Художники по небу: фейерверки

Из всех возможных бытовых пиротехнических изделий в нашей стране долгое время были доступны только бенгальские огни и хлопушки. Немногие догадываются, что бенгальскими свечи называются по имени исторического региона Бенгалии. (Эта область, населенная преимущественно бенгальцами, говорящими на бенгальском языке, сейчас разделена между Индией и Республикой Бангладеш.) По свидетельствам историков, именно здесь в V—VI веках нашей эры во время религиозных церемоний в храмах на жертвенниках вспыхивал и быстро сгорал огонь высокой яркости.

Свойства огня вызывали восторги у верующих. Для большего эффекта священнослужители, по совместительству пиротехники, занимались исследовательской работой. И к началу VIII века, по свидетельствам летописей, уже стали известны составы цветного огня — желтого, зеленого и голубого, удлинилось время его горения. Ко всему прочему бенгальские свечи уже не только давали яркое пламя, но и горели с характерным треском. Эффект искристого огня достигался за счет добавления в пиротехнические составы железной окалины, дробленого чугуна, а позднее — порошка магния. В какой-то момент истории такой состав стали наносить в несколько слоев на деревянные палочки (затем на металлическую проволоку). Так что до нас бенгальские свечи дошли практически в неизменном виде.

Пиротехнический состав бенгальских огней непрост и содержит большое количество компонентов: это обычно барий азотнокислый, железный порошок, алюминиевая пудра, сажа, мел, калиевая селитра, крахмал, фенолформальдегидная смола.

Цветной огонь при горении бенгальских смесей получается за счет веществ, содержащих оксиды бария, стронция, натрия и других элементов, — в пламени они излучают свет определенной длины волны в видимой области спектра. В ходе химических реакций выделяются вредные оксиды, поэтому цветные бенгальские свечи следует применять только на открытом воздухе. Да и обычные бенгальские огни стоит использовать только в хорошо проветриваемых помещениях.

Не менее эффектные искры дают железо, сталь, алюминий, магний или цинк, входящие в состав бенгальских огней в виде порошков или мелких опилок. Поток газа разбрасывает накаленные металлические хлопья в воздух из зоны горения, и, сгорая, они превращаются в оксиды. Выбрасывание из пламени несгоревших частиц металла называется форсовым искрением.

Отчего при рывке за шнурок хлопушки раздается громкий хлопок? Все просто. Дело в том, что корпус хлопушки состоит из двух частей: верхняя заполнена конфетти или серпантином, а в нижней находится чувствительный к трению пиротехнический состав. При рывке он воспламеняется, происходит небольшой взрыв. Образующиеся продукты горения создают внутри корпуса высокое давление. В результате защитный колпачок хлопушки рвется и из него под давлением вылетают конфетти.

Хотя хлопушки считаются одними из наиболее безопасных фейерверков, производители вместо пиротехнических конструкций выпускают пневматические, еще более безопасные, — для детей. В них вместо пиротехнического состава применяется сжатый газ. Правда, такие хлопушки заметно дороже, но цена компенсируется большими размерами.

Большинство профессионалов считает петарды самым неинтересным пиротехническим изделием. Между тем в нашей стране они пользовались огромным спросом с момента своего появления. И лишь со временем интерес к ним упал. Ведь всё, что они дают, — это громкий хлопок. На рынке сейчас представлено два основных типа петард — фитильные и с терочной поверхностью (они поджигаются, как спички). Эти виды петард немного отличаются по своему устройству. В первом случае огонь несколько секунд проходит по фитилю через толстую заглушку, затем достигает основного пиротехнического состава и взрывает его. В моделях с терочной поверхностью основной состав отделен от терочного воспламенителя медленногорящим составом. Некоторые петарды перед хлопком могут вращаться, разбрасывать искры, взлетать вверх — такая возможность достигается за счет того, что между основным составом и медленногорящим устанавливается реактивный заряд, который прорывается через проделанное в корпусе петарды сопло. Практически таким же образом устроены летающие фейерверки, которые могут разбрасывать искры, светиться разными цветами и хлопать, подобно петарде.

Фонтаны, извергающие на несколько метров поток ярких искр, — одни из самых зрелищных и безопасных фейерверков для применения в черте города. То, какой высоты будет фонтан и цвет, главным образом зависит от смеси, из которой сделан горючий состав. Но влияет и конструкция устройства. Например, «вулканы» изготавливаются в виде конуса: в процессе горения площадь горящего состава растет и соответственно растет высота потока искр. В профессиональных пиротехнических шоу из фонтанов образуют фигуры, а срабатывание фонтанов происходит с помощью электровоспламенителей по сигналу с пульта управления.

