ЧЕ Н Ы Е — Ш К ОЛЬ НИКАМ
Академик Н. Н. Семенов
*	*	т
ГОРЕНИЕ И ВЗРЫВ
Рисунки М. Гетманского
• *
I
I '
Государственное Издательство Детской Литературы
, Наркомпроса РСФСР
Москва 1945 Ленинград

Академик СЕМЕНОВ Николай Николаевич,
директор Института химической физики Акаде-
мии наук СССР, лауреат Сталинской премии,—
ученый-физик с мировым именем. Получил из-
вестность своими трудами в области теории цеп-
ных химических реакций и теории горения и
взрывов.
Академик Семенов награжден орденом
Ленина.

W4
НАУЧНАЯ ьИБШТЕНА
до fid детгквй книги
ДЕТГИЗА

/. ЭНЕРГИЯ ГОРЮЧИХ ВЕЩЕСТВ'
В виде вступления мне хотелось бы прочесть страничку
нз моей популярной статьи «Химическая кинетика
и теория горения», вышедшей несколько лет тому назад.
Я писал тогда:
«Огонь и электричество — вот два основных рычага,
двигающих технику человечества. Огонь едва ли не первое
техническое достижение еще первобытного человека. От-
крытие огня и способов его получения, сделанное людьми
на заре их существования и запечатленное в древних ми-
фах, является одним из самых первоначальных и, во вся-
ком случае, величайших сдвигов в истории человечества.
Примитивный жизненный опыт, скорее звериное чутье, чем
разумная мысль, привел, вероятно, человека к способам
получения и первоначального использования огня. В руках
первобытных людей эта великая сила стала источником их
культурного подъема, побудила их к исканию новых
средств, совершенствующих жизнь. Применяя огонь, они
научились плавить и ковать металл, обжигать глину и де-
лать многое другое. Огонь дал • толчок первоначальному
рациональному техническому мышлению человека. Он
является, таким образом, одним из первоисточников рож-
дения научной мысли. От этих доисторических времен и до
наших дней огонь был и остается в руках человека ве-
личайшей созидательной и разрушительной силой. Исполь-
*
1 Лекция, прочитанная учащимся VIII, IX и X классов школ
г. Москвы.
зование силы огня является центральной линией техниче-
ского прогресса человечества.
Электричество — одно из последних достижений совре-
менного человеческого общества. Оно было открыто в ла-
бораториях путем глубокого научного анализа явлений
природы. Электричество—продукт рационального творче-
ства человека, яркое выражение научной мощи его разума.
•Открытие огня и электричества — как бы два маяка куль-
турного развития человечества, отделенные друг от друга
многими тысячелетиями.
И вот, как ни странно, молодое электричество мы знаем
гораздо лучше, чем древний огонь. Наука об электричестве
стоит на огромной высоте. В области электротехники
или радиотехники почти нет явлений, которых мы не мог-
ли бы объяснить, которых мы не могли бы предвычис-
лить.
В науке об огне мы нередко становимся втупик перед
самыми простыми явлениями. Рациональная конструкция
двигателя внутреннего сгорания и даже топки котла
встречает больше затруднений, чем конструкция самой
сложной динамомашины или радиоприемника. И по сие
время в вопросах, связанных с огнем, мы очень часто
должны, уподобившись нашим первобытным предкам, ~
использовать в большей степени примитивный опыт и чутье,
нежели рациональное научное знание предмета».
А ведь вопросы горения являются весьма важными в
жизни человечества. Вряд ли можно назвать другую хими-
ческую реакцию, которая применялась бы так широко, как
реакция горения. Не считая энергии гидроэлектростанций
(использующих силу падения воды), основное количество
электроэнергии, вырабатываемой ныне на земном шаре, по-
лучается в результате сжигания того или иного топлива,
то есть в результате реакции горения. А во время войны
эта реакция горения в огромных масштабах используется
самой разнообразной военной техникой. Современную
войну мы называем войной моторов. Танки и самолеты в
значительных количествах потребляют жидкое топливо—
бензин и нефть. Война характерна также огромным расхо-
дом пороха и других взрывчатых веществ. По опублико-
ванным в печати данным, наши союзники тратили за один
месяц на одни бомбардировки около 50 тысяч тонн взрыв-
чатых веществ (100 тысяч тонн бомб) и примерно вдвое
больше бензина для их транспортировки. Эти цифры дают
представление о том, какие огромные массы сгорают, как
6
велика роль реакции горения. Перед нами, естественно,
возникает вопрос: откуда же берется вообще та сила, ко-
торая сосредоточена в' горючих веществах, сила, которая
движет мощные турбины и другие машины, сила, которая
позволяет взрывать и уничтожать кажущиеся неприступны-
ми крепости и укрепления?
Эта сила рождена энергией солнца. Энергия горючего
в конечном итоге есть сосредоточенная солнечная энер-
гия.
Вы знаете, что солнечная энергия попадает на землю в
значительной концентрации. В ясный солнечный день на
каждый квадратный метр земной поверхности попадает
столько солнечной энергии, что можно было бы использо-
вать ее для приведения в движение мотора в одну лоша-
диную силу. Однако современная техника еще не сумела
осуществить заманчивую идею использования солнечной
энергии прямым путем. Опыты с гелиоустановками не дали
еще положительных результатов. А пока что мы пользуем-
ся солнечной энергией косвенным путем — через раститель-
ный мир. Вы, вероятно, знаете, как растения усваивают
солнечную энергию. Важно отметить, что это происходит
с весьма незначительным коэфициентом полезного действия,
от 2* до 6 процентов. Лучи солнца вызывают в растениях
химическую реакцию, в которой участвуют вода и угле-
кислота, содержащаяся в воздухе. Энергия солнца идет на
образование органических веществ растения. В результате
процессов, длящихся сотни тысяч лет, растения превра-
щаются в торф, уголь и другие виды топлива. При сжига-
нии топливо вновь превращается в углекислоту и воду, а
запасенная в нем солнечная энергия выделяется в виде
тепла. Такой же процесс возвращения в воздух углекисло-
ты имеет место и при «сгорании» пищи в организме живых
существ. Так происходит кругооборот солнечной энергии.
Нет сомнения в том, что в конце концов человеческий
ум разрешит задачу прямого использования солнечной
энергии. Но до того как наступит эта новая эра, мы вы-
нуждены сжигать горючие вещества. Такое же сжигание,
по существу, происходит и при манипуляциях с взрывча-
тыми веществами. Если мы возьмем порошок того же тор-
’фа или угля и смешаем с жидким кислородом, то получен-
ная смесь окажется очень мощным взрывчатым веществом,
-которое находит применение и для мирных целей: при вся-
кого рода взрывных работах в шахтах и т. д. Однако ввиду
того, что обращение с жидким кислородом требует особой
7
обстановки, его обычно приходится химически связывать с
топливом. Такое связывание кислорода с топливом имеет
место почти во всех взрывчатых веществах.
Таким образом, все взрывчатые вещества так или ина-
че используют запас солнечной энергии.
//. ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ
Прежде, когда техника не была развита так, как сейчас,
от взрывчатых веществ и от горения требовалось не мно-
го. Машины были тихоходными, а пушки вполне успешно
стреляли с помощью черного пороха. Но в конце прошлого
века началось быстрое усовершенствование всякого рода
машин и двигателей внутреннего сгорания. Бешеными тем-
пами пошло и развитие вооружения. Начали возникать все
новые и новые виды оружия. Перед наукой и техникой
встала задача создания новых мощных взрывчатых ве-
ществ, а для этого надо было научиться точно управлять
процессами горения и взрывов.
Ученые многих стран стали разрабатывать теорию го-
рения. Очень интенсивно развивалась эта работа у нас в
Союзе. Наша наука в этом вопросе в последние годы доби-
лась больших успехов, во многом опередив достижения
иностранных ученых.
Передо мной стоит довольно трудная задача — познако-
мить вас с кругом явлений, которые имеют место при
взрывах и горении, рассказать о теории этих явлений. Хо-
чется мне также поделиться с вами некоторыми мыслями,
которые еще не опубликованы в научных трудах;
Начну с одного наглядного и простого опыта с ази-
дом свинца (соединение свинца с азотом), который
очень легко взрывается и который, кстати говоря, широко
используется в капсюлях снарядов, авиабомб и т. д. Мы
кладем его на стеклянную пластинку и с помощью спички
поджигаем.
Результаты этого взрыва весьма наглядны: крошечный
кусочек азида свинца проделал в стекле небольшую ды-
рочку. При этом стекло разбито не так, как если бы по*
нему ударили молотком. В стекле вы видите такую дыроч-
ку, как будто в него попала пуля. Это указывает на гро-
мадную силу удара, иначе стекло попросту разлетелось бы
на осколки.
8

