"Сверкающие огни".
Профессор А. ШИДЛОВСКИЙ, кандидат технических наук А. СИДОРОВ, инженер В. АНТОНОВ.
Огненные фигуры, причудливо меняющие расположение, цвет и форму. Возникающие, гаснущие и возникающие вновь... Фонтаны искр, образующие букеты. Потоки огней, льющиеся водопадами. Миллионы цветных звезд, разрывающих ночное небо...
Впрочем, фейерверк - предмет, удивительно не подходящий для описания. Фейерверк надо видеть. Живет он недолго-считанные мгновения, но всегда- спутник торжества и связан с большой радостью народной.
Разве забыть первый военный салют 5 августа 1943 года, которым наша страна отметила одну из своих первых крупных побед в Великой Отечественной войне- освобождение Орла и Белгорода?! Разве забыть все военные салюты-их было 354-в годы тяжелейшего испытания, выпавшего на нашу долю?! Эти салюты воспринимались не только как огни славы, но и как дань почестей всему героическому советскому народу. Салюты поднимали дух народа, развивали патриотические чувства и были большими праздниками среди суровых и тяжелых будней.
Вот как описывают очевидцы салют 27 января 1944 года по случаю снятия блокады Ленинграда: "Что творится! На улицах, площадях кричат, целуются, пляшут, поют, плачут".
Грандиозным салютом (30 залпов из 1 000 орудий) советский народ отметил 9 мая 1945 года-День Победы.
Окончилась война, но салюты в Советском Союзе остались праздничной традицией. Время от времени начали проводиться и праздничные фейерверки, которые всегда пользовались большой популярностью.
Специалисты, связанные с производством пиротехнических средств, всерьез начали заниматься проблемами фейерверка. В военные и первые послевоенные годы для салютов использовались осветительные и сигнальные огни, применяемые в военном деле патроны белого, красного, зеленого и желтого цвета огней. Единственным исключением был салют-сигнал красного и зеленого огней, который выпускался специально для салютов А вообще 10-15 лет назад изготовляли и проводили фейерверка в основном лишь небольшие пиротехнические мастерские, существовавшие при парках культуры и отдыха и киностудиях. Тогда как, скажем, в Японии и некоторых других странах изготовлением фейерверков всегда занимался ряд фирм, продукция которых известна не только на внутреннем рынке.
Та же Япония экспортирует свои фейерверки в Европу, Америку, Африку, Австралию и страны Юго-Восточной Азии. И японские фейерверки чрезвычайно популярны во всем мире, а промышленность, занятая их производством, процветает.
Впервые разработкой современных фейерверочных изделий в нашей стране начали заниматься в 1957 году, накануне VI Всемирного фестиваля молодежи.
И грандиозные фейерверки, украсившие фестивальную Москву, свидетельствовали об их успешном завершении.
Пять лет назад советские пиротехники вновь обратились к современным фейерверкам и салютам, стремясь обогатить их широкой гаммой цветов, новыми зрелищными эффектами, расширить производство и применение. Разработка новых изделий предусматривала прежде всего безотказность действия и безопасность применения фейерверков: не надо забывать, что художественность зрелища и его безопасность раньше всегда находились в обратной зависимости.
И новые оригинальные изделия были созданы в короткий срок. Сейчас промышленность выпускает множество изделий для праздничных фейерверков и салютов, которые проводятся во многих городах нашей страны. За последние годы большие салюты и фейерверки проводились в дни празднования 50-летия Советской власти, 50-летия Советской Армии, в честь первых космонавтов, 100-летия со дня рождения В . И. Ленина, 25-летнего юбилея победы над фашистской Германией.
Что же все-таки такое эти цветные огни, внезапно вспыхивающие в ночном небе, эти сверкающие звезды, что дарят зрителям яркие мгновения и гаснут, едва приближаясь к земле? Короче, что же такое современный фейерверк?
Прежде всего это пусковые устройства, которые поднимают пиротехническое изделие на высоту нескольких сотен метров от земли. Это автоматические пульты управления, подающие ток на электровоспламенители по строго рассчитанной программе. Это рации, которые осуществляют единую команду для всех салютных установок города. Это, наконец, заездки, из которых состоит любое пиротехническое изделие, звездки, загорающиеся красным или желтым, медленно гаснущим, или мерцающим огнем-так, как это было угодно задумать человеку.
