Традиционный порох уже давно уступил место компактной сверхмощной взрывчатке. Учёные продолжают поиск новых рецептов, позволяющих уменьшить размер боеголовок, сохранив при этом мощность.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №2(30). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

В 1845 году немецко-швейцарский химик Кристиан Шёнбейн в ходе эксперимента случайно опрокинул склянку с «царской водкой» (концентрированной смесью соляной и азотной кислот), схватил передник жены и вытер лужу. Во избежание скандала профессор решил просушить его у печи. Но ткань, едва высохнув, взорвалась!

Оказалось, что волокна хлопка при обработке кислотами образуют тринитрат целлюлозы. Впервые его получил француз Анри Браконно ещё в 1832 году, но о взрывчатых свойствах ничего не сообщил. Поэтому Шёнбейн по праву считается первооткрывателем взрывчатого вещества, названного им Schiebaumwolle (стрелятельный хлопок). Мы его знаем как пироксилин.

В ходе исследований профессор пришёл к интересным выводам, актуальным до сих пор. В порохе характер взаимодействия углерода и нитратов зависит от механических свойств пороховой смеси. А в новом продукте они связаны на молекулярном уровне. Вата представляет собой длинные цепочки простых сахаров. На эту цепочку «насаживаются» нитратные группы NO₃, увеличивая концентрацию кислорода. Чтобы взорвать такую вату, нужно очень быстро поднять температуру или локально повысить давление — ударить. Скорость взрыва в несколько тысяч раз превышает скорость горения пороха, а в горячие газы превращается более 90% исходных реагентов. Обычный порох в лучшем случае сгорает меньше чем наполовину, образуя громадные клубы дыма из несгоревших остатков.

В те же годы стараниями итальянского химика Асканио Собреро на свет появился другой «могильщик пороха». Вещество было открыто в ходе исследований, заказанных мыловарами, которые желали сделать продукт не таким едким и противным на ощупь. Перспективной добавкой казался глицерин, обработанный сильными кислотами, в том числе азотной. Собреро получил тяжёлое желтоватое масло, которое детонировало даже при незначительной тряске. Химик назвал вещество piroglicerina, но позже утвердилось другое наименование — нитроглицерин. ­То есть именно «гремучему маслу» мы обязаны существованием Нобелевской премии.

Исследования показали, что сила взрыва в первую очередь зависит от скорости детонации и теплоты реакции, которые, в свою очередь, определяются молекулярными свойствами веществ. Взрывчатка тем мощнее, чем больше молярная масса продуктов горения и скорость детонации, при этом между горением, взрывом и детонацией есть существенная разница. При горении и взрыве реакция распространяется за счёт теплопередачи — процесс протекает сравнительно медленно. А при детонации образуется ударная сверхзвуковая волна, теоретический предел скорости которой достигает 11 км/с. Страшно представить, с какой силой бьют в преграду раскалённые газы!

 Взрыв оружия на борту судна «Каронделет» во время атаки на Форт-Донельсон. Автор: М.Дж. Бёрнс.

По сравнению с порохом теплотворная способность новых смесей была огромной. Высокая энергия окисления и кислородный коэффициент обеспечивают и пироксилину, и нитроглицерину максимальный термический эффект.

Ещё более эффективными взрывчатками оказались соединения, включающие нитроэфирные группы ONO₂: нитроэфиры и нитросахара. К ним же, в принципе, можно отнести и ароматические соединения с нитрогруппами, но в этих веществах содержание кислорода намного ниже, что замедляет детонацию. Поэтому им отводилась роль остова, на который будут «насаживаться» многочисленные нитроэфирные группы.

Правильность такого подхода подтвердила пикриновая кислота (тринитрофенол) — жёлтое кристаллическое вещество, полученное в результате обработки красителя индиго азотной кислотой. Долгое время пикраты использовались для окрашивания тканей, но с появлением анилиновых красителей главными заказчиками соединений на основе пикриновой кислоты стали военные. Немецкий учёный Герман Шпренгель описал возможные способы детонации пикриновых боеприпасов, а практические испытания подтвердили их высокую эффективность.

