреться до температуры плавления стали.
Но все же от этой температуры, а также от трения снаряда ствол сильно нагревается; при продолжительной стрельбе приходится выжидать, пока ствол остынет. А в очень скорострельных малокалиберных орудиях стали вводить даже специальные системы охлаждения.
Все это, конечно, создает неудобства при стрельбе. Кроме того, такая высокая температура и химическое действие газов не проходят бесследно для ствола: металл его постепенно портится.
И, наконец, звук выстрела. Он зачастую обнаруживает скрытое орудие, демаскирует его. Пытаются, правда, заглушать звук выстрела особыми глушителями, укрепленными на дульной части ствола. Эти попытки серьезных результатов пока не дали.
Как видите, недостатков у пороха не мало.
Вот почему давно уже пытаются заменить порох иным источником энергии.
Действительно, разве не странно, что порох и сейчас, как несколько веков назад, безраздельно господствует в артиллерии? Ведь за эти века вся техника далеко шагнула вперед!
От мускульной силы перешли к силе ветра и воды.
Потом была изобретена паровая машина, настал век пара.
Затем стали применять жидкое топливо – нефть, бензин.
И, наконец, электричество проникло во все области жизни.
Сейчас нам доступно такое разнообразие источников энергии, о котором шесть веков назад, в годы появления пороха, не имели даже понятия.
Ну, а порох? Неужели его нельзя, заменись чем-нибудь более совершенным?
Не будем говорить о замене пороха каким-либо горючим. Мы уже убедились в неудаче этой попытки на примере с бензином.
Но почему бы, например, не воспользоваться для стрельбы энергией сжатого воздуха? Казалось бы, в этом случае мы имеем возможность избавиться от серьезных недостатков, присущих пороху: не будет ни высокой температуры, ни сильного звука взрыва.
Попытки ввести в употребление пневматические ружья и пушки делались уже давно. Но пневматическое оружие все же не получило распространения. И понятно, – почему.
Ведь, чтобы получить необходимую для выстрела энергию, нужно предварительно затратить значительно большую энергию для сжатия воздуха, так как при выстреле значительная часть энергии уходит на потери. Если при заряжании пневматического ружья достаточно энергии одного человека, то для заряжания пневматического орудия необходимо усилие большого количества людей или специальный двигатель.
Вот, например, что представляла собой пневматическая пушка Залинского, применявшаяся в конце девятнадцатого века в береговой обороне США.
Пушка эта, калибром 38 сантиметров и длиной 15 метров, бросала большие снаряды (весом в несколько сот килограммов) на расстояния до 1 800 метров, а меньшие снаряды (весом в несколько десятков килограммов) – до 5 000 метров. При каждой пушке имелась машинная установка, сжимавшая воздух до 140 атмосфер. К пушке воздух поступал по целой системе подземных труб.
Пневматические пушки Залинского применяли для стрельбы снарядами с очень сильным и довольно чувствительным взрывчатым веществом– динамитом. Из обычных пушек такими снарядами стрелять нельзя: при резком толчке снаряд разорвется в стволе. А «мягкий» толчок сжатого воздуха динамит выдерживает, не взрываясь.
Как только динамит был заменен более совершенными взрывчатыми веществами, от громоздких и сложных пневматических пушек, естественно, отказались.
Можно, правда, создать пневматическое орудие другого типа: с зарядами сжатого воздуха, заготовленными заблаговременно на заводах. Тогда при стрельбе достаточно было бы только вложить такой заряд в ствол и открыть его «крышку» или «кран».
Были и такие попытки. Однако и они оказались неудовлетворительными: во-первых, из-за трудности хранений в сосуде очень сильно сжатого воздуха; во-вторых, расчеты показали, что такое пневматическое орудие выбрасывало бы свой снаряд с меньшей скоростью, чем огнестрельное орудие того же веса.
Пневматическое оружие не может соперничать с огнестрельным. Пневматические ружья, правда, остались, но не как боевое оружие, а лишь для тренировочной стрельбы на десяток-другой метров.
Еще хуже обстоит дело с использованием пара. Слишком уж сложны и громоздки должны быть установки для получения пара нужного давления.
И раньше, и в последнее время не раз делались попытки применить для метания снарядов «центробежные» метательные машины.
Почему бы не укрепить снаряд на быстро вращающемся диске? При вращении диска снаряд будет стремиться оторваться от него. Если в известный момент освободить снаряд, он полетит тем скорее, чем быстрее вращается диск. Идея – на первый взгляд очень заманчивая. Но только на первый взгляд.
Точные расчеты показывают, что такая метательная машина вышла бы очень большой и громоздкой. Для нее необходим был бы довольно мощный двигатель.
И, самое главное, такая «центробежная машина» не могла бы «стрелять» метко: малейшая ошибка в моменте отрыва снаряда от диска вызовет резкое изменение в направлении полета снаряда.
А освободить снаряд точно в нужный момент при очень быстром вращении диска чрезвычайно трудно.
Остается еще один вид энергии – электричество. Здесь уж, наверное, таятся огромные возможности!
И вот во Франции, еще два десятка лет тому назад, построили электрическое орудие. Правда, не боевой образец, а модель.
Эта модель электрического орудия бросала снаряд весом в 50 граммов со скоростью 200 метров в секунду.
Никакого давления, ничтожная температура, почти никакого звука. Достоинств очень много. Почему же не построить по этой модели настоящее боевое орудие?