2.1 История возникновения и развития энергонасыщенных материалов и изделий

Целую эпоху истории человечества занимает время от открытия способа добывания огня до изобретения пороха. За это время человеческое общество в большинстве стран прошло формации от первобытнообщинного строя и рабства до феодализма. В период развития и гибели этих общественных формаций человек медленно познавал окружающую природу, медленно учился использовать в своих интересах ее богатства, соответственно, медленно развивалась техника. Так, от открытия лука и стрел до изобретения пороха и огнестрельного оружия прошли тысячелетия.

Открытие селитры и изобретение пороха. В глубокой древности, за сотни лет до нашей эры, в Китае была открыта селитра. Китайцы впервые обнаружили способность селитры поддерживать горение и использовали ее в зажигательных составах, а позже – для изготовления ракет, служивших для метания стрел.

В течение многих столетий происходил процесс постепенного совершенствования селитросодержащих составов, подбора для них различных компонентов в различных соотношениях, улучшения способа их обработки, в результате чего пришли к веществу с неизвестными до этого взрывными свойствами – пороху, который называется теперь дымным, или черным, порохом. Примерно в 600 г. н.э. китайский ученый Сунь-Сы-Мяо описал состав и рецепт приготовления пороха. Сведения о селитре и ее применении перешли от китайцев в Индию, а затем к арабам и грекам.

Появление огнестрельного оружия. Появление пороха было необходимой предпосылкой для возникновения огнестрельного оружия. С другой стороны, появление огнестрельного оружия было подготовлено развитием метательного оружия в доогнестрельную эпоху. Созданные в процессе развития лука и метательных машин аркбалиста арбалет и аркебуз по многим признакам напоминают огнестрельное оружие. Для метания стрел (арбалет и аркебуз) и пуль (аркебуз) служила упругая сила натянутой тетивы. Потребовалась творческая деятельность не одного поколения, чтобы заменить работу натянутой тетивы работой пороховых газов и создать огнестрельное оружие, пригодное для практического применения.

В 1132 г. в Китае было изобретено огнестрельное оружие, ствол которого был сделан из длинной бамбуковой трубки. В Западной Европе огнестрельное оружие появилось в первой половине ХIV в. В Московской Руси порох и огнестрельные орудия появились до 1382 г., ибо известно, что в этом году порох был применен для артиллерийской стрельбы при обороне Москвы от нашествия татарского хана Тохтамыша.

Дымный порох. Со времени появления огнестрельного оружия и примерно до середины ХIХ в., т.е. на протяжении почти 500 лет, кроме дымного пороха не было найдено ни одного нового взрывчатого вещества, практически пригодного для метательных целей, для снаряжения гранат или для взрывных работ. Вследствие рутины и косности феодального строя, господства церкви в духовной жизни наука и техника развивались крайне медленно. Лишь с возникновением и развитием капитализма ускоряется процесс развития естественных наук, в том числе химии, физики, и создаются условия для открытия новых взрывчатых веществ.

Крупнейшую роль в развитии дымного пороха сыграли работы М.В. Ломоносова, на основе которых в конце ХVIII в. было установлено рациональное соотношение между компонентами этого пороха, сохранившееся по настоящее время; тогда же была усовершенствована технология производства дымного пороха.

Способы воспламенения пороха. Начиная с первых образцов стрелкового оружия и до начала ХIХ в., т.е. в течение 500 лет, огонь сообщали пороху через «затравку». Оружие имело запальное отверстие, которое расширялось наружу и заканчивалось полкой для затравочного пороха. Вначале затравочный порох воспламеняли с помощью кусочков тлеющего угля, в дальнейшем – раскаленным прутом, еще позже с помощью фитиля. В ХVI в. появились искровые замки, из которых наиболее совершенным был кремниевый замок, введенный в русских войсках Петром I в 1701 г. и служивший в военном оружии около 150 лет, до Крымской войны включительно. Кремниевый замок обладал рядом серьезных недостатков. Поэтому с конца ХVIII в. были начаты изыскания более совершенного способа воспламенения порохового заряда в оружии.