Таким же образом пробивается броня танка, когда в
него бросают гранату, разрушаются доты.
Надо сказать, что если бы мы держали этот кусочек
азида свинца на некотором расстоянии от стекла, то взрыв
не оказал бы такого мощного действия.
В чем тут дело? Вызывает удивление: почему газы,
которые выделяются при взрыве азида свинца и которые,
казалось, могут совершенно свободно уходить в воздух,
давят именно на стеклянную подкладку?
Секрет заключается в гигантских скоростях, сопровож-
дающих процесс взрыва. Эти скорости можно измерить.
Делается это с помощью особых шнуров, в сердцевине
которых имеется гремучая ртуть. Такой шнур в километр
длиной пламя пробежит меньше чем за треть секунды.
Скорость эта легко измеряется при помощи специаль-
ных приборов, дающих показания в мельчайших долях
секунды. Таким образом можно ’ измерить скорость про-
цессов взрыва любого вещества. Она может быть различ-
ной— от 2 до 9 километров в секунду. Напомню, что
скорость звука в воздухе всего 330 метров, в воде
1400 метров в секунду, аэроплан делает до 200 метров в
секунду, а процесс взрыва идет со скоростью до 9 кило-
метров! Этот процесс распространяется скорее, чем летит
самая быстрая пуля. Кристаллик азида свинца, которым
9
мы пользовались в нашем опыте, взрывается меньше чем в
одну миллионную долю секунды.
За это мгновение газы, которые выделяются при взрыве,
не успевают даже расшириться. Развивается огромное
давление — в несколько сот тысяч атмосфер. Для того
чтобы показать грандиозность такого давления, напомню,
что в лабораторных условиях, при всем совершенстве со-
временной техники, пока удалось создать давление только
в 50 тысяч атмосфер. *Б артиллерийском орудии, выстрел
из которого способен разрушить самые мощные укрепления,
давление достигает «всего» 2—4 тысяч атмосфер. В двига-
телях давление газа в цилиндре еще меньше — всего де-
сятки атмосфер. А в небольшом, размером в спичечную
головку, кристаллике азида свинца развивается при взрыве
давление в сотни тысяч атмосфер!
В первый момент взрыва на нашу стеклянную под-
кладку ничего не давит (вес азида свинца можно не учи-
тывать), а потом на нее обрушивается громадное давление,
во много раз превосходящее силу удара молотка. Полу-
чается своеобразный удар — удар очень сильный, такого
же порядка, как удар пули. Кстати укажу, что давление,
развиваемое пулей при ударе о броню, при скорости в
1 километр в секунду также превышает 100 тысяч атмо-
сфер.
Таким образом, как будто нет разницы между дей-
ствием пули и действием описанного взрыва. Поэтому и
получается, что стекло при нашем, взрыве пробивается так
же, как от удара пули. Но некоторая разница все же есть:
пулей несравненно выгоднее пробивать броню, чем таким
«снарядом», как наш кристаллик азида свинца. Пуля на-
правлена, а газ от азида свинца выходит не только в на-
правлении стеклянной подкладки, но и в другие стороны.
Таким образом, только часть силы взрыва направлена в
сторону стекла.
Однако этим плотным, как твердое вещество, газам
можно дать нужное направление, как и пуле, и направить
поток этих газов в сторону брони. В частности, в окончив-
шейся недавно воине эта возможность была широко ис-
пользована в так называемых куммулятивных снарядах.
На московской выставке трофейного оружия, захваченно-
го у немцев, показан ряд таких куммулятивных снарядов,
мин и т. д. Принцип их действия известен давно.
Если сделать снаряд такой формы, как показано на ри-
сунке (см. стр. 11), то он произведет гораздо большее
10