Французская модель снаряда с мелинитом (пикриновая кислота) 1897 года, использовавшаяся в 75‑мм полевой пушке

Французский мелинит, британский лиддит, впервые применённый в Англо-бурской войне, итальянский пертит и японская шимозе, прогремевшая в Цусимском сражении, — всё это пикриновая кислота, при взрыве образующая облако удушливого дыма и окрашивающая жертв в жёлтый цвет (их так и называли — канарейки).

Сама по себе «пикринка» безопасна, но в комбинации с металлами образует чрезвычайно опасные соли, детонирующие при малейшем сотрясении. Страшные взрывы артиллерийских складов заставили инженеров усложнить конструкцию снаряда (например, сделать внутренний герметичный стакана из вощёного картона). Но эти меры не обеспечивали нужный уровень безопасности и подстегнули поиски менее капризной взрывчатки. Ею стал тринитротолуол (THT), полученный немецким химиком Юлиусом Вильбрандом в 1863 году.

Учёный обработал толуол — побочный продукт коксования угля и крекинга нефти — азотной кислотой и получил ряд нитросоединений с одной, двумя и тремя нитрогруппами. Сомнений в их горючести не возникало: есть углерод, водород и очень нужный для термической реакции кислород. Особенно его много в тринитротолуоле. Тем не менее поначалу будущий «король взрывчаток» вёл себя на удивление флегматично: его били, поджигали, плавили в кипятке (температура плавления — всего 80,4 °C), в него можно было даже стрелять — он не взрывался! Заставил детонировать тринитротолуол немецкий опять же химик Генрих Каст. Интуиция и опыт говорили ему: по всем химическим параметрам ТНТ обязан быть сильной взрывчаткой, не уступающей пироксилину, нитроглицерину и пикриновой кислоте. А его спокойный характер сделает безопасным его промышленное производство и хранение, обеспечив таким образом надёжное будущее.

Для взрыва ТНТ нужна была ударная волна мини-взрыва. Самым подходящим устройством для инициации оказался разработанный Нобелем капсюль-детонатор № 8. Это металлическая гильза с полусферическим донцем, начинённая прессованной гремучей ртутью Нg(ONC)₂ — тяжёлым порошком, полученным растворением металлической ртути в азотной кислоте и смешиванием с этиловым спиртом. Позже применялся азид свинца. Заряд детонатора легко взрывается от незначительного удара (или электрической искры), порождая ударную волну с температурой около 180 °С и скоростью детонации более 5,5 км/с.

Катастрофа в Галифаксе стала самым мощным неядерным взрывом в истории. Позже, в конце Второй мировой войны, суммарный объём взрывчатки, использованной союзной авиацией, был, конечно, выше (тысяча «летающих крепостей», «Либерейторов» и «Ланкастеров» с бомбовой нагрузкой в 5-8 тонн каждый — это уже килотонны и килотонны), но никогда такой заряд не взрывался целиком.

Тротилу понадобилось время для окончательного воцарения в арсеналах. Трагедия канадского городка Галифакса, за считаные секунды стёртого с лица земли, стала самым громким аргументом в пользу сравнительно безопасного ТНТ. 6 декабря 1917 года взрыв 2500 тонн пикринки на борту охваченного пожаром транспортного судна «Монблан» унёс жизни почти 4 тысяч человек. Более ­­ 9 тысяч жителей получили ранения, 1600 зданий были полностью разрушены ударной волной.

А порох, с которого всё начиналось, сегодня используется лишь в качестве «огненной забавы». Он даже потерял своё имя, превратившись в безликий «пиротехнический состав» с добавками солей металлов, придающих пламени окраску. И лишь искушённые зрители видят в огненных цветах, пылающих в ночном небе, отражение той силы, которая изменила мир. И продолжает его менять.