Порох

Фитильное огнестрельное оружие, Китай, династия Мин (1368—1644)

Ранняя китайская ракета

Первым представителем взрывчатых веществ был дымный порох — механическая смесь селитры, угля и серы, обычно в соотношении 5:3:2.[2] Существует устойчивое мнение, что подобные составы появились ещё в древности и применялись главным образом в качестве зажигательных и разрушительных средств.

Существуют надёжные многочисленные свидетельства, что порох был изобретён в Китае. К середине первого века нашей эры селитра была известна в Китае и есть убедительные доказательства использования селитры и серы в различных комбинациях в основном для приготовления лекарств[3]. Китайский алхимический текст Тао Хунцзина "Бэньцао цзин цзичжу " («Фармакопея с подборкой комментариев», кит. трад. 本草經集注)[4][5], датированный 492 годом, описывает практический и надёжный способ отличить калийную селитру от других неорганических солей, служащий алхимикам для оценки и сравнения методов очистки — при сжигании калийной селитры образуется фиолетовое пламя. Древние арабские и латинские способы очистки селитры опубликованы после 1200 года[6]. Первое упоминание о напоминающей порох смеси появилось в Taishang Shengzu Danjing Mijue по Qing Xuzi (около 808 года) — описывается процесс смешивания шести частей серы, шести частей селитры на одну часть кирказона (травы, которая обеспечивала смесь углеродом)[7]. Первым описанием зажигательных свойств таких смесей является Zhenyuan miaodao yaolüe — даосский текст предварительно датируемый серединой IX века нашей эры[6]: «Некоторые нагревали вместе серу, реальгар и селитру с мёдом — в результате возникали дым и пламя, так что их руки и лица были сожжены, и даже весь дом, где они работали, сгорел»[8]. Китайское слово «порох» (кит. трад. 火藥, кит. упр. 火药, пиньинь huǒyào, буквально «Огонь медицины»[9]) вошло в употребление через несколько веков после открытия смеси[10]. Таким образом, в IX веке даосские монахи и алхимики в поисках эликсира бессмертия по случайности наткнулись на порох[11][12]. Вскоре китайцы применили порох для развития оружия: в последующие века они производили различные виды порохового оружия, включая огнеметы[13], ракеты, бомбы, примитивные гранаты и мины, прежде чем было изобретено огнестрельное оружие, использующее энергию пороха собственно для метания снарядов[14].

Уцзин цзунъяо (кит. трад. 武經總要, упр. 武经总要, пиньинь wǔ jīng zǒng yào, буквально: «собрание наиболее важных военных методов») — китайский военный трактат, созданный в 1044 году при династии Северная Сун, составленный известными учёными Цзэн Гунлян, Дин Ду и Ян Вэйдэ, труд является первым в мире манускриптом, в котором приведены рецепты пороха, даёт описание различных смесей, в состав которых включены продукты нефтехимии, а также чеснок и мёд[15]. Среди прочего упоминаются способы замедления горения пороха для создания фейерверков и ракет — если смесь не содержит достаточного для создания взрыва количества селитры (максимально количество селитры уменьшается на 50 %), то она просто горит[16]. Вместе с тем, Собрание наиболее важных военных методов написано чиновником во времена династии Сун и нет достаточных свидетельств того, что он имел непосредственное отношение к военным действиям. Также нет никаких упоминаний применения (использования) пороха в летописях, описывающих войны Китая против тангутов в XI веке. Впервые опыт применения «Огненного копья» упоминается при описании осады Дэаня в 1132 году[17].

На сегодняшний день принят основной научный консенсус о том, что порох был изобретён в Китае и затем распространился по Ближнему Востоку, а позже попал в Европу[18]. Возможно, это было сделано в IX веке, когда алхимики искали эликсир бессмертия. Его появление привело к изобретению фейерверков и ранних образцов огнестрельного оружия. Распространение пороха в Азии из Китая в значительной степени приписывается монголам. Гипотетически, порох попал в Европу через несколько веков[2]. Однако существуют споры о том, насколько китайский опыт применения пороха в боевых действиях повлиял на поздние достижения на Ближнем Востоке и в странах Европы[2][19].