Современный фейерверк-это исследования многих лабораторий на уровне новейших достижений химии, это работа мощной химической промышленности, поставляющей новые материалы, это сложнейшее, в некотором смысле ювелирное производство самих "огненных изделий".
Пиротехнические изделия для фейерверков выпускаются самых разнообразных конструкций, однако почти всегда их можно разобрать на следующие основные части. Корпус, выполненный, как правило, из какого-либо легкого материала-картона, бумаги, алюминия, различных пластмасс. Вышибной и воспламенительно-разрывной заряд из дымных ружейных порохов, бездымных порохов типа "Сокол" специальных пиротехнических составов которые химически близки к фотосмесям Эти заряды выстреливают фейерверки - из мортир или специальных пусковых устройств-на нужную высоту, разрывают корпус, воспламеняют пиротехническую начинку, "выбрасывают" ее в воздух - пучком, сферой или в другом виде, задуманном ранее конструктором. И, наконец, сами пиротехнические элементы-звездки, факелы, таблетки, изготовленные из разнообразнейших огневых, дымовых, звуковых составов. Кроме того, непременными атрибутами фейерверка служат пороховые замедлители, обеспечивающие их срабатывание на заданной высоте, и средства воспламенения - бикфордов шнур, электровоспламенители, стопиновые огнепроводные нити.
Однако если вы спросите у любого пиротехника, что же в фейерверке самое главное и трудное, он, не задумываясь, ответит: создание чистого, красивого цветного пламени.
Со школьной скамьи мы знаем, что горение-это окислительно-восстановительная реакция, в которой одни (горючие) вещества окисляются, то есть соединяются с кислородом, а другие (окислители)-восстанавливаются. В форме горения могут протекать только высокоэкзотермичные реакции, те, что сопровождаются выделением большого количества тепла. В большинстве случаев (и фейерверки - одни из них) горение сопровождается пламенем. О самом горении судят прежде всего по подвижной зоне реакции. Это зона высокой температуры - от 1 000 до 3 000 градусов, которая отделяет еще не прореагировавшие вещества от продуктов реакции. Схема процесса горения, по современным представлениям, изображена на рисунке вверху. Пиротехнические составы сгорают отнюдь не мгновенно (линейная скорость горения пиросоставов измеряется несколькими миллиметрами в секунду, для сильно уплотненных составов - от 0,4 до 6 мм/сек), а слоями, в которых подготовка к горению идет постепенно, путем теплопередачи из зоны пламени: местное повышение температуры в каждом слое вызывает его загорание.
Сам процесс горения и его теория чрезвычайно сложны. Множество факторов - выбор компонентов состава, их количественное соотношение, температура воздуха и другие-влияет на эффект горения фейерверка. Однако в первую очередь он зависит от пиротехнического состава.
Его основные компоненты-горючее и окислитель. Горючими веществами для фейерверков чаще всего служат древесный уголь, уротропин, идитол, шеллак, канифоль, металлические порошки магния, алюминия и их сплавов. Окислителями - вещества, способные выделять при нагревании кислород, хлор или фтор. Таковыми могут быть нитраты, хлораты, перхлораты, хлор и фторорганические соединения. В фейерверочные составы обязательно входят связующие вещества - цементаторы. В этом качестве используются идитол, шеллак, канифоль, олифа, стеарин, жидкие синтетические смолы. Как видите, цементаторами и горючими компонентами служат одни и те же вещества, которые с успехом выполняют обе функции.
Дабы предотвращать преждевременное загорание (и сгорание) фейерверка, в его состав вводят так называемые флегматизаторы и стабилизаторы, а для регулирования скорости горения - катализаторы.
Итак, пиротехнический состав-это несколько тонко измельченных и механически смешанных компонентов, это нечто среднее между газовыми смесями и обычным твердым топливом. Элементарный пиротехнический состав состоит из двух компонентов. Вот один из примеров такого рецепта:
Sr(NО3)2 - 60% + Mg (магниевый порошок)-40%.
А вот пример трехкомпонентной системы, дающей при горении белое пламя:
Ba(NO3)2 -75%+Mg-21% + С13Н12О2(идитол)-4%.
Все реакции, протекающие при горении этой смеси, проследить очень сложно, однако суммарно происходящий процесс горения состава можно описать уравнением:
13,9Ba(NO3)2 + 39,5Mg+C13H12O2=13,9BaO + +13,9N2 +39,5MgO+13CO2+6H 20.
