Эпоха Пара

Я паро-панк
и я люблю паро-панк

ПубликацииПубликации ПрограммыПрограммы ИгрыИгры

Взрывная сила

Сила взрыва

онлайн

Что может взорвать взрывчатка? Всё! А вот и не верно. Правильный ответ включает в себя количество взрывчатки на ожидаемый размер разрушений. Обычно это интересует только сапёров.

Но оказывается этот вопрос важен и для историков. Иначе можно совершить непростительную ошибку. Например, сказать о руинах замка "он был взорван" - а сколько для этого потребовалось бы взрывчатки? располагал ли враг таким количеством в своих арсеналах? да и возможно ли было доставить такое количество под стены замка? Или совершить обратную ошибку, объявив Мохенджо-Даро жертвой ядерного взрыва, хотя следы указывают на взрыв большой массы самого обыкновенного пороха, который в этом древнем индийском городе весьма вероятно мог быть именно в таких количествах.

В англо-язычном интернете есть сайт, автор которого утверждает, что атомной энергии не существует, а во время публичных атомных испытаний взрывали самую обычную взрывчатку для создания "огненного шоу". И версия кажется соблазнительной - пока не начинаешь считать. В США и в СССР есть искусственные озёра, образовавшиеся в воронках от ядерных взрывов. Достаточно вычислить объём выброшенного взрывом грунта, посчитать количество обычной взрывчатки, посчитать её объём - и становится ясно, что с обычной взрывчаткой во взрыве не было бы смысла - потому что для её размещения в центре будущей воронки пришлось бы вырыть котлован размером с эту воронку. И возить туда взрывчатку железнодорожными составами много месяцев (а может и лет).

Ещё важнее вопрос о силе взрыва для авторов исторических или полу-исторических произведений. Если маленький бочонок с порохом разносит в щепки бастион - то это вызовет лишь насмешки читателей. А могла разрушить его тонна нобелевского динамита? Или коварная японская "шимоза"? На какой глубине должен быть выведен подкоп для этого? Как видим вопрос весьма не простой. А ведь не у каждого начинающего автора есть друг военный инженер.

Хорошая весть в том, что рассчитать последствия взрыва можно онлайн вот здесь
но чтобы правильно понять результат расчёта, дочитайте статью до конца

Кое-что о строительстве

Чтобы понять, что может сделать с замком взрыв, прежде разберёмся как может быть построен этот замок.

Бетон кажется материалом нового времени. Но как показывают современные исследования, уже в Древнем Египте знали бетон. И это не удивительно. Люди издавна подметили, что в природе не так уж мало грунтов, которые после высыхания могут застывать в прочных формах. Конечно, примитивные смеси имели меньшую прочность, чем современный портланд-цемент, но доподлинно известно что строительным раствором пользовались древние римляне и бетон из такого раствора то же был им известен (хотя это был менее прочный бетон на известковой основе).

Строительный камень так же не одинаков. Распространённые в строительном деле камни из осадочных пород - чаще всего известняк, иногда песчаник - наименее прочны. Зато благодаря этому они и обрабатываются легко даже с помощью бронзовых инструментов или простой притиркой камней друг к другу в случае сухой кладки. Куда прочнее гранит, но и в обработке он тяжелее. И, наконец, любая каменная или кирпичная кладка держит только вертикальную нагрузку. Боковую - увы, не держит. Из-за этого пришлось придумать контрфорсы - те самые выступающие утолщения стен, придающие готической архитектуре неповторимый колорит... а на деле являющиеся просто подпорками, чтоб стена не упала.

Широкое применение метательных машин всегда в истории приводило к снижению высоты стен в пользу их утолщения. Так случилось в Античности, то же повторилось и в Средние века с распространением требюше и бомбард. У этих стен снаружи каменная облицовка, но внутри - земляная засыпка. Толщина стены большая, а стоит недорого. На такой широкой насыпи уже легко размешались пушки вместо стрелков. А чтобы затруднить врагу подступ к стене, перед стеной широкий ров. Часто сухой, зато обязательно насквозь простреливаемый пушками из бастиона.

