Читаем Основы пиротехники онлайн бесплатно

ВВЕДЕНИЕ В ПИРОТЕХНИКУ

Ладягин Ю. О.

Москва 1997г.

Книга «Введение в пиротехнику» является неотъемлемой частью данного сайта. Всякий современный конструктор-оружейник должен изучить предмет пиротехники хотя бы в обьеме данного труда. Конструирование боеприпасов для разных видов оружия, а также конструирование специальных оружейных устройств без начального знания пиротехники невозможно. Эта книга предназначается также и для ознакомления интересующихся данным предметом читателей с начальными знаниями о искусстве огня. Стоит отметить, что многие знаменитые химики, (например Д.И. Менделеев, кстати основавший оружейное пороходелие бездымных порохов в России) начинали свой путь в химическую науку как раз с изготовления различных фейерверков, взрывчатых составов и прочих огненных забав, которые, имея большой внешний эффект, постепенно втягивают занимающегося в более глубокое изучение, происходящих при горении процессов и далее в науку химию. При современном откровенно упадочном положении русской науки необходимо заинтересовать большее количество талантливой молодежи, что позволит поднять отечественную науку на должную высоту. Пиротехника прямо или косвенно соприкасается с такими науками как химия, физическая химия, гидравлика, оптика, такими отраслями знания как военная, ракетно-космическая и авиационная техника, металлургия, подводная техника и прочее. Пиротехник должен располагать глубоким комплексом знаний современной науки и техники для успешного решения возникающих задач.

Базой данного труда является книга «Основы пиротехники» Александра Александровича Шидловского, первое издание которой вышло в свет еще в 1943 году. Книга А.А. Шидловского имела 2-е издание (переработанное) 1954 года, и 3-е издание (переработанное и дополненное), выпущенное в 1964 году.

Все эти издания выпускались крайне малыми тиражами и предназначались для изучения студентами ВУЗов и узким кругом специалистов пиротехников. Настоящее издание является переработанным базовым трудом, предназначенным для изучения широким кругом читателей интересующихся наукой пиротехникой. В настоящей книге значительно сокращено количество теоретического материала, перегружающего книгу. Описание устройств и действия пиротехнических изделий дается в общих чертах, поскольку это необходимо для уяснения требований, предъявляемых к пиротехническим составам.

ПРЕДМЕТ ПИРОТЕХНИКИ

Пиротехника — самостоятельная отрасль знания по изготовлению различных устройств, употребляемых для производства фейерверков, сигнальных и зажигательных средств, ракет, и прочего.

Название «пиротехника» происходит от греческих слов «пир» — огонь и «техне» — уменье, это наиболее точно отражает сущность предмета пиротехники. В широком смысле к пиротехнике относятся любые химические составы и технические изделия, действующие огнем или теплом, которые выделяются в результате химических реакций.

Военная пиротехника включает в себя знания по приготовлению взрывчатых веществ и составов, специальных веществ, снаряжение и подготовку к приведению в действие боевых и инженерных боеприпасов.

Пиротехническая наука немыслима без основных, а в некоторых случаях, и глубоких знаний общей химии. Для изучения настоящего труда необходимо иметь знания по химии не менее среднешкольного курса.

ОСНОВЫ ПИРОТЕХНИКИ

В пиротехнических составах имеют место несколько основных типов химических реакций, в основном, сопровождающихся выделением энергии(тепла) в различной степени.

1. Окислительно-восстановительные реакции.

2. Реакции разложения.

3. Обменные реакции с разложением неустойчивых продуктов.

4. Смешанные реакции.

Окислительно-восстановительные реакции между различными веществами, применяемыми в пиротехнике, позволяют получить наибольшее выделение энергии и реализуются в большинстве пиротехнических смесей. Примером может служить следующая реакция с весьма значительным тепловым эффектом:

3Ba(NO₃)₂ + 10Al = 3BaO + 3N₂ +5Al₂O₃ + 1653ккал.

Реакции разложения применяются в пиротехнике в специальных целях, например, для получения чистых газов:

(NH₄)₂Cr₂O₇ = Cr₂O₃ + N₂ + 4H₂O + 123ккал

Тепловой эффект реакции на порядок меньше чем в первом случае, однако, еще сопровождается хорошо видимой зоной горения (раскаленные частицы окиси хрома).

Обменные реакции также применяются в специальных целях, например, для того же получения газов:

NaNO₂ + NH₄Cl = NaCl + 2H₂O + N₂

Тепловой эффект реакции незначителен и не сопровождается отчетливо видимой зоной горения, хотя, распространение фронта горения заметно, однако, в некоторых случаях это является положительным качеством.

В качестве окислителей и горючих в различных отраслях пиротехники в настоящее время применяются неорганические и органические вещества в различных агрегатных состояниях. Классическая же пиротехника была нацелена, в основном, на применение твердых веществ как наиболее удобных для хранения и применения.

В отличии от большинства химических реакций, применяемых в промышленности и проходящих в жидкой или газообразной фазе, пиротехнические реакции проходят, в основном, между твердыми веществами. Однако, чисто твердофазные реакции в пиротехнике достаточно редки и протекают только в некоторых термитах и безгазовых составах.

Большинство пиротехнических реакций протекает в форме горения или взрыва, основным отличием которых от иных форм химических реакций является наличие подвижной зоны реакции, имеющей высокую температуру и отделяющей еще не прореагировавшие вещества или смесь веществ от продуктов реакции. Температура горения при разных реакциях может колебаться более чем на порядок (от нескольких десятков до нескольких тысяч градусов). Примером низкотемпературной может служить реакция:

C₆H₁₂N₄ + nJ₂ = J₂(г) + продукты разложения и йодирования

Данная реакция не сопровождается видимым выделением пламени и света, однако, присутствие четко наблюдаемой подвижной зоны реакции позволяет классифицировать ее как типичную реакцию низкотемпературного горения.

