книги / Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 1 Химия

Годы	Франция	Англия	Германия	США	Россия
Всего за время войны	320	430	350	400	32,4
					1918 г. — данных
					нет

Модернизация пороховых заводов в СССР после граждан­ ской войны началась практически только в начале 30-х годов. Пять казенных пороховых заводов (Казанский, Тамбовский, Охтинский, Владимирский, Шостенский) работали на хлопко­ вой целлюлозе — линте, поступавшем с хлопкоочистительных заводов Средней Азии и Закавказья. Его качество вследствие недостаточной зрелости было низкое. Кроме того, несмотря на быстрое расширение посевных площадей под хлопком, линта не хватало.

Принятые меры позволили повысить объем производства линта на 35%, а к началу Великой Отечественной войны уве­ личить в 2,6 раза (37 тысяч тонн вместо 14 тысяч тонн в 1930 г.). Однако хлопковой целлюлозы не хватало. Сырьевая проблема в пороховой промышленности превратилась в стра­ тегическую. Еще со времен первой мировой войны практиче­ ски во всех ведущих странах проводились исследования по созданию технологии получения древесной целлюлозы, при­ годной для использования ее нитратов в пороховой промыш­ ленности. Особенно активно эти работы проводились в Герма­ нии, отрезанной от сырьевых рынков хлопковой целлюлозы. Во Франции и США уже во время первой мировой войны применяли смесь древесной и хлопковой целлюлоз. Германия же вынуждена была в больших количествах использовать дре­ весную целлюлозу.

В России опыты с различными видами целлюлоз для про­ изводства пироксилинов были начаты в конце XIX века. Од­ нако вследствие рыхлой структуры и большого количества примесей, в первую очередь лигнина, эти целлюлозы не полу­ чили широкого применения.

С начала 30-х годов работы по древесной целлюлозе были продолжены на заводе им. А. А. Косякова И. М. Найманом. Разработанный им способ получения древесной целлюлозы ЦН, получившей впоследствии индексы ЦА и ВЦА, и необхо­ димое оборудование позволили увеличить производительность пироксилиновых заводов на 30% и снизить расход нитрующих кислот. Было построено несколько заводов по производству этой целлюлозы, в том числе пять заводов в системе ГУЛАГ.

Дальнейшее усовершенствование технологии проводилось А. П. 'Закощиковым в направлении увеличения содержания альфа-целлюлозы в сульфатной целлюлозе с 85...87 до 94,5%.

К 1940 году была успешно решена проблема создания дре­ весной целлюлозы, близкой по своим свойствам к хлопковой целлюлозе. К началу войны пороховые заводы освоили разра­ ботанную ВХНИИ технологию переработки облагороженной древесной целлюлозы ВЦА в нитраты целлюлозы.

Таким образом, создание промышленного производства нитратов целлюлозы необходимого объема решало сырьевую проблему пироксилиновых порохов и в значительной мере — баллиститных (двухосновных).

С организацией производства последних было гораздо сложнее. В отличие от нитрата целлюлозы, работа по которо­ му с момента его изобретения Браконо была развернута во многих странах и успешно привела к созданию промышленно­ го производства пироксилиновых (одноосновных) порохов, нитрат глицерина (нитроглицерин) был опасен в производстве и применении и практически на десятки лет как ВВ был пре­

дан забвению.	Нитроглицерин применялся как лекарство
в разбавленных	спиртовых растворах.

Первые попытки получения и хранения НГЦ в сравни­ тельно больших количествах (около 10 кг) привели к несчаст­ ным случаям с человеческими жертвами.

В России работы с НГЦ, проводившиеся в 50-х годах XIX века академиком Зининым Н. Н. совместно с военным инже­ нером Петрушевским В. Ф. [20] по снаряжению жидким НГЦ гранат, также завершились неудовлетворительными результата­ ми и были прекращены.

Как отмечалось выше, исключительная заслуга в становле­ нии нитрата глицерина как мощного ВВ и как компонента баллиститных порохов принадлежала Нобелю. Им был разра­ ботан периодический процесс производства НГЦ (1862 г., спо­ соб Нобеля), который он использовал при производстве дина­ митов.

В 1901... 1905 гг. были разработаны способы Натана, Томсо­ на. В обоих способах — процессы периодические. Нитрация проводится в свинцовом (на ранней стадии) или нержавею­ щем баке — нитраторе путем медленной подачи отдозированного глицерина в перемешиваемую воздухом или механически нитросмесь (азотная и серная кислоты). Постоянное охлажде­ ние осуществляется водой или рассолом, прокачиваемым по

12

змеевику в нитраторе. После нитрации — гравитационная се­ парация и затем промывка (стабилизация) НГЦ водой и содо­ вым раствором в специальных баках. Оба метода отличаются только количеством аппаратов на различных стадиях процесса.