Профиль крепостной ограды XVI века По учебнику профессора Яковлева "История крепостей" 1931 год
для слушателей инженерного факультета Военно-технической академии РККА им.т.Дзержинского

Но когда в наполеоновские войны массовые армии по 100 тысяч солдат маршировали мимо крепостей, их малочисленные гарнизоны не могли помешать врагу. И тогда постепенно начался отход от прежних замкнутых крепостей, в пользу линии самостоятельных фортов, поддерживающих друг друга только огнём. Это случилось примерно в Эпоху Пара, хотя и не было напрямую связано с внедрением паровых машин - но было связано с ростом дальности стрельбы и большей разрушительной силой новой артиллерии. И с этого момента всё больше в строительстве - и особенно в фортификации - применяется бетон.

Бетон в фортах

Кажущаяся простота "замешал - залил - готово" обманчива. Бетон имеет сложную химическую природу, малейшее нарушение в технологии в разы снижает прочность готового изделия.
В основном прочность бетона зависит от наполнителя. Чем прочнее наполнитель, тем выше прочность бетона. Кроме того, желательно чтобы поверхность этого наполнителя была неровной, для лучшего сцепления с цементом (поэтому гладкая галька худший наполнитель для бетона). Остальную часть прочности даёт песок, поэтому он должен быть только карьерный (ни в коем случае не речной!) и обязательно мыто-калёный и просеянный, чтобы отсеять пылевидную фракцию, которая снижает прочность бетона.

Цемент не играет главной роли в прочности бетона. Цемент это всего лишь связующий клей и, в идеале, его должно быть в бетоне ровно столько, чтобы заполнить пустоты между песчинками. Которые сами, в свою очередь, заполняют пустоты между крупным наполнителем. Оптимальное соотношение можно подсчитать по соответствующим формулам пространственной геометрии. Так же, заметим, что связующим может быть не только распространённый нынче портланд-цемент, и более того, не для всякого песка портланд-цемент будет эффективным связующим. Например, для многих песков России выгоднее известковый цемент. Однако это уже вопрос химии.

Врождённый недостаток бетона - неизбежность пустот в нём. Пустоты образуются от воды, необходимой для процесса химической реакции вызревания бетона. Но после завершения реакции, пустоты от воды остаются. Когда в них будет просачиваться новая вода, то постепенно будет разрушать бетон. Поэтому он нуждается в гидроизоляции.

Для устранения этого недостатка ещё к концу XIX века, при фортификационных работах, бетон при заливке стали трамбовать (отчего можно встретить в описаниях крепостных работ того времени термин "набивать бетон"). К тому же уплотнение повышает прочность бетона примерно на 30%. В настоящее время вместо утомительной трамбовки, применяется виброукладка, но в первой половине XX века о такой технологии даже не подозревали.

Наконец, в начале XX века от использования простых бетонных массивов начали переходить к железобетону. В железобетоне значительную прочность обеспечивает сама железная конструкция - соответственно от вида этой конструкции будут зависеть и свойства конкретного готового железобетонного изделия. Массивная арматура в виде пространственной рамы придаёт прочность на излом, а мелкая металлическая сетка, проложенная близко к поверхности (но не ближе 25мм от поверхности!), связывает массив бетона, препятствуя образованию осколков.

Опасный недостаток бетона - при сотрясениях он склонен давать отколы, с образованием опасных осколков, могущих наносить тяжёлые рваные раны.

При строительстве из бетона учитывают следующие рекомендации:

  • Бетон схватывается за пару дней, но отвердевает до 70% прочности за 14 дней, до марочной прочности за 28 дней, а до полной примерно за полгода - но только при температуре не ниже +12°C ! При снижении температуры ниже отвердевание прекращается и не восстанавливается с повышением температуры. Любые добавки, ускоряющие отвердение (в том числе при морозе), снижают последующую прочность готового бетона (вплоть до самопроизвольного рассыпания в песок). Особенно вредной оказалась добавка соли в бетон - этот метод практиковали в середине XX века для успешной заливки бетона зимой, но оказалось что потом такой бетон приходит в негодность за каких-нибудь полвека
  • На время вызревания (не менее 2, лучше 4 недель) бетон прикрывается влажной мешковиной, а лучше над ним устраивается парник с увлажнением воздуха. Вода и тепло беспрестанно должны окутывать вызревающий бетон!