Первой в истории научной работой, подробно раскрывшей процесс очищения калиевой селитры (нитрата калия) и описавшей способы приготовления чёрного пороха в правильном количественном соотношении для получения взрыва, была книга ученого мамлюкского султаната Хасана аль-Раммаха. Работы по синтезу взрывоопасного пороха Хасаном аль Раммахом дали толчок к развитию пушек и ракет. Это позволило мамлюкам Египта стать одними из первых, кто стал применять пушки в военном деле регулярно[20][21].

Изготовление калиевой селитры требует разработанных технологических приёмов, которые появились лишь с развитием химии в XV—XVI веках и получением Глаубером азотной кислоты в 1625 году. Изготовление углеродных материалов с высокоразвитой удельной поверхностью типа древесных углей также требует развитой технологии, появившейся лишь с развитием металлургии железа. Наиболее вероятным является использование различных природных селитросодержащих смесей с органикой, обладающих свойствами, присущими пиротехническим составам. Одним из изобретателей пороха принято считать монаха Бертольда Шварца.

В течение длительного времени интенсивно разрабатывались богатейшие залежи натриевой селитры в Чили и калийной селитры в Индии и других странах. Но с давних пор селитру для изготовления пороха получали также искусственно — кустарным способом в так называемых селитряницах. Это были кучи, сложенные из растительных и животных отбросов, перемешанных со строительным мусором, известняком, мергелем. Образовавшийся при гниении аммиак подвергался нитрификации и превращался вначале в азотистую, а затем в азотную кислоту. Последняя, взаимодействуя с известняком, давала Ca(NO₃)₂, который выщелачивался водой. Добавка древесной золы (состоящей в основном из поташа) приводила к осаждению CaCO₃ и получению раствора нитрата калия[22].

• 
  Формула для изготовления пороха (1044) Wujing zongyao часть I Vol 12
• 
  Инструкция для тушения бомб в Wujing zongyao
• 
  Пороховая бомба
• 
  Пороховая граната

Метательное свойство дымного пороха было открыто значительно позже и послужило толчком к развитию огнестрельного оружия. В Европе (в том числе и на Руси) известен с середины XIV века; до середины XIX века оставался единственным взрывчатым веществом фугасного действия и до конца XIX века — метательным средством.

С изобретением нитроцеллюлозных порохов, а затем и индивидуальных мощных взрывчатых веществ дымный порох в значительной мере утратил своё значение.

Впервые пироксилиновый порох был получен во Франции П. Вьелем в 1884, баллиститный порох — в Швеции Альфредом Нобелем в 1888, кордитный порох — в Великобритании в конце XIX века. Примерно в то же время (1887—1891) в России Дмитрий Менделеев разработал пироколлодийный порох, а группа инженеров Охтинского порохового завода — пироксилиновый порох.

В 30-х годах XX века в СССР впервые были созданы заряды из баллиститного пороха для реактивных снарядов, успешно применявшихся войсками в период Великой Отечественной войны (реактивные системы залпового огня). Смесевые пороха для ракетных двигателей были разработаны в конце 1940-х годов.

Дальнейшее совершенствование порохов ведётся в направлении создания новых рецептур, порохов специального назначения и улучшения их основных характеристик.

Различают два вида пороха: смесевые (в том числе самый распространенный — дымный, или чёрный порох) и нитроцеллюлозные (т. н. бездымные). Порох, применяемый в ракетных двигателях, называют твёрдым ракетным топливом. Основу нитроцеллюлозных порохов составляют нитроцеллюлоза и пластификатор. Помимо основных компонентов, эти пороха содержат различные добавки.