В первой половине XX века и за рубежом, и в России бы­ ли разработаны непрерывные способы производства НГЦ, ко­ торые, собственно, и стимулировали работы по созданию баллиститных порохов.

Конечно, основным фактором развертывания параллельных работ по созданию промышленности баллиститных порохов были существенные недостатки пироксилиновых порохов, главными из которых являлись:

—нестабильность баллистических характеристик вследст­ вие изменения в них при хранении содержания летучих;

—большая длительность производственного цикла (6... 10 суток для мелких марок и до месяца и более для толстосвод­ ных трубчатых порохов);

—невозможность изготовления крупногабаритных толсто­ сводных изделий.

В 20-х годах прорабатывались взамен пироксилиновых два типа порохов:

—пироксилино-тротиловый порох (ПТП), предложенный

в1924 г. в качестве ракетного топлива энтузиастом ракетной техники В. А. Артемьевым для разрабатываемых им совместно

сН. И. Тихомировым 76-мм боевых ракет;

—баллиститный порох, который разрабатывался с 1926 г. группой талантливых инженеров под руководством А. С. Ба­

каева в НИКЛ Охтинского завода.	В	группу входили
А. А. Шмидт, В. В. Хожев, Н. Л. Рашкович, с			1928 г. группа
пополняется молодыми специалистами	Б.	П,	Фоминым,
И. Г. Лопуком, Г. Л. Абом и др.

Пироксилино-тротиловый порох (76,5% пироксилина + 23% тротила + 0,5% централита) имел длительный технологи­ ческий цикл изготовления с низкой производительностью. Из­ готовление шашек из этого пороха диаметром 75 мм было ор­

ганизовано	в' 1928 г. в мастерской завода «Краснознаменец»,
и 3 марта	1928 г. осуществлен первый в мире пуск ракетной

мины на расстояние 1300 метров. Пуском этой ракеты ознаме­ новалось начало в СССР эры ракетного боевого оружия. Дальнейшие работы по усовершенствованию конструкций ра­ кетных двигателей проводились в газодинамической лаборато­ рии (ГДЛ), а затем в Реактивном научно-исследовательском

институте (РНИИ). К 1934 г. 82-мм и 132-мм реактивные сна­ ряды на основе шашек из ПТП были практически полностью отработаны, и готовилось их массовое промышленное произ­ водство. На нескольких заводах было налажено производство корпусов РС, однако с изготовлением зарядов из ПТП дело осложнилось. Изготовление шашек пытались организовать на Шлиссельбургском пороховом заводе им. Н. А. Морозова. Од­ нако метод глухого прессования непригоден для изготовления большого количества зарядов, а наладить изготовление зарядов методом проходного прессования не удалось. Поэтому работы были переключены на баллиститный порох марки НГВ (в дальнейшем Н), разработанный в ВХНИИ под руково­ дством А. С. Бакаева и В. В. Хожева.

Участник этих работ бывший научный сотрудник ВХНИИ В. С. Дерновой вспоминал впоследствии: «... Еще в 1934 г., когда ясно обозначилась бесперспективность применения в реактивных снарядах зарядов из пироксилино-тротилового пороха (ПТП), для их замены была начата отработка анало­ гичных по конструкции зарядов из нитроглицеринового поро­ ха Н. Толчком для этого послужило посещение лаборатории нитроглицериновых порохов ВХНИИ группой представителей РНИИ, которые обратились с просьбой порекомендовать для замены в реактивных снарядах пороха ПТП какой-либо дру­ гой конкретный порох, который был бы не только пригоден для этих целей, но и мог бы сейчас или в самом ближайшем времени изготавливаться промышленностью в больших коли­ чествах. Рекомендация сотрудников ВХНИИ применить для этой цели порох Н была принята с большим удовлетворением, и по их инициативе под конец беседы легко договорились о совместном проведении работ. В качестве постоянного пред­ ставителя ВХНИИ для участия в этих работах начальник ла­ боратории Б. П. Фомин выделил меня. С тех пор весь предво­ енный период я был занят этой работой» [21].

Работы с пироксилино-тротиловым порохом после этого были прекращены. Сотрудники ВХНИИ, РНИИ и завода им. Н. А. Морозова провели большую работу по доработке технологического процесса и получению шашек необходимых размеров и качества из пороха Н для снаряжения реактивных снарядов.

