Константин Андреев - Взрыв и взрывчатые вещества
Как известно, работа, выполняемая в секунду, называется мощностью. Чем большую работу способен произвести в секунду двигатель, тем выше его мощность. Единица мощности — лошадиная сила. Такой мощностью обладает двигатель, способный в одну секунду проделать работу по подъему груза в 75 килограммов на высоту одного метра. Паровоз серии «ИС», предназначенный для вождения составов весом до 1000 тонн со скоростью до 130 километров в час, обладает, например, мощностью в 2800 лошадиных сил.
Какую же мощность дает взрыв обычного двухсотграммового патрона аммонита, какие ежедневно десятками тысяч применяются в шахтах для взрывных работ?
Диаметр такого патрона 30 миллиметров, длина 0,25 метра. Если возбудить взрыв с торца патрона, то он будет распространяться со скоростью 5000 метров в секунду и длительность взрыва составит всего 0,25/5000 = 0,00005 секунды.
При взрыве одного килограмма аммонита выделяется энергия, равная 950 большим калориям. Поэтому при взрыве двухсотграммового патрона аммонита за указанный промежуток времени будет получена энергия, равная 0,2 х 950 = 190 больших калорий или в единицах механической работы 190 х 427 = 81 130 килограммометров.
Если для производства полезной работы может быть использовано только около 10 проц. этой энергии, то для получения ее в такой же короткий промежуток времени потребуется силовая установка (генератор) мощностью 0,1 х 81 130/75 х 0,0005 = 2,2 миллиона лошадиных сил (около 1,6 миллиона киловатт).
Таким образом, взрывник, несущий в сумке патрон аммонита, имеет в своем распоряжении огромную мощность. Эта мощность превосходит мощность крупнейшей американской гидроэлектростанции Боулдер-Дэм, составляющую 1 400 000 лошадиных сил (около миллиона киловатт).
Если физическую мощность среднего человека принять равной одной пятой лошадиной силы, то человек, располагающий 200 граммами взрывчатого вещества, как бы увеличивает свою физическую силу в 10 миллионов раз! О такой мощности, которую вложила в руки человека наука, могли только мечтать слагатели народных сказаний, наделявшие своих героев сверхъестественной силой.
Понятно, что использование энергии взрыва не может заменить работу электростанций и других силовых установок. Громадная мощность взрыва обусловлена, как мы видели, в первую очередь чрезвычайно малым временем выделения энергии; сама же энергия отнюдь не является чрезмерно большой.
Отсюда следует, что взрывчатые вещества целесообразно применять только в тех случаях, когда необходимы воздействия чрезвычайно большой мощности, хотя бы и очень кратковременные. Для получения таких воздействий в течение длительного времени потребовались бы громадные количества взрывчатых веществ. Так, чтобы получить в течение трех суток мощность взрыва патрона аммонита в 2 миллиона лошадиных сил, потребовалось бы взорвать около миллиона тонн взрывчатых веществ, — больше чем все годовое потребление взрывчатых веществ в горном деле во всем мире.
Таким образом, взрывчатые вещества не заменяют других источников энергии, они позволяют лишь концентрировать энергию во времени и в пространстве в такой степени, в какой это недостижимо никакими иными путями.
Ни одна машина не может при равном весе и размерах дать такую колоссальную мощность, какую дают взрывчатые вещества, и там, где эта мощность необходима, взрывчатые вещества — единственное и незаменимое средство ее получения.[5]
Большая мощность характерна не только для взрывчатых веществ, используемых при дроблении, но и для применения их в виде порохов как средства метания.
В обычных средствах передвижения — паровозе, автомобиле, самолете — двигатель сообщает им энергию во все время движения. Этим компенсируется потеря скорости из-за трения, сопротивления воздуха и т. д. Пушка тоже является своего рода двигателем. Однако двигатель этот неподвижен; снаряд с момента вылета из ствола уже не получает больше энергии. Чтобы дальность полета была значительной, снаряд в момент вылета должен иметь большую скорость, иначе говоря, большой запас энергии. Эту энергию он получает за время движения в стволе. Так как длина ствола невелика, то и время движения снаряда в нем мало. За это малое время снаряд должен получить большую энергию. Это значит, что мощность работы, совершаемой пороховыми газами и переходящей в энергию движения снаряда, велика.