Пустое пространство (аоздит) <
-__________J..	......Л
иЭРЬюателЬ 2
снаряда ;
Выемка J
ВзрЫвиатое вещество

’		> » » » 		——^»уу^ч^ чам^
Врио к а для поджигания взрывателя 2 |
[Ж: i i ~ -.Л.‘	‘	—

действие, чем такой же снаряд, но без выемки, хотя в пер-
вом взрывчатого вещества будет больше.
На рисунке (см. стр.. 12) показано, как происходит взрыв
в таком снаряде. Газы выходят из снаряда перпендикуляр-
но поверхности взрывчатого вещества, а так как эта по-
верхность вогнута, то она действует, как зеркало отражате-
ля прожектора: собирает газы в пучок и направляет их в
сторону движения снаряда. Такой тонкий, концентрирован-
ный луч газов, повидимому сжатых до пределов, близких к
плотности стали, врезается в броню, как нож в масло, и, во
всяком случае, действует не хуже любого бронебойного
снаряда. Это обеспечивается огромной скоростью потока
плотных газов, достигающей, как предполагается, 10 кило-
метров в секунду. Если бы поезд скрасная стрела» двигал-
ся с такой быстротой, он бы преодолевал расстояние от
Москвы до Ленинграда (около 600 километров) примерно в
какую-нибудь минуту.
Следует, впрочем, отметить, что особенно сильное про-
бивное действие получается в том случае, если поверхность
конической выемки выложена металлическим листом не-
большой толщины.
Чтобы показать влияние куммулятивной выемки в сна-
ряде на мощность удара при взрыве, ознакомимся со сле-
Н

дующим опытом. Возьмем два маленьких цилиндрика (вы-
сотой в сантиметр каждый) из прессованного тетрила —
взрывчатого вещества, употребляемого в качестве проме-
жуточного заряда в снарядах. В одном из цилиндриков,
как указано на рисунке, имеется выемка. На каждый из
цилиндриков кладется небольшая порция ази^а свинца. .
После взрыва на стальной подкладке образуются два
углубления; большее оказывается под цилиндриком, в ко-
тором мы сделали выемку, хотя в нем и было значительно
меньше (на одну треть) взрывчатого вещества (см. рисунок
на стр. 13).
Для бризантности, то есть для дробящей способности
взрывчатого вещества, весьма важно, чтобы скорость вы-
деления газов при взрыве была максимальной. Порох, в
котором заключена огромная энергия, на воздухе горит
медленно и спокойно, и от этого горения никакого дробя-
щего эффекта не получается. Дело в том, что при взрыве
главную роль играет не энергия, а скорость ее выделения.
Скорость выделения энергии называют мощностью. Бри-
зантные вещества дают огромную мощность. Если взять
килограмм тротила, который имеет энергию порядка тысячи
больших калорий, то эта энергия при взрыве выделяется за
12
стотысячную долю секунды. Подсчеты показывают, что при
этом мощность в момент взрыва достигает 100 миллионов
больших калорий в секунду, то есть в сотни раз превышает
мощность Днепрогэса. Но эта мощность, конечно, длится
краткие мгновения. Если бы мы захотели поддержать такую
мощность в течение даже одной секунды, то пришлось бы
сжечь около 100 тонн взрывчатых веществ. Один кило-
грамм дров даст больцте энергии, чем такое же количество
тротила, но зато тротил развивает такую грандиозную мощ-
ность, с которой «мощность» дров, конечно, не сравнима.
Если в топку бросить полено, с котлом ничего не сделает-
ся, а если бы мы попробовали топить печку тротилом, то
при детонации он разнес бы не только котел, но и весь
дом. В огромной мощности взрывчатых веществ и заклю-
чается их разрушительная сила. Когда взрывчатое веще-
ство работает на разрыв гранаты или снаряда, нам важна
не столько энергия, сколько мощность. Но во многих слу-
чаях решающее значение имеет энергия» а не мощность.
В частности это имеет место в артиллерийском орудии, где
в камеру сгорания закладывается заряд пороха, с помощью
которого снаряд и вылетает. При этом порох должен сго-
рать примерно за тысячную долю секунды. Давление газов
при этом доходит до 3000 атмосфер, а затем по мере дви-
жения снаряда в стволе начинает постепенно падать. При



ш же высоты и диаметра
о лбин тетрила весом 0,4 г
Язид свинц а 0,2 в Л \
1Ц111ПН
Вмятина 07 езоыва цилин-
дрииеснбго столбика те-
трила весом 0,6 г
Г Углубление от взрыва \
| цилиндрического стол-
| оика тетрила весом 0,4 <
( С Химмулятивным угли- :
блением в донной части
k	j- j-j-tu- --	—ш j-u-j-шг- । -L	J