Успешное решение этой задачи было подготовлено предшествовавшим развитием химии, в частности, открытием бертолетовой соли. Спустя несколько лет после открытия этой соли, шотландец Форсайт предложил хлоратные смеси, легко взрывающиеся при ударе и дающие луч пламени, достаточный для воспламенения пороха. Из таких смесей, получивших название ударных составов, готовили шарики величиной с горошину, зерна или лепешки, которые затем покрывали воском. Был изобретен специальный замок, курок которого имел боек, ударявший в затравочное углубление, куда клали взрывчатую лепешку или шарик.

В 1815 г. английский оружейник предложил запрессовать ударный состав в металлическую оболочку-колпачок, так был изобретен капсюль-воспламенитель.

Производство капсюлей-воспламенителей с применением гремучей ртути в ударных составах началось в России с 1843 г. на Охтенском пороховом заводе.

Поиски мощного пороха. Во второй половине ХVIII в. в связи с развитием промышленного капитализма возникла потребность в более мощном порохе по сравнению с дымным, применявшимся в горном деле и для военных целей, и были начаты изыскания такого пороха.

Первая попытка в этом направлении была сделана французским химиком Бертолле. Он предложил готовить порох, состоящий из смеси бертолетовой соли (открытой им в 1786 г.), угля и серы. После нескольких непредвиденных взрывов с тяжелыми человеческими жертвами опыты были прекращены.

Неудача Бертолле объясняется тем, что в то время были заложены только основы неорганической химии, недостаточные для создания нового мощного пороха и новых взрывчатых веществ. Для этого, как показало дальнейшее развитие науки, необходимо было возникновение новой отрасли органической химии. Между тем, органическая химия начала развиваться только с конца 20-х годов ХIХ в.

Открытие пироксилина и нитроглицерина. На основе успехов органической химии были сделаны два замечательных открытия: нитроцеллюлозы или пироксилина (Браконо, 1832 г.) и нитроглицерина (Собреро, 1846 г.). Эти два открытия явились фундаментом для дальнейшего развития порохов и бризантных взрывчатых веществ.

Открытие нитроцеллюлозы привело в дальнейшем к поворотному пункту в истории пороха – изобретению пироксилинового пороха. Открытие же нитроглицерина в результате запросов сильно развивавшейся в ХIХ в. горной промышленности привело к открытию явления детонации и бризантных взрывчатых веществ.

Быстрое развитие промышленности и крупные успехи, достигнутые в ХIХ в. в области физики, химии, математики и механики, сопровождались значительными успехами и в развитии военной техники.

Почти одновременно (около 1860 г.) в России и в ряде других европейских государств была введена нарезная артиллерия.

Это привело к значительному увеличению дальности и повышению кучности стрельбы по сравнению с прежней гладкоствольной артиллерией. Вместе с тем, стремление к дальнейшему повышению баллистических качеств артиллерии и ручного огнестрельного оружия потребовало скорейшего решения еще ранее поставленной задачи – изыскания пороха, более мощного, чем старый дымный порох.

Попытки применения пироксилина для стрельбы. В 1846–1848 гг. Г.И. Гесс и А.А. Фадеев исследовали свойства пироксилина и показали, что он по мощности в несколько раз превосходит дымный порох.

В последующие годы в разных странах проводились опыты с целью изучения возможности применения пироксилина для стрельбы вместо дымного пороха. Долгое время эти опыты были неудачны. Главное затруднение заключалось в том, что при стрельбе рыхлым пироксилином происходило чрезвычайно быстрое и притом неравномерное его сгорание, в результате чего развивалось очень высокое давление, приводившее к большому рассеиванию снарядов или даже разрыву орудий.