Как видим бетонное строительство не такое простое дело каким кажется. Тем не менее, уже в конце XIX века из бетона строили целые форты.

Для фортификационных сооружений:

  • Для максимальной прочности не только фундамент, но всё сооружение целиком - монолит. Для этого заливка бетона ведётся непрерывно. Поэтому опалубка должна быть прочной (чтобы выдержать всю массу бетона).
  • Не должно быть углов! Все углы скругляются. Своды делаются арочными. Куполообразная форма обладает большей прочностью - чем к ней ближе, тем лучше.
  • Для уменьшения вреда от близких взрывов, фундамент построек из неармированного бетона рекомендуется заглублять под грунт на 3.7м.
    • Однако, как было показано немцами во Вторую Мировую, постройка являющаяся железобетонным монолитом (вместе со сплошным фундаментом-плитой под всем сооружением), при должном его качестве, устойчива к взрывам настолько, что будучи даже просто поставленной на грунт, конечно может сотрясаться и качаться, но остаётся целой. В частности так были устроены башни-убежища (не путать с более знаменитыми башнями ПВО!)
  • Бетонные своды и стены нуждаются в противооткольных средствах - и без таковых недопустимы!
  • Выход из сооружения должен быть оборудован коленчатым сквозником - но не тупиком!

Разумеется, в реальности встречались отступления от этих рекомендаций, особенно при поспешных работах. Однако в фортах построенных в мирное время, как правило, все рекомендации соблюдались.

Схема Плюцинского

С 1890 по 1894 годы в Кронштадте были проведены обстоятельные опыты по влиянию взрывов на фортификационные постройки разных типов. Выяснялась взаимосвязь между толщиной бетонного покрытия и слоем насыпанной над ним земли для лучшего противодействия снарядам осадной артиллерии. Эта зависимость отражена на схеме профессора Плюцинского:

  • Если слой земляной обсыпки не более 1.2м, то толщина бетонного свода (в вершине как самом тонком месте) может быть от 1.5м до 2.4м, смотря по ширине пролёта.
  • При увеличении толщи грунта, он начинает играть роль забивки (направляя взрыв вниз), что вынуждает увеличивать и толщу бетона. Для бомбы 9-дюймовой мортиры того времени, при слое обсыпки в 3.7м толщина бетона под ним должна быть 3м.
  • При дальнейшем росте слоя грунта, снаряд может разорваться выше, так что остаётся некоторое пространство до бетонного свода. Для 9-дюймовой бомбы безопасное расстояние разрыва составляло 1.8м, поскольку и глубина её воронки была 1.8 м. Таким образом, учитывая опасность попадания снаряда в ту же воронку, безопасная толщина грунта должна составить 7.3м - под ней толщина свода из простого бетона достаточна всего в 1.2м.

Заметим, что речь идёт именно о ничем не армированном бетоне - железобетон в те годы в фортификации ещё не применялся ввиду дороговизны.

Схема Плюцинского сила взрыва По учебнику профессора Яковлева "История крепостей" 1931 год
для слушателей инженерного факультета Военно-технической академии РККА им.т.Дзержинского

Опыты с железобетоном были проведены только в 1912г на острове Березань, при этом выводы Плюцинского были подтверждены. Кроме того, вновь обращено внимание что противооткольные меры обязательны для бетонных и железо-бетонных конструкций.

Как понять схему

Для взрыва в грунте:

  • Опасное расстояние от центра взрыва = равно глубине максимальной воронки в грунте, которую может сделать снаряд или бомба.
  • Наиболее опасная толщина грунтовой обсыпки = чуть больше удвоенной глубины максимальной воронки.

Объяснение этому следующее:

  • если взрыв создаёт воронку, то взрывные газы свободно истекают вверх, мало вредя подземному сооружению
  • при большей глубине погружения в грунт, взрыву не хватает силы, чтобы выбросить землю и создать воронку. Взрывные газы распространяются во все стороны одинаково. Раз мы знаем какую толщу грунта они могут сместить вверх (образуя воронку), то логично что на такое же расстояние они могли бы сместить и толщу грунта вниз (если бы свод постройки проломился) - значит, на это расстояние безусловно распространяется сила удара взрыва в грунте.