Порох Н имел химический состав: 57% коллоксилина, 28% нитроглицерина, 11% динитротолуола, 3% централита (стаби-

14

лизатор химической стойкости) и 1% вазелина (технологиче­ ская добавка) [22].

Его	рецептурно-технологическая отработка проводилась
в конце	1928 г. на опытной установке завода № 6 им.

Н. А. Морозова под руководством А. С. Бакаева при активном участии технического директора завода А. Д. Артющенко.

На основании положительных результатов опытной заво­ дской отработки на заводе был построен и пущен в эксплуа­ тацию первый в стране опытный цех по производству баллиститных порохов.

Первое валовое производство баллиститных порохов было создано на заводе № 59 им. Петровского (бывший Штеровский завод взрывчатых веществ), имевшего производство НГЦ и выпускавшего динамиты для угольной и горнорудной про­ мышленности. Планируемая на 1937 год мощность —■до 7 ты­ сяч тонн в год [22]. Построенный на заводе цех имел четыре мастерских: производства НГЦ, пороховой массы, переработ­ ки, концевых операций. Коллоксилин завозился с других за­

водов,		в частности, с завода им. Морозова.
	В	1936...37 гг. завод начал изготовление			пороха Н для	мор­
ской артиллерии калибров 100, 102, 120,					130. 152, 180,	305,
356	мм (габариты		Ом = 6,5...20 мм, с!к	=	2,2...7,5 мм).
	В	1937 г. завод	начал производство	минометного пороха
НБ	для 50, 82, 107 и 120 мм минометов.
	В этом же году завод начал производство ракетных зарядов

из пороха Н для гвардейских минометов, получивших назва­

ние	«Катюша».
Практически		параллельно	(с 1930 г.) началось строительст­
во завода № 98 им. Кирова			(г. Пермь).
В	1934...39 гг.	пущены в эксплуатацию цеха аммонитов,
дымных порохов,		бикфордова шнура.

Проектирование производства баллиститных порохов на этом заводе началось после того, как было основательно ос­ воено производство трубчатых баллиститных порохов на заво­ де им. Петровского. Было предусмотрено создание мощностей

объемами 14 тысяч	тонн баллиститных порохов к	1.01.1938 г.
и 21 тысяча тонн к	1.01.1939 г. Однако все работы	и на заводе

№ 59 и № 98 были приостановлены вследствие обнаруженной при сравнительных стрельбах резко уменьшенной живучести стволов арторудий (~ в 3 раза) при стрельбе зарядами из бал­ листитных порохов. Начатое в 1939 году на заводе № 98 строительство комплекса цехов баллиститных порохов к нача-

лу Великой Отечественной войны не было	завершено.
В 1941г. пустили первую очередь производства,	в 1942 г. —
вторую очередь.

Надо отметить, что еще в начале XX века в ведущих стра­ нах (Англия, Франция, Германия) в погоне за мощностью порохов для морской артиллерии начали применять баллиститные пороха, содержащие НЦ, НГЦ и несколько процентов стабилизатора химической стойкости. Такие пороха отличались большой мощностью и высокой температурой горения. Это приводило к резкому повышению разгарного эффекта, что скомпрометировало баллиститы в глазах артиллеристов. По этим причинам развитие и производство нитроглицериновых порохов было прекращено и возобновлено только после пер­ вой мировой войны с момента изобретения, так называемых «холодных» порохов.

В этот период необходимая потребность в бездымных порохах удовлетворялась порохами: пироксилиновыми (Россия, Франция), кордитными (Англия), пироколлодийными (США). В России утвержденный план наращивания мощностей поро­ ховой промышленности предусматривал из создаваемой общей мощности 292 тысячи тонн в 1939 г. только 28 тысяч тонн баллиститных порохов.

Тем не менее, работы по созданию «холодных» баллистит­ ных порохов продолжались, особенно с появлением ракетного оружия.

В 1939 г. исследованиями по созданию «холодных» балли­ ститных порохов (БП) в НИИ-6 занимался Б. П. Жуков, ко­ торый предложил заменить в разработанном А. С. Бакаевым, В. В. Хожевым, И. Г. Лопуком порохе НЦ-10 (НЦ — 59%, НГЦ — 30%, централит — 10%, вазелин — 1%) централит на дибутилфталат. Порох, получивший индекс НФ, имел хорошие технологические и баллистические характеристики и был при­ нят на вооружение и в валовое производство. Дибутилфталатные баллиститные пороха успешно применялись в течение ВОВ для наземной и морской артиллерии.