Главное для пиротехники - получение яркого, красивого пламени, поэтому в состав каждой пиросмеси вводят специальные вещества, которые окрашивают пламя, увеличивают его яркость.
Физика этого дела довольно проста. Яркость пламени определяется присутствием в нем твердых частиц - продуктов горения и степенью их накала. Очень яркое пламя можно получить, скажем, при сжигании составов, содержащих заметное количество порошков магния или алюминия: продукты их горения-МgО и Аl2O3-твердые, тугоплавкие вещества. Смеси магния и алюминия с солями-нитратами и органическими полимерами, которые используются как цементирующие добавки, дают при горении яркое белое пламя.
Значительно сложнее получить, как говорят пиротехники, пламя, "насыщенное цветом".
Идеальным цветным пламенем можно было бы назвать такое, излучение которого приходилось бы целиком на какую-либо одну часть спектра. (Условно его можно назвать монохроматическим.) Увы, в данном случае это практически недостижимо. Б пиротехнике чистотой (или насыщенностью) цвета называют отношение интенсивности излучения заданного цвета пламени к интенсивности всего излучения в видимой части спектра. Выражается это отношение в процентах. Оказывается, пламена разного цвета обладают и разными "характерами". Наиболее капризное из всех - синее пламя. Самое невзыскательное - желтое. Если зеленое и красное пламя удается получить с насыщенностью цвета соответственно 86 и 97 процентов, то составы синего огня считаются хорошими, когда та же величина составляет 25-30 процентов, Впрочем, магии здесь никакой нет, и все может объяснить теория
Чистое цветное пламя можно получить, если в нем будет мало твердых частиц и свечение определяется в основном излучением газовой фазы вещества. Вещества, находящиеся в газообразном состоянии и сильно нагретые, дают линейчатый или полосатый прерывный спектр излучения. Причем линейчатый спектр излучения дают только пары или газы, состоящие из отдельных атомов, почему он и получил название атомарного.Атомарное излучение паров натрия используется в составах желтого огня. Желтая окраска пламени достигается при введении в состав любой соли натрия (на практике чаще других используют щавелевокислый натрий - Na2C2O4. Излучение натрия настолько интенсивно, что пламя остается желтым даже в случае, когда в составе 10-15 процентов магния.
Получение пламен другого цвета основано на свечении не атомов, а молекул. Молекулярное излучение более "нежное", чем атомарное: оно не терпит слишком высокой температуры (более 1000-1500 градусов). Если температура слишком высока, молекулы диссоциируют (распадаются) и цвет пламени ухудшается. Красное пламя, например, становится бледно-розовым.
Красное пламя создается на основе летучих соединений стронция. В процессе горения стремятся получить SrCl 2, который в пламени диссоциирует с образованием монохлорида: 2SrCI2= 2SrCl + Cl2. Последний и сообщает пламени красную окраску. Аналогично получают зеленый огонь. Для этого в пламени должно быть достаточное количество паров монохлорида бария - BaCl.
Однако между составами красного и зеленого огня есть существенная разница. Окись стронция - SrО, возникающая как побочный продукт реакции, не так вредит делу, как окись бария - ВаО. Первая из них сообщает пламени розовую окраску, и, следовательно, наличие ее, хотя и уменьшает чистоту пламени, не сильно вредит ему. Окись же бария делает окраску пламени зеленовато-желтой, и насыщенность цветом резко падает. Зеленое пламя значительно больше, чем красное, "боится" слишком высокой температуры.
Самые капризные, синие пламена получают на основе соединений меди. Известно, что при высокой температуре соединения меди придают пламени зеленую окраску. Синяя окраска пламени возникает только при низкой, конечно, для пиротехники, температуре - меньше 10000С.
Цвет пламени улучшается, если компоненты состава содержат хлор и серу. Поэтому в составах часто используют монохлорид меди CuCI или сульфид меди Cu2S. Компоненты состава необходимо подбирать так, чтобы в пламени не возникали вещества с побочным нежелательным излучением. Известно, что из солей металлов наиболее слабые излучения дают при горении соли калия. Поэтому их (КСlO3, КСlO4, а иногда и KNO3) и используют в качестве окислителей. Впрочем, и здесь приходится быть осмотрительным: хлоратные составы, содержащие КСlO3, чувствительны к трению, многие из них сильно взрывчаты, а если присутствует сера, склонны к самовоспламенению.