Хотя это и весьма упрощённое представление о взрыве, но исходя из него, можно самостоятельно приблизительно рассчитать эффективную толщу земляной обсыпки для противодействия любому фугасному взрыву.

Считается что в среднем грунте 1кг тротила может сделать воронку в 0.65м глубиной.
Соответственно, чтобы сделать воронку вдвое глубже, надо выбросить грунта в 8 раз больше - следовательно, для воронки в 1.3м глубиной потребуется 8кг тротила.

Тротил, он же тринитротолуол, вовсе не чемпион ни по фугасности, ни по бризантности - динамит превосходит его примерно в полтора раза, а гексоген вдвое. И даже предшественник тротила - меленит, он же пикриновая кислота или легендарная японская шимозе - и тот был несколько мощнее, а вдобавок его взрывные газы ещё и ядовиты, что повышает смертоносность. Но у тротила неоспоримые достоинства это поразительная для взрывчатки безопасность в обращении и химическая стойкость и долговечность. Так что даже через век после своего изготовления тротиловая шашка взрывается ни чуть не хуже новой, причём даже если хранилась в самых что ни на есть фронтовых условиях.

Мощнее тротила и применяемая в современных американских бомбах взрывчатка Tritonal. Но мощнее конечно не как в кино, а всего лишь на 18%. И ничего удивительного тут нет, ведь состав современного американского тритонала: 80% тринитротолуол + 20% алюминиевый порошок. Однако в годы Второй Мировой тритоналом называлась совсем другая взрывчатка - а именно британская взрывчатка для бомб из 40% тротила, 40% аммиачной селитры и 20% алюминия. А смесь тротила с алюминием в те годы называлась у американцев Torpex и использовалась для снаряжения торпед.

Алюминиевый порошок добавляли ради большей температуры горения. Ну а селитра это известный с древности источник кислорода - в ней кислород связан с азотом и эта непрочная связь легко разрушается при нагреве. На этом свойстве селитры основан чёрный порох, в котором 15% серы (которая инициирует горение) + 10% угля (который собственно горит) + всё остальное это селитра.

Многие взрывчатки времён Второй Мировой включали в себя селитру (не раскрою военную тайну, если скажу, что аммонал состоит из селитры на ¾, а то и больше). Такое же обилие селитры в чёрном порохе может навести на мысль, что чёрный порох то же взрывчатка. Не совсем. Слишком много селитры даёт лишь взрывное горение, хотя и с хорошей фугасностью. А взрывчатка ценна бризантностью - то есть способностью дробить. Для этого процесс горения вещества должен идти со скоростями, превышающими скорость распространения звука в этом веществе. Чёрный порох горит медленнее. Впрочем, люди быстро заметили, что если открыто рассыпанный порох просто сгорает, то плотно закупоренный чёрный порох сгорает с детонацией. И чем плотнее он запакован, тем выше детонационный эффект. Так что чугунная бомба взорвётся с большим эффектом, чем деревянный бочонок с тем же количеством пороха. Порох не одинок в этом, например сила взрыва гексогена в зависимости от опрессовки может изменяться в 5 раз. А вот тротил не прессуют, а просто заливают в корпуса бомб и снарядов в расплавленном виде, поэтому боеприпасы с ним ведут себя намного стабильнее - и за эту свою стабильность он и избран мерилом взрывной силы. Но и гексоген, и тротил и прочие настоящие, то есть бризантные взрывчатки - детонируют. А порох по существу горит. И в процессе этого горения часть пороха разлетается не успев вложить свою энергию в силу взрыва. И чем больше пороховой заряд, тем больше такие потери. Хотя это не делает взрыв пороха безопасным. Напротив, продолжающие гореть в полёте крупицы пороха создают обширную область объёмного горения, в которой погибает всё живое без шансов на спасение. По-видимому подобное произошло тысячи лет назад в Мохенджо-Даро, где хранились десятки тонн пороха и их взрыв накрыл огненным смерчем всю территорию маленького города. А вот при подводном взрыве такого эффекта не будет, и когда появились подводные мины их стали начинять порохом, но из тонны успевало прореагировать лишь 10%, а остальной порох растворялся в воде - хотя при подрыве небольшого бочонка шестовой мины успевала прореагировать большая часть масы заряда. Это верно для всех порохов, но чёрный порох наиболее непостоянен.