Лучшими мастерами по устройству фейерверков в XIV—XV веках считались итальянцы. Именно они превратили фейерверк в особый вид зрелищного искусства. Вероятно, они и изобрели римскую свечу. О последнем, впрочем, можно только догадываться: происхождение названия скрыто за пеленой веков. Римская свеча, одно из самых популярных фейерверочных изделий во всем мире, представляет собой длинную картонную трубку. Внутри она заполнена чередующимися слоями из медленногорящего пиротехнического состава, звездки с отверстием внутри и пороха. Когда горение доходит до пороха, горящая звездка выстреливает вверх.

Некоторые запускают римские свечи с рук, однако профессионалы так делать не рекомендуют. Если разрушится картон или прорвется донная часть свечи, пользователь получит ожоги. Поэтому свечу лучше привязать к колышку или воткнуть в землю или плотный снег на 2/3 длины.

В последнее время зимы становятся бесснежными, и если на Новый год снега нет, то профессиональные продавцы пиротехники отговаривают клиентов от приобретения ракет. Проблема в палочке-стабилизаторе: в утрамбованном снеге ее можно надежно укрепить, не создав ракете сопротивления при взлете. С обычным грунтом такой фокус может не выйти. Либо ракета будет укреплена недостаточно устойчиво, либо ее тяги может оказаться недостаточно для взлета с грунта. Правда, в комплекте с большими ракетами в последнее время идет пластиковая трубка. Ее надо укрепить в земле или в утрамбованном снеге и вставить в нее ракету — тогда правила безопасности будут соблюдены. Самая частая ошибка обывателей заключается в предположении, что при взлете ракета отделяется от стабилизатора. Поэтому некоторые надежно укрепляют ракету в земле, другие, что еще хуже, крепко держат ее за палку при запуске. Однако стабилизатор выполняет строго определенную роль: в полете он смещает центр давления ракеты (точку приложения сил сопротивления окружающей среды) как можно ближе к ее хвостовой части и тем самым увеличивает расстояние от него до центра масс ракеты. Чем больше это расстояние, тем более устойчивым, направленным и безопасным будет полет ракеты. Сама ракета состоит из двигателя и головной части. Двигатель поднимает ракету на высоту нескольких десятков метров, и там, в зависимости от начинки, ракета выбрасывает горящие звездки или просто громко хлопает.

Самые красивые салюты невозможны без высотных фейерверков. Они выстреливают вертикально вверх и разрываются в верхней точке полета, создавая различные эффекты. Обычно высотный фейерверк выглядит как шар с прикрепленным к нему цилиндрическим вышибным зарядом, но он может быть выполнен и в форме цилиндра. Внутри шара или цилиндра находится разрывной заряд, окруженный пиротехническими элементами (звездки, швермеры — небольшие ракеты без стабилизаторов). Замедлитель рассчитывается так, чтобы в верхней точке полета разрывной заряд воспламенился и разбросал в разные стороны пиротехнические элементы.

По словам пиротехников, самое сложное при создании фейерверка — добиться чистого красивого цветного пламени. Для формирования нужного цвета в состав пиросмеси вводят специальные вещества, которые окрашивают пламя и увеличивают его яркость. Физика этого процесса не сложна. Яркость пламени определяется присутствием в нем твердых частиц — продуктов горения — и степенью их накала. Очень яркое пламя можно получить при сжигании составов, содержащих большое количество порошков магния или алюминия. При горении они дают яркое белое пламя. Когда нужно цветное пламя, все усложняется.

В пиротехнике существует такое понятие, как чистота (насыщенность) цвета. Оно вычисляется как отношение интенсивности излучения заданного цвета пламени к интенсивности всего излучения в видимой части света и выражается в процентах. Как показывает практика, желтое пламя можно получить с насыщенностью около 100%, красное и зеленое — 97 и 86% соответственно. А, например, синий огонь имеет чистоту всего около 30%.

Все это объяснимо. Желтая окраска пламени достигается при введении в состав солей натрия. Излучение натрия настолько интенсивно, что легко «перекрывает» все другие цвета в фейерверке. Это свойство было оценено американскими военными: в армии США пиротехнические составы с натрием используются в ночных операциях для освещения местности. Желтая окраска основана на свечении атомов, другие же цвета имеют молекулярную природу. Такое освещение более «нежное», чем атомарное, и при высокой температуре (более 1500°С) цвет пламени может ухудшаться. Именно поэтому красное пламя, которое создается на основе летучих соединений стронция, может при определенных условиях становиться бледно-розовым.

Зеленый огонь в пламени создают пары монохлорида бария — BaCl. Побочным продуктом в реакции при высокой температуре является оксид бария BaO. Он имеет зеленовато-желтый цвет, и за счет этого насыщенность цвета сильно падает.

Самым капризным пиротехники считают синее пламя. Оно образуется на основе соединений меди. Синяя окраска возникает только при температуре до 1000 °C — когда температура выше, пламя приобретает зеленую окраску. Поэтому при составлении смеси пиротехники стремятся так подбирать компоненты, чтобы в пламени не возникали побочные вещества с нежелательным излучением.