Горение магниевого термита — пример высокотемпературной реакции:

3Mg + Fe₂O₃ = 2Fe + 3MgO + 224ккал.

Несмотря на высокую температуру реакции (более 2000^°С), данное горение не сопровождается образованием каких либо газов, поскольку температура испарения продуктов реакции значительно выше температуры реакции горения.

Способность тех или иных веществ к реакции горения определяется принципом французского химика Бертло (1827 — 1907гг.), справедливым для высокоэкзотермических реакций, протекающих при комнатной температуре: «Всякая химическая система, в которой может протекать экзотермическая реакция, при подборе соответствующих внешних условий должна оказаться способной к распространению в ней реакции горения.»

Под экзотермической подразумевается реакция, в которой образование новых связей между атомами характеризуется большим выделением энергии, чем затраты энергии на разрыв прежних разрушаемых связей.

Пиротехник должен уметь правильно оценить возможность протекания реакции горения и взрыва в той или иной химической реакции. Это позволяет не только правильно и рационально подобрать компоненты смеси проектируемого пиротехнического изделия, но, главное, остаться в живых и не утянуть в лучший мир не готовых к этому посторонних людей.

Оценка новейших перспективных веществ и смесей на предмет возможности реакций горения и взрыва достаточна сложна и невозможна без комплекса специального приборного оборудования. Такой оценкой занимаются разработчики и исследователи новых веществ, однако, вещества достаточно давно открытые и используемые в технике и промышленности поддаются оценке с большой долей вероятности.

Для оценки индивидуальных веществ, горючих и окислителей достаточно иметь о них сведения общей химии.

ОЦЕНКА ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ГОМОГЕННЫХ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Наибольшую возможность к горению и взрыву имеют органические вещества, содержащие в своем составе углерод, водород и кислород, разделенные непрочным буфером из азота или хлора. Вещества, у которых системы (С+Н) и О₂, разделенные атомами азота или хлора, имеют еще и стехиометрическое соотношение для получения высших окислов, особенно горючи и взрывчаты. Еще более горючи и взрывчаты вещества, содержащие кислорода больше, чем необходимо для полного окисления системы (С+Н), например, циклотриметилентринитроамин (гексоген), (CH₂NNO₂)₃, гексанитроэтан C₂(NO₂)₆ (рассматриваются только твердые вещества). Горение в таких веществах происходит как внутримолекулярное окисление, то есть как при смешении отдельно взятого горючего и окислителя при теоретически максимальной степени измельчения (до отдельных молекул). Процесс горения указанных типов веществ легко может перейти во взрыв при нарушении некоторого режима, как-то: увеличение давления, уменьшение теплоотвода и тому подобное. При избытке в веществе комплекса (С+Н) над О₂ реакции внутримолекулярного горения все еще возможны, однако, энергетически такие вещества, в связи с недостатком кислорода для образования наиболее прочных связей, а значит недостатком экзотермичности, менее эффективны. Горение таких веществ может перейти во взрыв с малой долей вероятности. Реализовать взрыв в таких веществах, например, динитрофеноле C₆H₄(NO₂)₂OH или нитрогуанидине CN₄H₄O₂, возможно только при больших давлениях, малом теплоотводе, дополнительном подогреве массы вещества.

В тематику данной книги не входит чисто военная пиротехника и, в частности, взрывчатые вещества и средства взрывания. Вопросы о взрывном горении будут рассмотрены только в контексте общей пиротехники. Более подробную информацию по этому интереснейшему вопросу заинтересованные читатели смогут почерпнуть из книги автора «Введение в военную пиротехнику».

В общей пиротехнике гомогенные (однородные) вещества органического происхождения, такие как нитросоединения или эфиры азотной и хлорной кислот, содержащие в своем составе достаточное для внутреннего окисления количество кислорода, применяются достаточно редко, причем обычно в виде добавки в 1...5 % от общего количества пиротехнической смеси. Описываемые вещества используются преимущественно как взрывчатые вещества способные к детонации. При оценке возможности горения органических веществ необходимо знать, что интенсивно горят и взрываются органические нитросоединения, содержащие в своем составе нитрогруппу NO₂, органические перхлораты, содержащие перхлорат ион ClO₄^–, органические нитрозосоединения, содержащие нитрозогруппу –NO и органические пероксидные соединения, содержащие пероксигруппу –ОО–.

При работе с подобными соединениями необходима особая осторожность. Указанные вещества склонны к самовоспламенению при длительном хранении, при смешении их с активными восстановителями и окислителями, сильными кислотами и щелочами. Начальным импульсом для их воспламенения может служить сравнительно слабое механическое воздействие (удар или трение). Горение этих веществ легко переходит во взрыв в замкнутой или даже полузамкнутой оболочке, а также в значительных массах (более десятков грамм).

ОЦЕНКА СМЕСЕЙ

Смеси веществ, применяющиеся в пиротехнике, являются гетерогенными системами, то есть системами неоднородными, в которых присутствуют частицы индивидуальных органических и (или) неорганических веществ.

Степень измельчения веществ в пиротехнике может быть различна и зависит от назначения изделий. В большинстве случаев выгодно иметь как можно более тонкое измельчение компонентов смеси дающие наибольшую однородность, обеспечивающую стабильность параметров горения будущего пиротехнического изделия.