Пороха
Пороха́, взрывчатые вещества, относящиеся к группе метательных; используются как источник энергии в ствольных системах и в качестве твёрдого ракетного топлива. Пороха способны к протеканию в узкой зоне самораспространяющейся экзотермической химической реакции с образованием главным образом газообразных продуктов. Горение пороха происходит параллельными слоями в направлении, перпендикулярном поверхности горения заряда, и обусловлено передачей тепла от слоя к слою. Скорость тепло- и газовыделения зависит от величины поверхности заряда и линейной скорости горения. Поверхность заряда определяется размером и формой пороховых элементов, выполненных в виде цилиндров различного диаметра и длины с одним или несколькими каналами, пластин, лент, сфер и т. д. В отличие от других взрывчатых веществ, благодаря исключению возможности проникновения продуктов горения внутрь вещества, горение пороха устойчиво (не переходит в детонацию) в широком интервале внешних давлений – до 108–109 Па. Скорость горения пороха увеличивается с повышением давления окружающего газа и температуры заряда. В ракетной камере с рабочим давлением около 10 МПа линейная скорость горения пороха составляет 1 см/с, в ствольных системах с рабочим давлением 100–1000 МПа – 10–100 см/с. В ствольных системах порох сгорает за сотые и тысячные доли секунды, в ракетных двигателях – за десятки секунд. При горении пороха выделяется большое количество газов (до 1 м3/кг) с температурой 1200–3700 °С.
Основные характеристики порохов – теплота сгорания при постоянном объёме (2,5–5,4 МДж/кг), объём газообразных продуктов и работоспособность. Для ствольных систем работоспособность выражают работой, которую производят газообразные продукты взрыва 1 кг пороха, – т. н. силой пороха (в Н·м/кг); для ракетных систем работоспособность пороха – единичный импульс (в Н·с/кг), который соответствует величине удельной тяги, развиваемой ракетным двигателем при сгорании 1 кг пороха.
Пороха представляют собой твёрдые смеси органических и/или неорганических соединений. Различают пороха на основе индивидуальных соединений (нитроцеллюлозные бездымные пороха) и смесевые пороха, состоящие из окислителя и горючего. Нитроцеллюлозные пороха подразделяют на пироксилиновые пороха, баллиститы и кордиты. Основа всех нитроцеллюлозных порохов – нитраты целлюлозы, пластифицированные различными растворителями; бездымные пороха содержат также небольшие количества различных добавок – стабилизатор химической стойкости (дифениламин), флегматизатор (камфора) и др. В состав пироксилиновых порохов входит нитроцеллюлоза (91–96 %) с содержанием азота свыше 12,2 % (пироксилин), а также легколетучий растворитель-пластификатор (чаще смеси этанола с диэтиловым эфиром). При изготовлении пироксилиновых порохов после смешения компонентов и их пластификации полученную массу формируют в элементы, из которых затем в процессе просушивания удаляют растворитель. В состав баллиститов входит нитроцеллюлоза (50–60 %) с содержанием азота 10,7–12,2 % (коллоксилин). Баллиститы пластифицируют труднолетучим растворителем (обычно нитроглицерином или диэтиленгликольдинитратом), полностью остающимся в порохе. При изготовлении кордитов (основа – пироксилин) используют смешанный пластификатор (раствор нитроглицерина в летучем растворителе, например ацетоне). Нитроцеллюлозные пороха применяют в ствольных системах, баллиститные пороха – также как твёрдое ракетное топливо.
Смесевые пороха – гетерогенные композиции, состоящие, как правило, на 70–80 % из кристаллического окислителя (обычно перхлората аммония) и на 10–20 % из горючего полимерного связующего (синтетические каучуки и смолы); содержат также порошкообразный алюминий, катализатор горения и отверждающие добавки. Изготовление смесевых порохов включает тщательное смешение всех компонентов, заполнение полученной массой ракетного двигателя и отверждение заряда при нагревании. К смесевым порохам относится дымный (чёрный) порох; содержит нитрат калия (70–80 % по массе), уголь (10–20 %), серу (8–10 %).
Дымный порох легко воспламеняется под действием искры и пламени, чувствителен к удару. Скорость горения запрессованных зарядов таких порохов при атмосферном давлении 8–10 мм/с. Процесс изготовления дымного пороха включает измельчение исходных компонентов, их смешение, уплотнение смеси, зернение, полирование и сортировку. Применяют дымный порох в патронах для охотничьих ружей, для изготовления огнепроводных шнуров, в воспламенителях к зарядам из нитроцеллюлозных порохов. Как твёрдые ракетные топлива смесевые пороха обладают рядом преимуществ перед баллиститами: более высокой удельной тягой, меньшей зависимостью скорости горения от давления и температуры, бо́льшим диапазоном регулирования скорости горения при помощи различных присадок, возможностью регулирования физико-механических характеристик. Из смесевых порохов изготавливают жёстко скреплённые со стенкой двигателя заряды, что существенно увеличивает коэффициент наполнения твёрдым ракетным топливом двигательной установки.
Исторически раньше всех был применён дымный порох, место и время изобретения которого точно не установлены. Наиболее вероятно, что порох был изобретён в Китае не позднее 9–11 вв. В Европе (в том числе в России) дымный порох известен с 13 в. До середины 19 в. дымный порох оставался единственным взрывчатым веществом для горных работ, до конца 19 в. – единственным метательным средством. В конце 19 в., в связи с изобретением бездымных порохов, дымный порох потерял своё значение. Пироксилиновый порох впервые получен в 1884 г. во Франции П. Вьелем, кордитный – в конце 19 в. в Великобритании, баллиститный – в 1887 г. А. Нобелем в Швеции. В России производство бездымного пороха осуществлено в 1890–1892 гг. благодаря совместным работам Д. И. Менделеева с И. М. Чельцовым. Заряды из баллиститных порохов для ракетных снарядов впервые разработаны в СССР в 1930-х гг. и широко применялись в Великую Отечественную войну в гвардейских миномётах «Катюша» начиная с 14.7.1941. Смесевые пороха нового состава и заряды из них для реактивных двигателей созданы во 2-й половине 1940-х гг. сначала в США, затем и в других странах.