12/01/2002

Пиротехника – развлечение, ремесло или наука?

Все сверкающие красоты, от небольших выстрелов-всплесков хлопушек и петард до удивительных по краскам и разнообразию фейерверков, поддаются строго научному описанию, ибо, как писал Джон А. Конклинг, «аналогичные принципы заложены в работе разнообразных устройств - от космического «шаттла» до обыкновенных спичек».

По данным китайского историка химии, профессора Ли Чао Пинга, первым шагом к современным пиротехническим смесям были огненные трещотки, отпугивающие злых духов. Этот путь был долгим (не менее 1 500 лет), зато сейчас любой человек, знакомый со школьным курсом химии, может изготовить простейший фейерверк в течение нескольких дней.

Долгое время на Западе в производстве пиротехнической продукции были известны лишь несколько фамилий. Связано это с тем, что хитрости технологии, рецептура, способы смешивания пиротехнических составов хранились в секрете и передавались по наследству из поколения в поколение. Эти имена и сегодня главные в списке пиротехнических производителей. Например, в США это - Замбелли (штат Пенсильвания), Груччи (штат Нью-Йорк), Роцци (штат Огайо) и Соудза (штат Калифорния). Способствовало такой семейной секретности и то обстоятельство, что фундаментальные научные исследования в области пиротехники практически не проводились, а если и проводились, то эти данные не появлялись в научной прессе.

Еще совсем недавно составление и запуск фейерверков было скорее ремеслом, чем наукой. Только в последние десятилетия ученые начали изучать химические и физические процессы и законы, лежащие в основе яркости огней и других спецэффектов пиротехнических устройств. В процессе этих научных изысканий и возникла новая научная дисциплина «пиротехника» (наука о горении). Она занимается не только фейерверками, но и сигнальными ракетами, твердотопливными ускорителями космических кораблей, обыкновенными спичками, то есть всеми предметами, при изготовлении которых применяются аналогичные материалы.

В фейерверках основной пиротехнический состав остается неизменным в течение нескольких столетий - речь идет о черном порохе, необходимом для реализации взрывательной и метательной функций.

Изобретен черный (иначе - дымный) порох был в Китае (стране, издавна любившей яркие огневые представления и ритуалы) более 1 000 лет назад именно для применения в пиротехнических целях (простейшие ракеты, шутихи). На Западе сведения о нем распространялись в период средневековья. Английский монах Роджер Бэкон решил зашифровать состав пороха, потому что счел это вещество крайне опасным. А в 1242 году у него не оставалось другого выхода, как раскрыть формулу взрывчатой химической смеси - в целях защиты от обвинений в колдовстве. Так формула черного пороха становилась все более известной. Это вызвало, в свою очередь, серьезные инновационные изменения в строительстве и горно-добывающей отрасли, изменилась технология изготовления оружия и его виды: уже в 14 веке появляются мушкеты и пушки, в которых используется в качестве метательной силы черный порох. С полной уверенностью можно сказать, что черный порох - практически единственный химический состав, в котором используются те же составляющие, те же их пропорции и та же технология изготовления, как и во времена открытия Америки. Действительно формула дымного пороха не изменилась за все это время: это смесь нитрата калия (калиевая селитра), древесный уголь и сера в отношении 75:15:10 по весу. Все это позволяет говорить о черном порохе, как о близкой к идеалу пиротехнической смеси, состоящей из имеющихся в большом количестве и недорогих химических веществ, сравнительно неядовитых и устойчивых к воздействию внешней среды.

Эта химическая смесь настолько стабильна, что если ее хранить в сухом месте, то она не будет разлагаться и портиться десятки. Еще одним очевидным преимуществом пороха является то, что для его воспламенения нужно малое количество энергии - достаточно искры или небольшого взрывателя для дистанционного взрыва.

Как отмечают специалисты, пиротехнический процесс практически не отличается от обычного горения. Основные составляющие пиротехнического состава - горючее и окислитель. Древесный уголь, уротропин, шеллак, канифоль, порошки магния, алюминия и их сплавы относятся к горючему. К окислителям относятся нитраты, хлораты, перхлораты, хлор, фторорганические соединения. Чтобы предотвратить преждевременное загорание (и сгорание) фейерверка, в его состав добавляют так называемые флегматизаторы и стабилизаторы, а для регулирования скорости горения - катализаторы.

Таким образом, пиротехнический состав - это несколько тонко измельченных и механически смешанных компонентов, это нечто среднее между газовыми смесями и обычным твердым топливом.

Пиротехнический состав включает в себя окислитель (источник кислорода) и восстановитель (горючее вещество). Эти два компонента, как правило, являются отдельными твердыми химическими реагентами, которые потом будут смешаны механически. При нагревании смеси происходит обычная окислительно-восстановительная реакция (или реакция с обменом электронами). В ее процессе атомы горючего теряют электроны, которые переходят к атомам окислителя. Атомы восстановителя связываются с освобождающимися окислителем атомами кислорода, образуя стабильные продукты реакции. При такой реакции выделяется много тепловой энергии, что обусловлено более высокой стабильностью новых химических связей. Такой же процесс происходит и при горении, с единственной разницей - кислород в этом случае поступает из воздуха. Пиротехническая смесь содержит кислород в самой себе, что делает выделение тепла строго ограниченным. Холодная и сухая пиротехническая смесь очень стабильна. Твердая смесь реагирует очень медленно по поверхности, причем скорость реакции определяется диффузией. При воспламенении смесь переходит в жидкое, а затем в газообразное состояние в пиротехническом пламени. В результате чего горючее и окислитель перемешиваются. Это смешение двух указанных компонентов ускоряет реакцию и, в свою очередь, значительно усиливает процесс выделения энергии.

Пиротехниками не рождаются…

Получение академического образования в данной области затруднено из-за «семейственного» принципа гражданской пиротехники (более характерного для «них») и секретного характера большинства работ в оборонной промышленности (это более характерно для «нас»). В США единственные пиротехнические курсы читаются на нескольких ежегодных, продолжительностью в одну неделю, семинарах, проводимых в Вашингтон-Колледже. В России подобные семинары существуют (во всяком случае, существовали) при МГУ, в частности в школе А.Н. Колмогорова при МГУ. Наличие их на химических факультетах других вузов сомнительно после трагических событий, связанных с международным терроризмом. Однако сейчас ряд организаций активно публикует результаты открытий в этой области, в том числе и в интернете. Существует российский сайт любителей пиротехники (на нем можно познакомиться со статьями видных ученых, инженеров), российская пироконференция и т.д.

Литература по пиротехнике в России почти не выпускается. Единственная книга (предназначена для военных, содержит некоторые сведения по пиротехнике), изданная за последнее время, - учебник А.А. Шидловского (видный ученый в области пирохимии, умер в 1996 г).

Интерес к пиротехнике в России и в мире в целом растет, так только в США с 1976 г. среднегодовое потребление устройств для создания фейерверков удвоилось (в России такую статистику никто, очевидно, не ведет).

Версия для распечатки