Proch strzelniczy był pierwszym materiałem wybuchowym. Produkowany jest do
dziś, lecz wykorzystuje się go głównie do wystrzeliwania ogni sztucznych oraz do
napełniania ślepej amunicji. Dawniej wykorzystywany był także do wyrzucania
pocisków z broni palnej, jednak miał kilka poważnych wad. Eksplodujący proch
wydzielał znaczną ilość gęstego dymu. Oprócz tego, że zdradzał on przeciwnikowi
pozycję strzelca, to często ograniczał widoczność do tego stopnia, że dalsze
strzelanie było niemożliwe. Proch pozostawiał w lufie osady, przez co broń
należało bardzo często czyścić.
Proch czarny składa się ze zmielonych na pył składników: siarki, węgla drzewnego
i azotanu(V) potasu (saletry potasowej, KNO3).
10 KNO
3
+ 3 S + 8 C → 2 K
2
CO
3
+ 3 K
2
SO
4
+ 6 CO
2
↑ + 5 N
2
↑
Produkty spalania nie mogą być odwzorowane przez żaden prosty
wzór. Optymalne proporcje prochu to: 74,64% saletry, 13,51% węgla drzewnego i
11,85% siarki (wagowo). Obecnie w pirotechnice stosuje się 75% azotanu potasu,
15% węgla drzewnego z lekkiego drzewa i 10% siarki.
Militarne zastosowanie czarnego prochu skończyło się po wynalezieniu
bezdymnych prochów bazujących na nitrocelulozie.
Jednym z najdonioślejszych wydarzeń w historii rozwoju materiałów
wybuchowych było wynalezienie w 1845 roku przez Niemca Christiana
Schonbeina bawełny strzelniczej, będącej odmianą nitrocelulozy. Bawełnę
strzelniczą wytwarzano działając na włókna naturalnej bawełny (będącej w istocie
celulozą) stężonymi kwasami siarkowym i azotowym. Dziś jeszcze lepszą
nitrocelulozę uzyskuje się działając tymi kwasami na papier lub wióry drewniane.
Fragment łańcucha nitrocelulozy
W rok po wytworzeniu bawełny strzelniczej profesor chemii z Turynu Ascanio
Sobrero wyprodukował jako pierwszy nitroglicerynę. Uzyskał ją w procesie
powolnego wkraplania gliceryny do mieszaniny stężonych kwasów: siarkowego
oraz azotowego. Nitrogliceryna była materiałem wybuchowym o potężnej sile
rażenia, równocześnie bardzo niebezpiecznym podczas transportu. Eksplozja tej
cieczy może zostać wywołana nawet przez najmniejszy wstrząs.
Nitrogliceryna
Alfred Nobel
Rozwiązanie problemu czułości nitrogliceryny znalazł szwedzki chemik Alfred
Nobel. W 1867 roku stwierdził on, że mieszając nitroglicerynę z pewnym rodzajem
glinki, zwanym ziemią okrzemkową, można uzyskać substancję wybuchową
stosunkowo bezpieczną i niewrażliwą na niezbyt ostrożne traktowanie. Substancja
ta miała ciastowatą konsystencję o można ją było rolować w laski. Nobel nazwał ją
dynamitem. Siła eksplozji była mniejsza niż gliceryny, jednak, aby spowodować
wybuch, trzeba było uderzyć w materiał bardzo mocno.
Współcześnie w dynamicie nitroglicerynę zastąpiła saletra amonowa. Natomiast
zamiast ziemi okrzemkowej wykorzystuje się mieszankę pulpy drzewnej i azotanu
sodowego, co ułatwia transport.
Innym materiałem wybuchowym jest kwas pikrynowy (trójnitrofenol, oznaczany
także niekiedy skrótem TNP), wynaleziony w 1771 roku przez chemika o nazwisku
Woulfe. Ma on siłę wybuchu porównywalną z nitrogliceryną, jednak jest od niej
znacznie mniej czuły, przez co bezpieczniejszy. Jego czułość jest tak niewielka, że
dopiero po 100 latach od wynalezienia opracowano niezawodną metodę
zdetonowania go. Jednak już w roku 1888 kwas pikrynowy zastąpił proch
strzelniczy w łuskach artyleryjskich. Trójnitrofenol nie jest już dziś używany jako
materiał wybuchowy, jednak służy za wzorzec do oceniania siły innych materiałów
wybuchowych.
kwas pikrynowy
Siła rażenia
Właściwości wybuchowe pewnych materiałów biorą się stąd, że podczas ich
gwałtownego spalania wydzielają znaczne ilości energii. Proces ten musi być
zapoczątkowany przez dostarczenie pewnej, stosunkowo niewielkiej porcji energii.
W efekcie otrzymujemy znacznie więcej energii, której wydzieleniu towarzyszy
błysk, huk i gwałtowne wydzielenie się znacznej ilości gazów. Jedną z wielkości,
która określa efektywność materiału, jest siła rażenia. Jest ona określona właśnie
przez ilość gazu wydzielonego przed jednostkę masy materiału wybuchowego.