Из-за непостоянства горения средневекового чёрного пороха 16 декабря 1689 года погиб Томас Эбсли, первым придумавший использовать взрыв для подземных работ. Значение его изобретения огромно. Используя кирку можно пройти от 1 до 3 дюймов гранита в день! А тут забиваем в расщелину порох, взрываем и просто таскаем камни. Всего через год добыча ископаемых в Великобритании возросла в 100 раз! Но сам изобретатель этого уже не увидел. В качестве запала он использовал гусиные перья, набитые порохом - но в очередном запале слишком плотно набитый порох не загорелся, а сдетонировал, так что изобретатель не успел отбежать и погиб в пламени взрыва.

Сила горения чёрного пороха очень сильно зависит даже от технологии изготовления. Самый лучший результат даёт перетирание массы жерновами, обязательно постоянно смачивая водой - получаются хорошие плотные зёрна, эту технологию изобрели в "стране ветряных мельниц" Голландии под конец Средних веков. А если, как европейский изобретатель пороха Бертольд Шварц, бить пестом - то порох будет слабее втрое (а может быть и на порядок хуже). Скорость горения сильно зависит от размеров крупиц пороха - у мелкого пороха горение более взрывное, тогда как у крупнозернистого более плавное, но дробящая сила при этом меньше. При хранении порох слёживается, что делает его горение неравномерным и может вместо взрыва дать громкий пшик. Даже в сухом хранилище он стремиться впитывать влагу из воздуха, и чем меньше пороховые крупицы, тем охотнее порох вбирает влагу. Потому сила свежего пороха в 1½ - 2 раза больше, чем у трёхмесячного. А если порох возили на корабле или хранили в сыром подвале, то сила падает ещё больше. Но порох, перемолотый жерновами, впитывает влагу в заметно меньшей степени и будет годен к бою, даже если бочонок с ним был закопан на несколько месяцев в землю. Наконец, во времена Колумба, в XV веке в ходу была пороховая мякоть - её поведение предсказать наиболее трудно из-за неоднородности, ясно лишь до голландского пороха ей было далеко. Поэтому, в отличие от бризантных взрывчаток, чёрный порох менее предсказуем. В лучшем случае его сила 3/5 от силы тротила.

Если надо посчитать диаметр воронки, то можно приближённо сказать, что диаметр втрое больше глубины, при условии что снаряд заглубился на оптимальную глубину подрыва.

Например: хорошо известно, что для осколочно-фугасного снаряда 152мм гаубицы Д-1 (обр. 1943г), при установке взрывателя на фугасное действие - в грунте средней плотности образуется воронка диаметром 3,5м и глубиной около 1,2м. Масса взрывчатки в этом снаряде 5.83кг, соответственно оптимальная глубина по расчёту 1.17м. Как видим соотношение "примерно втрое" подтверждается практикой.

В качестве упражнения определим, какова наиболее опасная толща грунтовой обсыпки над сводом убежища, если оно подвергнется обстрелу гаубицей Д-1 с использованием осколочно-фугасных снарядов. Снаряд создаёт воронку глубиной в 1.2м. Помним, что удар в грунте идёт во все стороны - в том числе вниз от центра взрыва. А проникнет снаряд в грунт на 1.2м - итого опасная толща грунта 2.4м. Если такова будет толща над сводом убежища, когда в грунте взорвётся снаряд гаубицы - то свод убежища получит удар максимально возможной силы.
Теперь определим безопасную величину - она вдвое больше опасной - следовательно 4.8м.

А чтобы не считать всё это самому - воспользуйтесь калькулятором-онлайн


14 декабря 2017г
Алексей «Рекс»
Я люблю паро-панк Поддержи сайт
купи наши игрушки
Письмо
автору
  Поддержи
автора
Сайт существует с 16.12.2017