Возникновение потребности в бездымном порохе. В 70-х годах XIX столетия для увеличения скорострельности ручного оружия в различных странах были разработаны магазинные винтовки. Однако при сравнительных испытаниях магазинные винтовки не давали в отношении числа попаданий почти никакого преимущества перед однозарядными. Это объяснялось тем, что при частой стрельбе из магазинной винтовки дым не успевал рассеиваться, и стрелкам были плохо видны мишени. В связи с этим была поставлена задача изыскания малодымного или бездымного пороха.

Изобретение бездымного пороха. После длительных опытов в 1884 г. французский химик Вьель получил впервые бездымный пироксилиновый порох. Его изобретение состояло в пластификации пироксилина обработкой его спирто-эфирной смесью. Из полученной массы изготовляли мелкозернистый порох для винтовок и ленточные пороха для орудий.

Полученный таким образом порох, благодаря сплошной структуре, горит параллельными слоями, что позволяет управлять временем горения порохового заряда путем изменения размеров пороховых элементов.

В 1888 г. шведский инженер А. Нобель изобрел нитроглицериновый баллиститный порох, а в 1889 г. Нобель и Абель изобрели в Англии нитроглицериновый порох другого типа – кордитный).

Применением бездымного пороха была разрешена проблема скорострельности магазинных винтовок. Одновременно удалось уменьшить калибр винтовки (вследствие облегчения очистки канала ствола, которая раньше была затруднена из-за большого количества нагара от дымного пороха), увеличить начальную скорость пули, соответственно, дальность и кучность стрельбы, настильность траектории и пробивную способность пули.

Равным образом применение бездымных нитроцеллюлозных порохов ознаменовало переворот в артиллерийской технике, где также резко возросла начальная скорость снаряда и, соответственно, дальность и точность стрельбы.

Бездымный порох явился также необходимой предпосылкой для создания автоматического оружия, в первую очередь, пулеметов.

Роль русских ученых в развитии пороходелия. Работы русских специалистов имели большое значение для развития пороходелия.

Л.Н. Шишков впервые в 50-х годах XIX века сделал анализ продуктов горения дымных порохов и вычислил температуру горения. Н.П. Федоров опубликовал выдающуюся работу о составе порохового остатка и продуктов разложения дымного пороха под различными давлениями. Н.В. Маевский и А.В. Гадолин предложили выгодную форму зерна дымного пороха в виде шестигранной призмы с одним или семью каналами. Эти две формы вновь использованы в современных одно- и семиканальных зернах коллоидных порохов. Профес- сор Артиллерийской Академии Н.Н. Федоров и преподаватель С.В. Панпушко совместно с работниками Охтенского порохового завода А.В. Сухинским и З.В. Калачевым разработали в начале 90-х годов XIX века в очень короткий срок технологический процесс производства пироксилинового пороха и отработали два вида порохов – пластинчатый для винтовок и ленточный для орудий. В это же время Д.И. Менделеев разработал особый вид пироксилинового пороха – пироколлодийный.

Д.И. Менделеев предложил также способ обезвоживания пироксилина спиртом, упростивший и обезопасивший эту операцию; он же предложил способ улавливания паров спирта и эфира, который под его руководством был отработан В.Н. Никольским. В 1895 г. Никольский разработал метод удаления остаточного растворителя из пороха вымочкой.

Химическая стойкость пироксилинового пороха была значительно повышена в начале ХХ в. введением в состав пороха дифениламина, рекомендованного в качестве стабилизатора на основе исследований, выполненных под руководством Н.А. Голубицкого, В.Н. Никольского и др.

Выдающееся значение для пироксилинового производства имеет разработанная А.В. Сапожниковым теория нитрационных смесей и установленная им зависимость между составом нитрационных смесей и степенью нитрации клетчатки.

Достижения русских ученых и специалистов были использованы и на пороховых заводах за границей; в частности, пироколлодийный порох Д.И. Менделеева был принят в производстве в США.