। Сталбная пластинка
,	*>	——— *	 I
ДО О ЭРЫ во
после взрыва


этом начальная скорость снаряда достигает 800 метров в
секунду.
Если бы вместо пороха в этих случаях употребляли
бризантное вещество, например тротил, тогда сразу обра-
зовавшееся огромное давление, порядка около 10 000 атмо-
сфер, разорвало бы орудие. Совсем другое дело порох: он
спокойно продолжает гореть по мере выбрасывания снаря-
да из дула. Но допустим, что удалось бы сделать орудие,
которое выдерживало бы давление в 10 000 атмосфер, в
этом случае скорость снаряда не превысила бы 900 метров
в секунду, то есть мы выиграли бы всего 100 метров в се-
кунду.
Если же зарядить обыкновенное орудие значительно
меньшим количеством- бризантного вещества, скажем, того
же тротила, который бы развивал давление в 3000 атмо-
сфер (какое получается при пользовании порохом), то тогда
скорость полета снаряда была бы весьма малой — всего
200 метров в секунду, а не 800. Поэтому пушки и заря-
жают порохом, сравнительно медленно сгорающим: в сотые
и тысячные доли секунды, а не в стотысячные.
Кстати сказать, орудия, где газ работает таким обра-
зом, являются довольно хорошими машинами;, в них
используется до 30 процентов энергии пороха на движение
снаряда. Однако продолжительность жизни такой машины
незначительна: раскаленные газы, движущиеся в стволе с
большими скоростями при давлении до 2500—3000 атмо-
сфер, быстро изнашивают ствол. Такое орудие обычно дает
около 10 000 выстрелов. Это значит, что оно работает в
общем меньше минуты за всю свою жизнь, а если бы для
стрельбы применялись бризантные вещества, дающие еще
большие давления, орудие
жило бы еще меньше.
Посмотрим, как горит
порох на воздухе. Возьмем
к для опыта так называемый
макаронный порох, употреб-
ляемый в морской артилле-
рии. Он горит очень спокой-
но, совсем иначе, чем
бризантные взрывчатые ве-
щества. Но такое горение
нас не устраивает. Нам на-
до, чтобы порох горел быст-
рее. Для этого надо создать
14
большое давление, которое
будет способствовать бы-
строте горения. Результаты
можно наблюдать в другом
опыте, где заряд пороха за-
ключен в металлической
бомбочке, в которой сдела-
но небольшое ’ отверстие.
Когда пороховые газы нач-
нут выделяться, они не бу-
дут успевать уходить через*
узенькую щель, и давление
в бомбочке будет расти. В
результате в бомбочке обра-
зуется давление около 40—50 атмосфер, что поведет к
значительному увеличению скорости сгорания. При этом
скорость горения пороха увеличится почти пропорциональ-
но увеличению давления. При горении пороха в камере
пушки развивается значительное давление, обеспечиваю-
щее необходимую скорость сгорания пороха.
В Отечественную войну большое применение нашел ра-
кетный принцип метания. По этому принципу устроено,
например, американское противотанковое ружье — базука.
Оно представляет собой открытую с обоих концов трубу,
в которую закладывается ракетный снаряд — мина. Под- •
жигание пороха производится с помощью специального
курка. Базука бьет на расстояние до 200—300 метров.
Она весит немного, ее может поднять один человек.
В ракете пороховой заряд помещается в камере в самом
снаряде. Пороховым газам дают свободный выход в дне
камеры в направлении, противоположном тому, куда дол-
жен лететь снаряд. Пороховые газы, расширяясь, устрем-
ляются с огромной скоростью через отверстие наружу,
отталкиваясь при этом от закрытого конца камеры.
Вследствие этого камера и прикрепленный к ней снаряд
получают толчок (отдачу) от выходящих газов и двигают-
ся в направлении, противоположном тому, куда выпускают-
ся газы. Чтобы снаряд полетел точно в нужном направле-
нии, его помещают в специальную «направляющую»,
например в открытую4*трубу. Двигаясь по этой трубе, сна-
ряд, естественно, летит в том направлении, в котором уста-
новлена труба. Таким образом, направляющая труба играет
как будто ту же роль, что ствол в обычном орудии. Одна-
ко между ними есть существенная разница. Ствол орудия
не только дает направление полету снаряда, но и является
«точкой опоры» для пороховых газов, толкающих снаряд.
Ствол орудия закрыт с задней стороны (казенная часть).
Пороховые газы, стремясь расшириться, выталкивают сна-
ряд вперед через дуло, отталкиваясь при этом от казенной
части. Поэтому казенная часть и, стало быть, весь ствол
испытывают толчок, отдачу. Направляющая труба реак-
тивного снаряда никакой отдачи не испытывает. Она от-
крыта с обоих концов, пороховые газы проходят свободно
сквозь нее и на нее не действуют. Поэтому «направляю-
щая» ракетной установки может быть очень легкой, и ее