В качестве окислителей можно использовать соли аммония, например, перхлорат аммония-NH4CIO4). Цвет пламени у таких составов очень хороший, дыма при горении меньше, чем при использовании солей калия. Но обращаться с перхлоратными составами тоже надо с большой осторожностью.
Органические горючие выбирают с наименьшим возможным содержанием углерода. Это снижает образование сажи, излучение которой портит все цвета пламени, кроме желтого. Хорошая окраска пламени получается при использовании некоторых азотистых органических соединений, например, уротропина.
В составах красного и зеленого огней роль окислителей могут выполнять соответственно нитраты стронция Sr(NO3)2 и бария Ba(NO3)2. Но чтобы получить хорошо окрашенные пламена, необходимо (особенно во втором случае) наличие в составе хлорсодержащих соединений.
Вслед за созданием чистого пламени - того или иного цвета, а иногда и букета цветов - пиротехники задумываются над формой салюта или фейерверка, над теми эффектами, которые его сопровождают. Вот, например, так называемые "мерцающие звездки", их пламя то гаснет, то возникает вновь. Мерцающие вспышки пламени наблюдаются, когда в зона реакции горения нарушается тепловое равновесие.
Мерцающие составы, дающие пламя практически любого цвета, впервые разработаны советскими пиротехниками (в том числе и авторами статьи).
Каждому, наверное, случалось видеть, как от горящего костра в темное небо устремляются мириады искорок. Поднимаясь вверх, они делают причудливые зигзагообразные движения и гаснут высоко наверху. Раскаленные частички угля, догорая, поднимаются вверх за счет образуемых при этом конвективных токов воздуха. Это необыкновенной красоты зрелище имеет очень простое объяснение. Примерно по этому принципу строятся так называемые искристо-форсовые эффекты.
Основа искристо-форсовых составов - термические смеси, развивающие при горении высокую температуру, при которой основное излучение дает уже газовая фаза вещества. Эта же температура раскаляет частички искрообразователей (древесного угля, порошков алюминия и магния, их сплавов, титана, меди), а поток газа выбрасывает их в воздух из зоны горения.
В последнее время советскими пиротехниками разработаны весьма эффектные искристо-форсовые составы. Их основа- термические смеси из перхлората аммония, азотнокислого аммония, уротропина, идитола, стабилизаторов и каталитических добавок. Например, состав, содержащий 50-60 процентов перхлората аммония, 12-16-уротропина, 6-10 - идитола, 18-28-металлических порошков, образует при горении ярко светящиеся искры разного цвета с незначительным дымком. Цвет искр зависит от металлических порошков - стальных или чугунных опилок, порошков алюминия или его сплавов с магнием и других, самых разных.
Итак, мы знаем, как получить смесь, которая, сгорая, вспыхнет в небе яркой звездой или рассыплется мириадами огненных искр. Но между реакцией, осуществленной в лаборатории, и торжеством праздничного фейерверка лежит длинный путь, слагающийся из необходимости решения целой цепочки технических задач.
К производству фейерверочных изделий предъявляется много требований-и к качеству продукции и к соблюдению особых мер предосторожности. Все это усложняет и без того непростой технологический процесс. Описывать все технические проблемы пиротехники и как они решаются, дело довольно долгое, и вряд ли это заинтересует большинство читателей. (Для тех, кто интересуется этими проблемами, существуют десятки книг и руководств.) Мы ограничимся схематическим изображением (рисунок внизу) процесса изготовления пиротехнических изделий.
Все опасные операции здесь механизированы и выполняются в отдельных бронированных кабинах без присутствия людей. Управление процессами осуществляется дистанционно по заранее заданной программе в соответствии с требованиями технологии. На отдельных операциях, где необходимо визуальное наблюдение за их ходом, используют системы промышленного телевидения .
В общем виде технологический процесс изготовления фейерверочных изделий состоит из следующих этапов;
1 - 3 - подготовка исходных веществ для приготовления составов (сушка, измельчение, просеивание);
4 - приготовление составов (дозирование компонентов в нужном процентном соотношении, смешивание компонентов, грануляция - получение прочных зерен-гранул, устраняющих пыление составов и обеспечивающих возможность механизированного дозирования при последующих операциях);
5 - прессование составов для получения пиротехнических звездок и факелов в виде прочных шариков или цилиндриков.