Рассмотрим в качестве примера выстрел из тяжелого орудия, снаряд которого весит 917 килограммов и имеет начальную скорость 523 метра в секунду. Энергия снаряда при вылете из ствола составляет 12 770 000 килограммометров, что примерно в полтора раза больше энергии курьерского поезда весом в 300 тонн, движущегося со скоростью 90 километров в час. Эту энергию снаряд получает за время около одной сотой секунды. Отсюда мощность выстрела составит 12 770 000 : 0,01 = 1 277 000 000 килограммометров в секунду, или около 17 миллионов лошадиных сил!
Высокая мощность в артиллерийском орудии сочетается с большим коэффициентом полезного действия: доля энергии пороховых газов, переходящая в энергию движения снаряда, достигает 35 проц., то есть гораздо больше, чем в паровой машине, и столько же, сколько в двигателе внутреннего сгорания.
Однако получение такой огромной мощности сопряжено с быстрым износом двигателя и обходится очень дорого. После сотни выстрелов орудие выходит из строя. Общее время работы двигателя составляет, таким образом, всего одну секунду. Полная величина этой работы будет равна той, которую паровая машина мощностью в 100 лошадиных сил даст приблизительно за двое суток. Для получения пара при этом потребуется израсходовать около 4,5 тонны угля; после совершения такой работы паровая машина будет вполне исправна и пригодна для дальнейшей работы. Подсчет показывает, что стоимость работы, получаемой при помощи орудия, в 4000 раз выше, чем при ее получении с помощью паровой машины.
Поэтому использование взрывчатых веществ для метания, так же как и для взрыва, целесообразно только в тех случаях, когда необходимо получить огромную мощность, хотя бы и ценой высокой стоимости энергии.
Особенное значение получение максимальной мощности взрыва имеет при военном применении взрывчатых веществ.
Многие виды боеприпасов, например снаряды ствольной и реактивной артиллерии, морские торпеды, представляют собой сложные устройства, изготовление которых требует много труда и больших затрат. В стоимость выстрела входит также стоимость пороха, износа орудия и т. д. Все это составляет огромные суммы.
Так, изготовление торпеды во время первой мировой войны обходилось в двадцать четыре тысячи золотых рублей. Одних только артиллерийских снарядов Россия закупила тогда в США на миллиард восемьсот миллионов рублей золотом. Кстати, главным образом за счет этих заказов и выросла в Америке военная промышленность громадного масштаба, тогда как до войны американская военная индустрия была в зачаточном состоянии.
Было бы совершенно нецелесообразно применять в таких дорогих боеприпасах взрывчатые вещества малой мощности и следовательно низкой эффективности.
Применение в боеприпасах мощных взрывчатых веществ диктуется не только этими соображениями. Развитие военной техники идет в плане непрерывного соревнования между совершенствованием защиты от действия взрыва и усилением разрушительного действия боеприпасов. В этих условиях применение взрывчатых веществ умеренной мощности в некоторых случаях сделало бы применение отдельных видов боеприпасов просто бессмысленным.
Так, например, если заряд кумулятивного снаряда недостаточно мощен, чтобы пробить броню танка, то он не сможет вывести этот танк из строя. То же относится и к торпеде, действующей по корпусу корабля, имеющего специальные устройства для смягчения действия подводного взрыва, и к снаряду зенитного орудия, предназначенного для поражения бомбардировщика, наиболее ответственные части которого защищены броней.
Опыт показывает, что чем больше мощность взрыва, тем больше его разрушительное действие как в непосредственной близости от заряда, так и на расстоянии.
Это разрушительное действие обычно характеризуется двумя главными показателями — бризантностью и фугасным эффектом взрыва.
Бризантностью взрывчатого вещества называют способность его при взрыве дробить прилегающую среду. На бризантном действии взрывчатых веществ основано их применение в осколочных снарядах и некоторых других боеприпасах. При взрыве разрывного заряда таких снарядов корпус снаряда дробится на осколки, которые под действием давления газов взрыва разлетаются с большой скоростью в разные стороны, поражая на своем пути живую силу противника и уязвимые части боевых машин — самолетов, автомашин и т. п.
Применение в осколочных боеприпасах мощных взрывчатых веществ представляет большие преимущества, так как при этом можно уменьшить вес заряда и увеличить таким образом вес металла, а следовательно, и число осколков.