Порох является взрывчатым веществом метательного действия. При соответствующем условии инициирования пороха способны к детонации аналогично бризантным взрывчатым веществам, благодаря чему дымный порох долгое время применяли в качестве бризантного взрывчатого вещества. При длительном хранении больше установленного для данного пороха срока или при хранении в ненадлежащих условиях происходит химическое разложение компонентов пороха и изменение его эксплуатационных характеристик (режима горения, механических характеристик ракетных шашек и др.). Эксплуатация и даже хранение таких порохов крайне опасны и могут привести к взрыву.

Дымный (чёрный) порох

Дымный порох российского производства марки ДОП (охотничий) по ГОСТу 1028—79

Пороховой ящик и совок для пороха XVIII—XIX веков

Основная статья: Дымный порох

Современные дымные, или чёрные пороха производятся по строгим нормативам и точной технологии. Все марки чёрного пороха делятся на зернистые и пороховую пудру (т. н. пороховая мякоть, ПМ). Основными компонентами дымного пороха являются калия нитрат, сера и древесный уголь; нитрат калия является окислителем (способствует быстрому горению), древесный уголь горючим (окисляемым окислителем), а сера — добавочным компонентом (так же, как и уголь, являясь топливом в реакции, она из-за невысокой температуры воспламенения улучшает поджигаемость). Во многих странах пропорции, установленные нормативами, несколько отличаются (но не сильно).

Зернистые пороха изготовляются в виде зёрен неправильной формы в пять стадий (не считая сушки и дозирования): помол компонентов в пудру, их смешение, прессование в диски, дробление на гранулы и полировка.

Эффективность горения дымного пороха во многом связана с тонкостью измельчения компонентов, полнотой смешения и формой зёрен в готовом виде.

Сорта дымных порохов (% состав KNO₃, S, C.):

• шнуровой (для огнепроводных шнуров)(77 %, 12 %, 11 %);
• ружейный (для воспламенителей к зарядам из нитроцеллюлозных порохов и смесевых твёрдых топлив, а также для вышибных зарядов в зажигательных и осветительных снарядах);
• крупнозернистый (для воспламенителей);
• медленногорящий (для усилителей и замедлителей в трубках и взрывателях);
• минный (для взрывных работ) (75 %, 10 %, 15 %);
• охотничий (76 %, 9 %, 15 %);
• спортивный.

Дымный порох легко воспламеняется под действием пламени и искры (температура вспышки 300 °C), поэтому в обращении опасен. Хранится в герметической упаковке отдельно от других видов пороха. Гигроскопичен, при содержании влаги более 2 % плохо воспламеняется. Процесс производства дымных порохов предусматривает смешение тонкоизмельчённых компонентов и обработку полученной пороховой мякоти до получения зёрен заданных размеров. Коррозия стволов при использовании дымного пороха намного сильнее, чем от нитроцеллюлозных порохов, поскольку побочным продуктом сгорания являются серная и сернистая кислоты. В настоящее время дымный порох используется в фейерверках. Примерно до конца XIX века применялся в огнестрельном оружии и взрывных боеприпасах.

Реакция окисления:

${\displaystyle \mathrm {2KNO_{3}+3C+S\longrightarrow K_{2}S+N_{2}+3CO_{2}+Q\uparrow } }$

Нитроцеллюлозные пороха

Порох (Pyrodex)

Нитроцеллюлозный порох различных сортов

Основная статья: Бездымный порох

В отличие от дымного (чёрного) пороха на основе угля, широкое распространение получили нитроцеллюлозные бездымные пороха, главным преимуществом которых является больший КПД и отсутствие дыма после выстрела, демаскирующего и мешающего обзору.

По составу и типу пластификатора (растворителя) нитроцеллюлозные пороха делятся на: пироксилиновые, баллиститные и кордитные.

Они применяются для изготовления современных взрывчатых веществ, порохов, пиротехнических изделий и для подрыва (инициирования) других взрывчатых веществ, то есть в качестве детонаторов. Таким образом, в современных образцах вооружения в качестве топлива в основном используют бездымный порох (порошок нитроцеллюлозы, NC).