можно носить или — для более крупных снарядов — возить
на легкой повозке. В отсутствии отдачи и легкости заклю-
чается большое преимущество ракетного оружия.
Можно проделать простой опыт, показывающий прин-
цип действия такого реактивного ружья. Железная труба,
открытая с обеих сторон, подвешена на нитках. При под-
жигании пороха, заключенного в снаряде, находящемся у
одного из концов трубы, газы идут из сопла назад, а сам
снаряд устремляется вперед и вылетает из трубы. Отсут-
ствие отдачи видно из того, что труба, подвешенная на
нитках, остается почти в неподвижном состоянии. До сих
пор мы говорили о том, как происходят взрывы, как горят
взрывчатые вещества. Огромное научное и практическое
значение имеет вопрос о горении газов.
Остановлюсь на вопросе, как вообще происходит горе-
ние газов. Вкратце это можно изложить так. Вначале, при
поджигании, всякий газ горит спокойно и медленно. Но
затем скорость эта быстро нарастает и при определен-
ных условиях переходит во взрыв — детонацию. Медлен-
ное горение газов, в частности, имеет место в дви-
гателях внутреннего сгорания. Но и здесь при определен-
ных условиях может произойти детонация. Это случится,
если чересчур велика степень сжатия в цилиндрах или
двигатель питается плохим топливом. Детонация — гроз-
ный враг авиации, так как она снижает мощность мотора
и ведет его к разрушению. Перед наукой и техникой воз-
никла задача — научиться бороться с этим явлением. Для
этого нужно было его изучить. Наши сотрудники А. Н. Вои-
нов и А. С. Соколик сумели сфотографировать момент де-
тонации газа в камере сгорания мотора. Снимки показыва-
ют, что нормально горящая газовая смесь в цилиндре вдруг
начинает гореть со скоростью 1700 метров в секунду.
В камере сгорания образуется мощная детонационная вол-
на, которая при отражении от стенок цилиндров мечется
по горящему газу. Температура стенок мотора резко под-
нимается, его, как говорят, лихорадит, части подвергаются
разрушению.
Что же нужно для того, чтобы горючее не детониро-
вало? Надо прежде всего пользоваться очень хорошим
топливом, специально синтезированным. Затем необходимо
добавлять к нему особые примеси. Великолепно в этом
смысле действует одно вещество, называемое тетраэтилатом
свинца. Примешанное в небольшом количестве, оно значи-
тельно подавляет способность горючего к детонации. Толь-
2 Горение и взрыв	' АУ Н4Я	ЕН	17
'.г	• ' ’	I ДУ * Д,тг!Г5 ни ги
I ДЕТГИЗА
ко благодаря этому открытию авиация смогла так быстро
развиться. Эта «целебная» смесь укрепляет бензин. Однако
даже бензин с такой примесью при форсированном нагне-
тании тоже детонирует, что ограничивает возможность
увеличения мощности моторов. Одна из главных задач, над
разрешением которой работает и Институт химической фи-
зики Академии наук, — борьба с явлением детонации.
Нужно изучить, как и почему происходит детонация в
двигателе внутреннего сгорания.
Несколько слов о воздушно-реактивном двигателе, ко-
торый начинает применяться в авиации. Такой двигатель
представляет собой ракету, которая берет кислород для
сжигания топлива из воздуха, поэтому ей требуется мень-
ше горючего, чем пороховой ракете. Вне всякого сомне-
ния, что в авиации воздушно-реактивный двигатель будет
широко применяться.
///. МЕХАНИЗМ ГОРЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ
Все то, о чем говорилось выше, показывает, сколь не-
обходимо знать механизм процессов горения и взрывов и
сколь важно иметь научно обоснованную теорию этих
явлений. В их основе лежат химические реакции,
причем особенное значение имеет скорость этих реакций.
Вот почему нашим Институтом самое главное внимание
обращается на механизм протекания химических реакций и
на изучение скорости химического превращения.
Скорость эта зависит от температуры и от давления.
Возьмем, для примера, реакцию разложения взрывчато-
го вещества — нитрогликоля. При 20 градусах выше
нуля его полное разложение может произойти только в те-
чение трех тысяч лет — срок, как видите, длительный. При
130 градусах разложение произойдет в несколько! суток,
при 230 градусах срок сократится до нескольких минут,
при 330 градусах — до нескольких секунд, а если темпе-
ратуру сделать еще более высокой, то разложение прои-
зойдет в какую-то долю секунды. Вот насколько быстро
увеличивается скорость реакции с ростом температуры.
Объясним с этой точки зрения явление самовозгорания.
Любое взрывчатое вещество или газ, если их нагревать
до известной температуры, могут самовозгораться. Отчего
это происходит?
Указание на причины этого явления имеется у некото-
18
рых иностранных авторов, а подробно теория этого явления
разработана в нашем Институте за последние годы.
Представьте себе абсолютно изолированный прибор, из
которого тепло не выходит. В этот сосуд помещается ка-
кое-нибудь взрывчатое вещество. Начальная скорость
реакции будет сначала маленькой, затем, в результате
реакции, происходит выделение тепла, температура растет,
а из-за этого растет скорость реакции, что опять вызывает
выделение тепла и повышение температуры и т. д. Эта
огромная скорость химической реакции и есть, по суще-
ству, взрыв.
Важно отметить, что для самовозгорания или самопроиз-
вольного взрыва необходимо, чтобы тепло, выделяющееся
в результате медленной реакции, не успевало уходить че-
рез стенки сосуда в окружающую среду. При малой темпе-
ратуре и, следовательно, малой скорости реакции выделе-
ние тепла оказывается меньшим, чем его уход в окружаю-
щую среду. Сохраняется баланс, прогрессивного нагрева-
ния нет, не будет взрыва. Когда мы нагреем газ до такой
критической температуры, что тепловыделение в резуль-
тате реакции будет равно скорости отвода тепла, вернее
чуть-чуть больше, вещество обязательно воспламенится. Эта
температура и является температурой воспламенения.
В большой куче торфа, угля или стоге сырого сена,
лежащих на воздухе, происходят медленные химические
реакции — реакции окисления, в результате которых все
время выделяется тепло. Но из-за больших объемов тепло-
отдача идет очень медленно, и поэтому нередко возникает
самовозгорание при обычной температуре. Итак, в основе
явления самовозгорания лежит химическая реакция, ско-
рость которой может возрасти из-за выделяющегося при
этом тепла.
Химическая реакция может ускоряться по мере ее про-
текания не только под действием тепла, ею выделяемого,
но и в результате влияния действия промежуточных и ко-
нечных веществ, получающихся в ходе реакции.
При медленном разложении пороха выделяются окислы
азота, которые ускоряют эту реакцию. Если мы возьмем
нитроглицерин или тротил в ампуле и заложим в слегка
нагретую печь, адская машина взорвется через несколько
часов, так как выделяющиеся при этом окислы азота посте-
пенно накапливаются, ускоряют химическую реакцию, тепло
выделяется все больше и больше, пока наконец не произой-
дет, взрыв. Поэтому при изготовлении пороха к нему приме-
2*	19
4
шиваются вещества, поглощающие окислы азота, выделяе-
мые порохом при хранении. Как известно, порох все-таки
после определенного срока нужно уничтожать. Это вызы-
вается тем, что стабилизирующие примеси постепенно съе-
даются медленно выделяющимися окислами азота, после
чего порох снова становится опасным. Было немало случаев
взрыва огромных складов пороха, когда в результате раз-
ложения порох самовоспламенялся.
Подобные явления влияния малых добавок на скорость
реакции характерны для многих химических превращений.
Так, смесь окиси- углерода с кислородом без присутствия
воды не воспламеняется; стоит, однако, впустить в смесь
ничтожное количество водяного пара, как смесь уже ста-
новится горючей.
Теперь перейдем к вопросу о распространении пламени
от места загорания по всему горючему веществу. ' Проще
всего это решается, если горючее является газом.
Этот вопрос получил удовлетворительное решение, в
сущности, только в последних работах сталинского лауреа-
та, работника нашего Института профессора Я. Б. Зель-
довича.
.Химическая реакция горения происходит в весьма уз-
ком слое горючего вещества, непосредственно прилегаю-
щего к фронту пламени (фронтом пламени называется
граница между пламенем, то есть уже сгоревшим горю-
чим, и еще не сгоревшей частью горючего). В тонком
слое вещества между несгоревшим и сгоревшим горю-
чим происходят плавное повышение температуры — от
исходной до температуры пламени — и изменение состава
вещества в продукт горения. Этот переходный слой про-
гревается теплом из пламени. Вследствие нагрева в нем
начинает быстро происходить химическая реакция. Горючее
сгорает, превращается в пламя. Выделившееся при этом --
тепло идет на прогрев следующего слоя, который, нагрев-
шись, сгорает, и т. д., пока слой за слоем не сгорит все
вещество. Чем больше скорость химической реакции, то
есть чем больше скорость выделения тепла, тем быстрее
происходит прогрев слоя за слоем впереди пламени, тем
быстрее распространяется пламя, а это, в свою очередь,
увеличивает скорость химической реакции. Работы профес-
сора Я. Б. Зельдовича, вскрывшего роль скорости химиче-
ской реакции в теории распространения пламени, имеют
большое научное значение: они помогли объяснить много
неясного в теории горения.
20