Отдельно изготовляются корпуса изделий, а затем производится сборка.
В пиротехническом производстве качество полуфабрикатов контролируется после каждой операции, а готовые изделия испытывают на соответствие техническим требованиям, условиям безопасности хранения, транспортировки и применения.
Сегодня в арсенале пиротехника-десятки видов современных изделий. Чтобы хотя бы приблизительно представить себе все это многообразие, предлагаем их краткое описание, условно классифицируя в зависимости от предназначения и характера действия.
Изделия пиротехнических фигур наземного действия
служат для различных фигур и композиций, например, для " водопадов ", " фонтанов ", " мозаик ", эмблем , призывов , лозунгов . С помощью пиротехнических свечей получают контуры различных картин в виде множества цветных точек, напоминающих горение мигающих электрических лампочек разных цветов. Красота картины зависит не только от сюжета, но и от правильного подбора свечей, сочетания цветов пламени. Сами свечи монтируются на деревянных или металлических каркасах с помощью простейших зажимов. Наиболее распространены " пиротехнические свечи ", " фонтаны ", " форсы ".В дни VI Всемирного фестиваля молодежи и студентов в 1957 году в Москве с использованием фейерверочных фонтанов были созданы оригинальные пиротехнические картины " Водопад " на Крымском мосту и " Водопад ", ниспадающий с трамплина в районе Ленинских гор.
Изделия наземного действия, имитирующие пушечные выстрелы, разрывы снарядов, мин, служат для создания звуковых и световых эффектов. Известно, что звуки могут быть чрезвычайно разнообразными: шелест, шипение, свист, выстрел. И, скажем, звуковой эффект, похожий на свист, получается при горении составов, содержащих хлорат калия и галловую кислоту (С6Н2(ОН)3СООН), запрессованных в бумажную трубку. Частота звуковых колебаний может меняться в довольно широких пределах в зависимости от длины бумажной трубки и скорости горения состава.
Для звуковых эффектов " выстрела " в фейерверках используются либо дымный ружейный порох, либо пиротехнические смеси, сгорающие с большой скоростью, например, смесь из 68-69 процентов перхлората калия, 32-31 процента алюминиевой пудры и 1 процента графита.
Патроны, кометы и другие изделия, выбрасывающие в воздухе горящие пироэлементы.
Наиболее распространенные изделия этой группы - " пиротехнические бураки ", " кометы " и " римские свечи " При пуске "пиротехнического бурака", например, из мортиры вылетает сноп горящих разноцветных звездочек, факелов, хлопушек, оставляющих за собой мириады огненных искр и взрывающихся в воздухе яркими вспышками. " Кометы " взлетают в воздух, оставляя за собой золотистый или серебристый огненно-искристый шлейф, а " римские свечи ", подобно автомату, выстреливают пиротехнические звездочки самых разных оттенков.
Изделия высотного действия, выстреливаемые из мортир и выбрасывающие в воздух на высоте 100-500 метров горящие пироэлементы, флаги, транспаранты:
Фейерверочные изделия высотного действия, выпускаемые отечественной промышленностью, внешне представляют собой сферический корпус, начиненный пиротехническими элементами, и вышибной пороховой заряд с электровоспламенителем, прикрепленным к корпусу. Корпуса всех изделий выполнены из легких материалов-картона и бумаги: это обеспечивает безопасность зрителей .
Фейерверки высотного действия выстреливают из специальных мортир, имеющих вид обычных металлических труб.
Для производства праздничных салютов разработаны специальные многоствольные салютные установки: 250-ствольная для 105-миллиметровых, 50-ствольная для 195 и 25-ствольная для 310-миллиметровых фейерверочных изделий. Все они смонтированы на грузовых автомобилях. Установки заранее заряжают на базах хранения и, полностью подготовив к стрельбе, транспортируют на пусковые площадки.
После подачи тока срабатывает вышибной заряд, который выбрасывает снаряженный шар на заданную высоту. На вершине траектории - после сгорания замедлителей - срабатывает воспламенительно-разрывной заряд, который разрывает корпус, воспламеняет и выбрасывает горящие пироэлементы.
И тогда ночное небо озаряется красочными заездками, распускающимися лепестками цветов, снопами искрящихся брызг, скачущими водопадами и ниспадающими огненными шлейфами...