Ilość tę porównuje się z ilością gazów powstałych przy detonacji jednostki masy
wzorca - kwasu pikrynowego, którego siłę rażenia określa się liczbą 100.
Inną wielkością określającą siłę rażenia jest prędkość spalania. Jeżeli reakcja
spalania rozprzestrzenia się w materiale z prędkością do 400 km/h to jest ok
klasyfikowany jako materiał wybuchowy miotający. Prędkość spalania rośnie wraz
ze wzrostem ciśnienia, dlatego najlepsze efekty uzyskuje się zamykając taki
materiał w pojemniku o niewielkiej objętości. Jednym z materiałów tego typu jest
właśnie czarny proch. Charakteryzują się one tym, że rozrzucają obiekty, nie
rozrywając ich, dlatego są używane do miotania pocisków, a niekiedy także do
napędzania rakiet.
W pewnych warunkach materiały tego rodzaju mogą spalać się gwałtownie
(nazywa się to deflagracją), w efekcie czego uzyskujemy prawdziwą eksplozję.
Materiały wybuchowe kruszące spalają się jeszcze szybciej podczas reakcji, którą
określa się fachowym mianem detonacji.
Fala uderzeniowa
Gdy detonuje się materiał wybuchowy kruszący, wytwarzana jest fala uderzeniowa
rozchodząca się poprzez materiał z prędkościami od 7000 do ponad 30000 km/h.
Przejście fali powoduje detonację kolejnych części materiału, dzięki czemu całość
materiału wybucha prawie jednocześnie. Stąd falę uderzeniową zwie się także falą
detonacyjną. Fala uderzeniowa może wytworzyć ciśnienie rzędu 100 ton na cm2,
które niszczy wszystko, co napotka ona na swojej drodze. Materiały kruszące
używane są w bombach, minach, przy pracach wyburzeniowych i innych.
Bezpieczeństwo danego materiału jest określane przez współczynnik czułości na
detonację. Ta wielkość zależy od tego, jaka część materiału eksploduje wskutek
uderzenia, oraz od tego jakiej siły należy użyć, aby eksplozję wywołać. Podobnie
jak przy określaniu siły rażenia jako wzorzec służy kwas pikrynowy, którego
czułość określana jest na 100. Materiały o współczynniku czułości niższym od 100
wybuchają łatwiej, są czulsze i przez to mniej bezpieczne.
Chemia materiałów wybuchowych
Pomimo, że spalanie zachodzi w procesach deflagracji bądź detonacji, zależnie od
rodzaju materiału wybuchowego, to procesy chemiczne zachodzące podczas
spalania są w swej istocie zawsze takie same. Gwałtowne spalanie przekształcające
się w eksplozję wymaga większej ilości tlenu, niż może dopłynąć z atmosfery.
Dlatego w skład materiałów wybuchowych wchodzą związki bogate w tlen, np.
azotany.
W materiałach wybuchowych używane są różnorakie związki azotu. Przyczyną
tego jest ich względna chemiczna niestabilność, powodująca że świetnie nadają się
do procesów przebiegających bardzo szybko, na przykład eksplozji. Wraz z
rozprzestrzenianiem się reakcji spalania na całą objętość materiału wybuchowego
następuje rozpad jego dużych molekuł na mniejsze cząsteczki gazów, czemu
towarzyszy uwalnianie energii. Gazy te z początku są zamknięte w niewielkiej
objętości, tak więc wzrost temperatury powoduje gwałtowny wzrost ciśnienia
gazów.
Fala podmuchowa
Podczas rozprężania się w powietrzu gazów powstałych w wyniku eksplozji
materiału miotającego zachodzi nagły, skokowy wzrost ciśnienia. To zaburzenie
rozchodzi się z prędkością około 335 m/s, czyli zbliżona do prędkości dźwięki.
Eksplozji materiału kruszącego towarzyszy natomiast tak nagły wzrost ciśnienia, że
powstały impuls sprężonego gazu tworzy falę uderzeniową, zwaną także falą
podmuchową, która rozchodzi się z prędkością ponaddźwiękową.
Właśnie fala podmuchowa uderzając w dany obiekt dokonuje największych
zniszczeń. Fala oddziałuje na obiekt zaledwie kilka milisekund, lecz to wystarczy.
Za falą podmuchową podąża obszar znacznie obniżonego ciśnienia, który może
powodować dalsze zniszczenia. Obiekty nadwyrężone falą podmuchową są
kompletnie dewastowane nagłym spadkiem ciśnienia. Ten efekt wtórny jest zwykle
słabszy od przejścia samej fali, lecz za to obiekt znajduje się w zasięgu niskiego
ciśnienia znacznie dłużej. Bywa, że w budynkach oddalonych nieco od miejsca
upadku bomby szyby są wysysane, a nie wydmuchiwane z ram.