Целую гамму «холодных» баллиститных порохов в предво­ енные годы отработала группа специалистов ОТБ НКВД, воз­ главляемая М. И. Левичеком.

Разработанные под руководством А. С. Бакаева «холодные» пороха типа НДТ (НДТ-1 ...НДТ-6) и ДГ (ДГ-1...ДГ-4) были приняты на вооружение и применялись в крупнокалиберной зенитной артиллерии.

Начало военных действий заставило резко ускорить строи­ тельно-монтажные работы на заводе № 98 (г. Пермь). Этому способствовало прибытие на завод квалифицированных кадров и оборудования, эвакуированных с заводов № 6 (им. Морозо­ ва, Ленинградская обл.), 52 (г. Ульяновск), 59 (им. Петровско­

го, Ворошиловградская	обл.), 101 (г. Каменск).
В этот же период форсировались работы по созданию не­
прерывной технологии.	Основные элементы этой техноло­

гии — шнековые пресса — разрабатывались репрессированны­ ми специалистами НКВД А. С. Бакаевым, А. Э, Спориусом, Б. И. Пашковым, Ф. М. Хритининым, работавшими в ОБ на заводе № 59, которое в начале войны было эвакуировано на завод № 98.

После отработки модельного шнек-пресса в мае 1942 года было принято решение о строительстве на заводе № 98 объек­ та № 347-6 мощностью 16 тонн в сутки с использованием шнеков ШС-1 (отжимной), Ш-3 (гомогенизатор), Ш-4 (фор­ мующий). В мае 1943 года объект № 347-6 был построен

исдан в эксплуатацию.

Виюле 1943 года опытные работы на заводе № 98 были прекращены, а ОБ переведено на завод № 512. Организован­ ное новое ОБ-512 возглавил досрочно освобожденный из за­ ключения А. С. Бакаев. В составе ОБ работали: Б. И. Паш­ ков, С. А. Ильюшенко, Ф. М. Хритинин, В. И. Гладков и др.

Перед ОБ-512, реорганизованном затем в опытно-исследо­ вательский завод №512 (август 1944 г.), ставилась задача соз­ дания непрерывной технологии баллиститных порохов и вне­

дрения ее на заводах Наркомата боеприпасов.

В 1947...48 гг. были, в основном, завершены эксперимен­ тальные работы, которые позволили совместно с ГСП И разра­ ботать проект первого в мировой практике непрерывного ав­ томатизированного производства баллиститного пороха. В 1952 г. была пущена в эксплуатацию на комбинате 101 (г. Каменск) первая очередь непрерывного производства.

В 50...60 гг. на различных заводах одновременно с работами по наращиванию мобилизационных мощностей, проводимыми в соответствии с Постановлением ЦК КПСС и Совмина

СССР, разрабатывались новые технологии в производствах по­ роховой массы и ее переработке, о которых более детально дается информация в разделе «Технология».

ЧАСТЬ I

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ СОСТАВОВ

Глава 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА П И ТРТ. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ И НАЗНАЧЕНИЮ

$,) Общая характеристика П и ТРТ

Характеристику П и ТРТ целесообразно начать с определе­ ния их существенных признаков, выделяющих, во-первых, их из ряда других веществ и, во-вторых, обосновывающих требо­ вания к ним и направления их совершенствования.

Что такое порох? ТРТ? Чем определяется качество того и другого с точки зрения способности их в наилучшей степе­ ни выполнять свое предназначение? Очевидно, прежде всего они являются источниками энергии для движения пули, сна­ ряда, ракеты. Причем, энергии в виде горячих газов, запол­ няющих при горении П и ТРТ ограниченный объем и совер­ шающих при расширении (в канале ствола артиллерийского орудия, ракетном двигателе и т. д.) заданную работу. При этом необходимо учитывать специфику совершения работы порохо­ выми газами. Во-первых, они должны в рабочий объем посту­ пать не мгновенно, а с определенной для данного вида ору­ жия скоростью. Поэтому режим детонации или даже конвек­ тивного горения в классических типах артиллерийских и ракетных двигателях исключается. Нельзя в качестве П и ТРТ использовать рыхлую нитроцеллюлозу или пористые за­ ряды, работающие в режиме взрывного горения. Количество газов и скорость их подачи в объем должны быть достаточны для совершения требуемой работы. Учитывая вид совершаемой работы (выброс снаряда, мины или движения ракеты), этому условию в наибольшей степени удовлетворяют порох и ТРТ в режиме горения, управляемого в соответствии с требуемой скоростью подачи продуктов сгорания в рабочий объем (каме­ ру сгорания).