До недавнего времени
считалось, что все взрыв-
чатые вещества горят в
твердой или жидкой сре-
де. Сотрудник нашего
Института А. Ф. Беляев
доказал, что в таких ве-
ществах, как нитрогли-
коль, тротил и другие,
горение происходит в па-
рах над взрывчатым ве-
ществом. Если мы подож-
жем нитрогликоль, то над
его поверхностью обра-
зуется пламя, которое
своим теплом будет испа-
рять нитрогликоль, пары
последнего поступят в
зону пламени и там сгорят. Таким образом, между пламе-
нем и поверхностью жидкости имеется зона пара, в кото-
рой горючее (пары нитрогликоля) подогревается до нуж-
ной температуры. Это может быть наглядно показано в
опыте горения жидкого нитрогликоля при пониженном
давлении. В таком опыте отчетливо видна темная зона
между поверхностью жидкости и краем светящейся зоны
пламени.
Скорость химической реакции разложения нитрогликоля
в газовой фазе определяет то количество тепла, которое
выделяется при горении. Это тепло через слой пара пере-
дается жидкому нитрогликолю и нагревает его до темпе-
ратуры кипения. Разлагающийся выделением тепла нитро-
гликоль и создает зону пламени с температурой до 1350 гра-
дусов. На поверхности нитрогликоля температура со-
ставляет всего 200 градусов, то есть температуру его ки-
пения. Повышение давления, как известно, вызывает повы-
шение температуры кипения, а также повышение давления
паров. При повышении же давления паров, как указыва-
лось, скорость химической реакции увеличивается, увели-
чивается, следовательно, и скорость горения. Это и есть
причина увеличения скорости горения порохов и взрывча-
тых веществ при повышении давления. Одновременно зона
пара делается уже, пламя придвигается к поверхности
жидкого нитрогликоля, к нему подводится больше тепла,
и он быстро испаряется. Для количественного анализа
21
процесса горения паров нитрогликоля А. Ф. Беляев при-
менил теорию Зельдовича.
Выводы А. Ф. Беляева были подвергнуты эксперимен-
тальной проверке и полностью подтвердились.
Как горит порох? Порох представляет собой нитроклет-
чатку и поэтому не может испаряться подобно нитрогли-
колю. Однако под действием пламени молекулы пороха
разрушаются, превращаясь в газ. Последний состоит из
продуктов разложения молекул нитроклетчатки и горит
над поверхностью пороха. Таким образом, горение пороха
также в основном происходит в газовой среде, а не в твер-
дой массе.
Вернемся к вопросу о детонации и посмотрим несколько
подробней, что представляет собой это явление с физиче-
ской точки зрения.
Медленное распространение пламени в горючей среде
при детонации внезапно становится очень, быстрым. Так,
например, если взять трубу, открытую с одного конца, и
наполнить ее горючей газовой смесью, то при поджигании
искрой у закрытого конца этой трубы газ воспламеняется,
и пламя начинает постепенно распространяться. Сначала оно
движется медленно (со скоростью не более нескольких
метров в секунду), а затем при некоторых условиях ско-
рость движения пламени начинает быстро нарастать, и в
конце концов происходит детонация, при которой распро-
странение пламени' достигает скорости нескольких тысяч
метров в секунду. Такая скорость движения огня связана
с возникновением во фронте пламени в сгоревшей части
газа давления, примерно в двадцать раз превышающего
давление несгоревшей смеси. Это-то давление и толкает
горящий газ с исключительной скоростью и обусловливает
разрушительное действие детонации.
Естественно,. возникает вопрос-., откуда берется энер-
гия, приводящая в движение массу газа и создающая
большое давление? Поставщиком ее является химическая
реакция, выделяющая эту тепловую энергию. Если скорость
реакции незначительна, детонации не получится. Так, мож-
но предотвратить детонацию, если разбавить горючую смесь
инертными веществами, которые, естественно, замедляют
скорость реакции.
Не все смеси обладают свойством детонировать. Напри-
мер, окись углерода с воздухом вследствие малой скоро-
сти реакции этого газа с кислородом (к тому же разбав-
ленного инертным азотом) совсем не детонирует. Бывают
22
горят, но могут и детониро-
смеси, которые очень труд-
но привести от горения к
детонации (например смесь
воздуха с метаном). Но
если такие смеси подорвать
весьма энергичным взрывча-
тым веществом, например
азидом свинца, то благода-
ря создающейся при этом
мощной ударной волне де-
тонация все же возникнет.
Такие же явления проис-
ходят и с взрывчатыми ве-
ществами. Некоторые из них
вать. Если поджечь тетрил, он будет гореть медленно и
спокойно. Можно даже сказать, что он с трудом горит,
примерно так же, как горит кусочек пороха, хотя тет-
рил — мощное взрывчатое вещество. Но достаточно пу-
стить на тетрил ударную волну, чтобы сразу получилась
детонация. Если положить на тетрил таблетку азида
свинца и поджечь, то тем самым будет создана ударная
волна. Под ее действием тетрил ведет себя совершенно
иначе, чем при поджигании его (см. рисунок).
Вот, в частности, почему в капсюлях детонатора имеет-



»***w*
Дзид свинца 0,2 г j
-wr- V V Ч	  V V
Тетрил 0,4 г
«**%>4*
Сквозное отверстие
в свинцовках
пластинках
pu свинцовке пластинки