Gdy fala podmuchowa uderza w obiekt, to ciśnienie wzrasta. W przypadku fali
poruszającej się z prędkością dźwięku wzrost ten jest mniej więcej dwukrotny.
Jednak ciśnienie wytwarzane przez falę powstałą w wyniku eksplozji materiału
kruszącego jest wielokrotnie wyższe od normalnego. Różne budynki w różny
sposób znoszą przejście fali podmuchowej. Zniszczenia zależą od konstrukcji,
użytych materiałów budowlanych oraz od czasu działania podwyższonego
ciśnienia. Niektóre masywne lub giętkie konstrukcje mogą ugiąć się pod
działaniem fali, po czym powrócić do poprzedniej formy, nie doznając przy tym
poważnych zniszczeń.
Materiały kruszące
Kruszące materiały wybuchowe są używane do napełniania pocisków, granatów
oraz bomb konwencjonalnych. Podczas obu wojen światowych najczęściej
używanym materiałem wybuchowym był trójnitrotoluen. Innym materiałem
wybuchowym jest czteroazotan pentaerytrylu (PETN). Charakteryzuje się
współczynnikiem siły rażenia 166, detonuje z prędkością nieco ponad 29000 km/h i
ma współczynnik czułości 40 (czyli jest bardzo czuły, dlatego używa się go
w
spłonkach
naboi).
PETN
Następnym bardzo silnym materiałem wybuchowym jest RDX, czyli heksogen lub
cyklonit. Posiada on rażenie 167 i ma jedną z najwyższych prędkości detonacji,
która wynosi 30200 km/h. Cyklonit jest przy tym średnio czuły - jego
współczynnik czułości wynosi 55.
RDX
Tetryl jest substancją wymagającą szczególnej ostrożności podczas przygotowania
do użycia, gdyż ten silny środek wybuchowy jest trujący. Jego współczynnik siły
rażenia wynosi 120, a szybkość spalania detonacyjnego - 26000 km/h, a czułość -
70. Taka czułość czyni tetryl idealnym środkiem na ładunek pośredni, przekazując
falę detonacji z detonatora (zapalnika) na główny ładunek burzący, który jest mniej
czuły.
Tetryl
Detonatory
Jedną z najbardziej charakterystyczną cechą współczesnych materiałów
wybuchowych jest ich niska czułość, dzięki czemu praktycznie niemożliwe jest
przypadkowe spowodowanie eksplozji. Zwykle materiały wybuchowe nie
eksplodują pod wpływem ciepła, uderzenia, tarcia, czy nawet otwartego płomienia.
Aby spowodować wybuch takich substancji, należy użyć detonatora. Detonatory
dzielimy na zapalające (wytwarzające dużą ilość ciepła) oraz pobudzające
(wytwarzające falę uderzeniową), zależnie od tego w jaki sposób detonowany jest
ładunek główny.
Środki wybuchowe używane w detonatorach to piorunian rtęciowy, azydek
ołowiawy, acetylenki miedzi oraz srebra, siarczek azotu, złoto piorunujące, chlorek
azotu, tetracen oraz mieszaniny chlorków z czerwonym fosforem lub siarką. Aby
detonacji uległa część głównego ładunku wybuchowego, dając maksymalną siłę
niszczenia, pomiędzy detonatorem, a ładunkiem głównym umieszcza się silny, lecz
o średniej czułości materiał wybuchowy, którego zadaniem jest zwiększenie siły i
przyśpieszenie rozchodzenia się fali uderzeniowej, detonującej ładunek główny.
Nazywany jest on ładunkiem pośrednim.
Detonatory
Jak to działa
Bomba lub pocisk może zawierać kilka rodzajów materiałów wybuchowych
eksplodujących w określonej kolejności. Detonatorem jest materiał o czułości
poniżej 20. Ma on stosunkowo małą masę: jego wybuch detonuje ładunek pośredni,
który dopiero powoduje eksplozję całości. Na przykład zapalnik z piorunianem
rtęci (czułość 8) może detonować ładunek tetrylowy (czułość 70), a ten z kolei
powoduje eksplozję trotylu o czułości 110, stanowiącego główny ładunek pocisku.
Detonator można pobudzać do wybuchu na wiele sposobów. W zapalniku
elektrycznym, na przykład, prąd przepływa przez cienki drucik, rozgrzewając go do
czerwoności. Zapalniki tego rodzaju można stosować w tych sytuacjach, gdzie
istnieje możliwość podłączenia źródła zasilania, na przykład akumulatora.
Niektóre bomby mają zapalniki uruchamiane przez umieszczoną z przodu iglicę.
Gdy bomba styka się z podłożem, iglica uderza w spłonkę. Eksplozja materiału
detonującego w spłonce zapoczątkowuje wybuch bomby.
Naboje do broni palnej są również wyposażone w spłonki. Po naciśnięciu spustu
zwalniana jest sprężyna, która popycha iglicę. Uderzona spłonka eksploduje,
powodując wybuch umieszczonego w łusce właściwego ładunku miotającego.