Попутно следует заметить, что данную работу в наилучшей степени совершают газы (продукты сгорания) именно в горя­ чем состоянии. Охлажденные газы (в нормальном состоянии) вследствие уменьшения — в 10 раз объема и, следовательно, давления не обладают требуемой энергией.

Таким образом, П и ТРТ в конденсированном состоянии являются своего рода «сосудом для хранения газов как рабоче­ го тела», обеспечивающим в нужное время их истечение в до­ зированном виде и с требуемой скоростью. Это в свою оче­ редь предъявляет ряд требований к процессу горения, основ­ ными из которых являются следующие:

—процесс горения должен осуществляться без кислорода воздуха, т. е. П и ТРТ должны включать и горючее и окисли­ тель;

—для обеспечения стабильности процесса горения П и ТРТ должны быть плотными (без пор) и гореть параллельны­ ми слоями (за исключением специальных пористых порохов);

— интервал регулирования скорости горения П и ТРТ

взависимости от назначения должен быть достаточно широк;

—зависимость скорости горения от давления и температу­ ры должна быть минимальной;

—горение не должно переходить в детонацию.

Более детально механизм горения и внутрибаллистические

характеристики	различных П и ТРТ будут рассмотрены ниже
в соответствующих разделах.
Здесь же, давая общие понятия о данном классе высоко­
энергетических	конденсированных систем, следует назвать

и другие существенные особенности П и ТРТ, обеспечиваю­ щие их нормальную работоспособность. Каждое из этих свойств потому и относится к существенным, что отсутствие любого из них исключает существование данного состава как такового.

Приведем для примера факт изобретения бездымного по­ роха на основе нитроцеллюлозы. Нитрат целлюлозы, получен­ ный, как отмечалось выше, в начале XIX века, отвечал основ­ ному требованию, предъявляемому к порохам, — великолепно горел и был существенно мощнее дымного пороха. Однако рыхлая структура, несмотря на применяемые попытки уплот­ нения, приводила к взрывному горению и исключала возмож­ ность использования его в качестве пороха. Поэтому нитро­ целлюлоза применялась только в качестве взрывчатого вещест­ ва. Потребовалось более полувека целенаправленных

исследований выдающихся ученых-химиков (П. М. Вьель, Ф. Абель, А. Нобель, Д. И. Менделеев и др.), чтобы из нитра­ тов целлюлозы за счет пластификации, уплотнения и формо­ вания в «термосиловом»1 поле получить элементы, годные для использования в качестве ружейного и артиллерийского порохов. В конце XIX века во всех ведущих странах осуществля­

лась как	национальная программа разработка технологии
и создание	промышленности бездымных порохов.

Потребовались неимоверные усилия громадных коллекти­ вов ученых и инженеров, чтобы решить, казалось бы, простую задачу — уплотнить нитрат целлюлозы за счет ослабления

межмакромолекулярных	связей полимера	(НЦ),	разрыва их
в «термосиловом» поле	и формирования	новой	структуры

с рекомбинацией межмолекулярных связей. Решение этой за­ дачи явилось революцией в пороходелии.

Из существенных свойств, уступающих по приоритетности горению, тем не менее являются весьма важными, особенно для напряженных ракетных двигателей, физико-механические и, в первую очередь, прочность и деформация. Следует отме­ тить, что для обеспечения надежности оружия следует рассмат­ ривать физико-механику во всем температурном диапазоне экс­ плуатации оружия (чаще всего ±60°С). На рис. 1 приведены принципиальные зависимости механических характеристик от температуры для термопластичных П и ТРТ.

Конкретные термомеханические характеристики различных составов будут рассмотрены ниже, здесь же следует сделать акценты на нескольких моментах, важных с точки зрения обеспечения работоспособности заряда:

—термопластичные П и ТРТ в зависимости от температу­ ры могут находиться в трех состояниях: стеклообразном, высо­ коэластическом и вязкотекучем;

—температурный диапазон эксплуатации заряда должен исключать области стеклообразного состояния и вязкотекучего состояния, так как в первом случае отсутствие деформации является причиной разрушения заряда при ударном воздейст­ вии, а во втором — высокая ползучесть изменяет геометрию заряда и его нормальное функционирование;

1Далее в понятие «термосилового» («теплосилового») поля вкладывается комбинация температурных и силовых параметров в рассматриваемом объеме пороховой массы, включая давление, напряжения, скорость сдвига и др.