до взрыва

ПОСЛЕ ВЗРЬ 'ВР
I
гиитвин 1  * -ЧУ51Л————ц/
23
ся гремучая ртуть. Она-то и создает ту мощную ударную
волну, которая взрывает еще более флегматичные взрывча-
тые вещества, чем тетрил, такие, например, как тротил.
Для некоторых взрывчатых веществ характерно, что
если их ударить молотком, они детонируют. Йодистый
азот перышком троньте — он сдетонирует. Эта механиче-
ская чувствительность часто очень вредна при использова-
нии взрывчатых веществ. Интересно при этом отметить,
что достаточно уронить на пол всего одну капельку хлори-
стого азота, чтобы он сдетонировал. Кусочек же тротила
можно с силой бросать, и ничего не произойдет. Чтобы он
сдетонировал, надо с высоты 2 метров уронить на малень-
кую таблетку тротила не меньше чем пятикилограммовую
гирю. Это явление очень любопытно. В чем дело?
Взрывчатое вещество неоднородно. Энергия падающего
груза распределяется не по всему объему таблетки равно-
мерно, а концентрируется в тех наиболее слабых местах
ее. в которых раньше всего начинается разрушение. В ре-
зультате такого неравномерного распределения энергии,
сообщаемой таблетке при ударе, в отдельных точках про-
исходят столь сильные разогревы, что в результате полу-
чаются очаги воспламенения, из которых взрыв может
расппостраниться по всей таблетке.
Профессор Ю. Б. Харитон и старший научный сотруд-
ник А. Ф. Беляев проделали замечательный опыт. В оба
конца стеклянного цилиндра (около 40 сантиметров дли-
ной), 413 которого был удален воздух, они закладывали по не-
большой крупинке азида свинца и подрывали одну из них.
При этом практически одновременно взрывалась и вторая
крупинка азида свинца. Взрыв второй крупинки происходил
в результате удара мельчайших твердых осколков, выле-
тавших с очень большой скоростью (свыше 3 километров
в секунду) из взорвавшейся первой крупинки. Отмечу, что
вес таких осколков, вызывавших взрыв, едва достигал од-
ной стомиллионной миллиграмма.
Мы уже говорили о детонации в двигателях внутрен-
него сгорания. Познакомимся теперь с нормальной рабо-
той двигателя.
Мы видим поршни двигателя и кривошипный вал, кото-
рый вращается и двигает поршни. Когда поршень отодви-
гается вниз, клапан цилиндра открывается и в него заса-
сывается горючая смесь.* После того как клапан
закрывается и поршень снова возвращается в верхнее по-
ложение, давление в цилиндре повышается. В момент, ко-
24
гда поршень доходит по-
чти до самой верхней
точки, магнето дает иск-
ру, и в цилиндре происхо-
дит воспламенение газо-
вой смеси. Давление
вследствие этого быстро
растет, и поршень под его
влиянием быстро опус-
кается. Совершается ра-
бота. В это время давле-
ние в цилиндре падает.
Для того чтобы совер-
шился следующий цикл, цилиндр должен освободиться от
сгоревшей смеси. При возвратном движении поршня откры-
вается выходной клапан, через который и выталкиваются
продукты горения.
В нашем Институте (лаборатория профессора А. С. Со-
колика) имеются установки, которые позволяют вести на-
блюдения и фотографировать распространение пламени и
детонацию в цилиндрах моторов, а также брать пробы
еще не сгоревшего газа из головки двигателя непосред-
ственно перед фронтом пламени. Эта операция произво-
дится в десятитысячную долю секунды.
Наблюдения и анализы взятых из цилиндров смесей
показывают, что детонация происходит примерно так: при
горении смеси, сжатой в головке цилиндра, в нем раз-
вивается большое давление. Благодаря высокой темпера-
туре, сопровождающей процесс сжатия, химическая реак-
ция проходит весьма энергично. Как оказалось, она при-
водит к образованию впереди фронта пламени нестойких
соединений горючего с кислородом, так называемых пере-
кисей. Теперь нам известно, что наличие перекисей уско-
ряет реакцию горения, и в момент, когда концентрация пе-
рекисей достигает какого-то критического предела, несго-
ревший газ воспламеняется и вызывает детонацию. Для
борьбы с детонацией к горючей смеси (или к бензину) при-
мешиваются особые вещества, так называемые антидето-
наторы. Повидимому, они способствуют уменьшению кон-
центрации опасных перекисей и таким образом уменьшают
возможность появления детонации*. Научно механизм дей-
ствия антидетонаторов досконально еще не изучен, но на
практике они себя вполне оправдали. Здесь практи-
ка опередила науку. Антидетонаторы были найдены
25
I
еще до того, как начались научные исследования дето-
нации.
Для понимания процессов горения большое значение
имеют исследования турбулентности (вихревого движения
в газе) и тех последствий, которые она вызывает. Турбу-
лентность газа, беспорядочное его перемешивание, имеет
место почти при всяком процессе горения. Турбулентность
ведет к большому увеличению скор »сти сгорания газовой
смеси. При сильной турбулентности из пламени вырываются
языки, которые проникают в еще не загоревшийся газ.
охватывают его отдельные участки, вовлекают их в про-
цесс горения. Пламя бушует, скорость горения бешено ра-
стет, растет и сама турбулентность.
Интересные опыты поставил наш научный сотрудник
К. И. Щелкин. При этих опытах он весьма сильно ускорял
горение газов в трубе с шероховатой поверхностью. Изу-
чая явление турбулентности, К. И. Щелкин установил, что
именно они-то и является причиной колоссального ускоре-
ния горения. Шероховатость труб способствует усиленно!:
турбулентности. Вот почему газы, не детонирующие в тру-
бах с гладкими стенками, начинали вдруг детонировать, как
только' стенки становились шероховатыми.
К. • И. Щелкин в подтверждение этого проделал еще
ряд интересных опытов. В стеклянную трубку он вставлял
проволочную спираль, наполнял трубку смесью окиси угле-
рода с воздухом и поджигал е-е. . Спираль, способствуя
увеличению турбулентности, повышала скорость горения
23
До взрыва	После взрыв»
9
4
смеси в несколько сот раз (700 метров в секунд}). Стоило
вынуть спираль из трубки, как смесь начинала гореть спо-
койно, с относительно ничтожной скоростью, не превышав-
шей 1 метра в секунду.
Скорость распространения пламени в твердых взрывча-
тых веществах может в сильной степени зависеть и от на-
правленного движения продуктов сгорания, которые при
своем движении могут поджигать впереди лежащие массы
горючего вещества. Это наглядно можно показать на
опыте. Возьмем ниточку стопина (льняная нить, смоченная
в растворе селитры и обсыпанная пороховой пудрой), на **
воздухе она горит медленно, пламя продвигается по нитке
с ничтожной скоростью — всего 1 сантиметр в секунду.
Но стоит нитку поместить в стеклянную трубочку, как
пламя быстро побежит вперед. Его скорость в этих усло-
виях повысится в сто раз. Происходит это вследствие то-
го, что в трубке раскаленные газы получают определенное
направление, вдоль нитки, и в своем движении поджигают
впереди лежащие участки стопина.
Не менее наглядным является другой аналогичный опыт.
Девять кусочков знакомого нам азида свинца расположены
в один ряд (см. рисунок на этой странице). Между кусочка-
ми расстояние около сантиметра. Са 1и они диаметром око-
ло миллиметра. Если мы подожжем крайний кхсочек, пла-
мя, вырвавшись в разные стороны, подожжет соседний
кусочек, и почти мгновенно взорвутся остальные кусочки.
27	•