Кордитные

«Соломки» кордитного пороха патрона «.303 British»

Дополнительные сведения: Пироксилин и Нитроглицерин

Кордитные пороха содержат высокоазотный пироксилин, удаляемый (спирто-эфирная смесь, ацетон) и неудаляемый (нитроглицерин) пластификатор. Это приближает технологию производства данных порохов к производству пироксилиновых порохов.

Преимущество кордитов — большая мощность, однако они вызывают повышенный разгар стволов из-за более высокой температуры продуктов сгорания.

Горение параллельными слоями, с выделением газообразных продуктов, но не переходящее во взрыв, обусловливается передачей тепла от слоя к слою и достигается изготовлением достаточно монолитных пороховых элементов, лишённых трещин. Скорость горения порохов зависит от давления по степенному закону, увеличиваясь с ростом давления, поэтому не стоит ориентироваться на скорость сгорания пороха при атмосферном давлении, оценивая его характеристики. Регулирование скорости горения порохов — очень сложная задача и решается использованием в составе порохов различных катализаторов горения. Горение параллельными слоями позволяет регулировать скорость газообразования. Газообразование пороха зависит от величины поверхности заряда и скорости его горения.

Величина поверхности пороховых элементов определяется их формой, геометрическими размерами и может в процессе горения увеличиваться или уменьшаться. Такое горение называется соответственно прогрессивным или дигрессивным. Для получения постоянной скорости газообразования или её изменения по определённому закону отдельные участки зарядов (например ракетных) покрывают слоем негорючих материалов (бронировкой). Скорость горения порохов зависит от их состава, начальной температуры и давления.

Основными характеристиками пороха являются: теплота горения Q — количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 килограмма пороха; объём газообразных продуктов V, выделяемых при сгорании 1 килограмма пороха (определяется после приведения газов к нормальным условиям); температура газов Т, определяемая при сгорании пороха в условиях постоянного объёма и отсутствия тепловых потерь; плотность пороха ρ; сила пороха f — работа, которую мог бы совершить 1 килограмм пороховых газов, расширяясь при нагревании на Т градусов при нормальном атмосферном давлении.

Кроме развлекательных целей (фейерверки) порох используют также в технических целях: в пороховом инструменте (строительно-монтажные пистолеты, пробойники и др.), в пиротехнических изделиях (пироболты, пиропатроны и т. д.).

• Пороховое военное дело
• Дымный порох
• Бездымный порох
• Пороховой заговор
• Огнестрельное оружие
• Мушкет
• Пушка

• Мао Цзо-бэнь. Это изобретено в Китае / Перевод с китайского и примечания А. Клышко. — М.: Молодая гвардия, 1959. — С. 35—45. — 160 с. — 25 000 экз.
• Джек Келли. Порох. От алхимии до артиллерии. История вещества, которое изменило мир = Gunpowder. Alchemy, Bombards, & Pyrotechnics: The History of the Explosive that Changed the World. — КоЛибри, 2005. — 344 с. — 5000 экз. — ISBN 5-98720-012-1.
• Порох // Объекты военные — Радиокомпас / [под общ. ред. Н. В. Огаркова]. — М. : Военное изд-во М-ва обороны СССР, 1978. — (Советская военная энциклопедия : [в 8 т.] ; 1976—1980, т. 6).

• Чельцов И. М. Порох // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Пороха / Маньковский Г. И. // Полупроводники — Пустыня [Электронный ресурс]. — 2015. — С. 173—172. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004—2017, т. 27). — ISBN 978-5-85270-364-4.
• Buchanan, Brenda J., ed. (2006), Gunpowder, Explosives and the State: A Technological History, Aldershot: Ashgate, ISBN 0-7546-5259-9, <http://muse.jhu.edu/login?auth=0&type=summary&url=/journals/technology_and_culture/v049/49.3.bachrach.html>
• Needham, Joseph (1986), Science & Civilisation in China, vol. V:7: The Gunpowder Epic, Cambridge University Press, ISBN 0-521-30358-3

• Взрыв одного килограмма алюминиевого пороха
• История появления пороха.