V"V*-
a) Iooshup прессованной. rf) ВзрЬ/ь не прессован-
гремучей ртчти	ной г рем у чей ртути


Газы, вырвавшиеся при взрыве кусочка, двигаются со ско-
ростью, близкой к скорости детонации, а иногда и быстрей
ее; Поэтому создается впечатление, будто бы у нас была
сплошная ниточка азида свинца.
В нашем Институте начинает возникать представление,
что во многих случаях детонация взрывчатых веществ
происходит не из-за детонационной волны, а в результате
поджигания впереди лежащих крупинок вещества раска-
ленными газами, появляющимися от сжигания предыдущих.
Во всяком случае, когда мы имеем дело с порошкообраз-
ными взрывчатыми смесями (например аммонал — смесь
аммиачной селитры с алюминием), дело, несомненно, про-
исходит таким образом.
Если действительно виновницей взрыва не всегда
является детонационная волна, а прорыв раскаленных га-
>зов, то возникает вопрос, каков же механизм этого явле-
ния. Оказывается, что проникновение раскаленных газов
возможно благодаря порам, которые имеются во взрывча-
тых веществах. Это'доказывается на практике. Если, на-
пример, аммонит (смесь тротила с аммиачной селитрой)
плотно спрессован, то он не будет взрываться: при спрес-
совании мы значительно уменьшим поры, и раскаленные
газы не смогут проникнуть внутрь вещества. Точно так же
не может взорваться и бездымный порох, хотя он по свое-
му составу чрезвычайно близок к детонирующим взрывча-
тым веществам (пироксилину, нитроглицерину). В промыш-
28	:
ленном роговидном порохе нет пор. Но этот же порох,
растертый в порошок, способен к детонации.
Даже такое чрезвычайно чувствительное вещество, как
гремучая ртуть, после сильной прессовки перестает дето-
нировать при поджигании на открытом воздухе.
Следует указать, что при малых диаметрах цилиндриче-
ских зарядов взрывчатые вещества неспособны детониро-
вать.
Надо отметить, что в некоторых взрывчатых веществах,
изготовленных в виде цилиндрических зарядов, детонация
происходит лишь в том случае, когда диаметр этих заря-
дов не меньше некоторого предельного значения (различ-
ного для различных веществ и смесей). Для боевых взрыв-
чатых веществ этот предел—несколько миллиметров.
Природа этого явления, как показал профессор Харитон,
заключается э том, что при слишком малых диаметрах за-
ряда разбрасывание реагирующего в детонационной волне
вещества под действием давления продуктов взрыва про-
исходит настолько быстро, что химическая реакция не
успевает завершиться, а детонация затухает. Чем больше
диаметр заряда, тем дольше протекает процесс разбрасыва-
ния, тем соответственно больше времени имеет в своем
распоряжении химическая реакция.
Согласно точке зрения профессора Харитона, многие ве-
щества, обладающие небольшим запасом химической энер-
гии и считающиеся совершенно безопасными, в действи-
тельности могут детонировать при достаточно больших
размерах заряда.
Повидимому, именно с этим обстоятельством связан
катастрофический взрыв, происшедший двадцать с неболь-
шим лет тому назад в немецком городе Оппау. Слежавшие-
ся от времени удобрения (смесь нитрата аммония с сульфа-
том аммония), лежавшие на складе в количестве до
5 000 тонн, решено было разрыхлить с помощью взрывов.
Смесь нитрата и сульфата аммония считалась совершенно
безопасной. Сам нитрат аммония является весьма трудно
детонирующим веществом, а в смеси с сульфатом аммония
тем более, и никто не допускал возможности взрыва. Пред-
варительное испытание, как и ожидалось, указало на пол-
ную безопасность смеси. Часть удобрения была благопо-
лучно разрыхлена, но при одном из подрывов произошла
грандиозная катастрофа. Удобрения неожиданно сдетониро-
вали. Большая часть города была разрушена взрывом. По-
следний произошел только из-за скопления в одном месте
29

I	y	- ’	111,	Ft m ib 1	<
огромных количеств химических 'удобрений. Говоря по-
просту, в малых зарядах, с которыми проводились испы-
тания, реакция не успевала развернуться, а в многотыся-
четонном массиве, когда был произведен взрыв достаточно
«удачно» расположенного заряда, реакция получила полную
возможность развернуться, и вся масса была вовлечена в
детонацию.
Как видите, процессы горения и взрыва имеют огромное
значение в науке и технике. Надеюсь, что моя лекция
возбудит у вас интерес к науке, вызовет желание еще
глубже познакомиться с исследованиями в мало изученной
области физики и химии горения.

ОГЛАВЛЕНИЕ
I.	Энергия горючих веществ.......................5
II.	Процессы горения и дето*: и...................8
III.	Механизм горения и детонации.................18
I
К ЧИТАТЕЛЯМ!
л
Издательство просит присылать отзы-
вы об этой книге и сообщить о возник-
ших при ее чтении вопросах по адресу:
Москва Малый Черкасский пер., д. 1,
Детгиз.
Для старшего возраста
Ответ, редактор В. Касименко. Технич. редактор Р. Кривцова.
Подописано к печати 22/VIII 1945 г. 2п печ. л. (1,7 уч.-изд. л.).
35 904 зн. в печ. л. Тираж 50 000 экз. А20652. Заказ № 596.
Цена 1 р. 50 к.
Фабрика детской книги Детгиза Наркомпроса РСФСР.
«Москва, Сущевский вал, 49.
УЮЧ
НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА
доиа детгкей книги
ДЕТГИЗА

ЦЕНА 1 р. 50 к.