Фейерверки: история, материалы и производственный процесс

Основы

Фейерверк — устройство, использующее горение или взрыв для создания впечатляющих визуальных и звуковых эффектов. Современная пиротехника выходит за рамки традиционных фейерверков, включая сигнальные ракеты, спички и даже твердотопливные ракетные ускорители, используемые в космонавтике.

Ранние предшественники датируются 2000 годами назад в Китае, где бумажные или бамбуковые трубки, наполненные тонко помолотым углем и серой, производили вспышки огня и дыма — еще не взрыва. Добавление селитры дало жизнь черному пороху, первому химическому взрывчатому веществу, примерно тысячелетие спустя. Ученые атрибутируют изобретение черного пороха китайским химикам, хотя некоторые предполагают арабское происхождение.

В Китае черный порох служил множественным ролям: фейерверки, сигнальные устройства, бомбы и ракеты. К XIV веку он достиг Европы, где приводял в действие и торжественные фейерверки, и огнестрельное оружие. XVII век увидел его использование в горном деле и дорожном строительстве. Черный порох оставался основным порохом до замены нитроцеллюлозой в конце XIX века и промышленно динамитом в начале XX века — тем не менее он остается незаменимым в фейерверках сегодня.

Китайские фейерверки эволюционировали от простых петард в изысканные представления, пленившие европейских исследователей XVI века. В Европе военные взрывчатки перепрограммировали для победных празднеств, в конечном счете уступая место сложным производствам итальянских пиротехников в XVI, XVII и XVIII веках. Сегодня многие из крупнейших американских фейерверковых компаний прослеживают свои корни к итальянско-американским семьям. Итальянские представления предпочитали изысканные деревянные сцены — часто плавающие на воде для безопасности и отражения — в то время как немецкие зрелища стреляли фейерверки прямо в небо.

Хотя итальянские мастерские были художественными чудесами, технологии эпохи ограничивали цвет и яркость. Прорыв XIX века пришел с алюминием и магнием, повышающими светимость, и хлористом калия Клода-Луиса Бертолле, который позволил более насыщенные оттенки.

Фейерверки прибыли в Новый мир с ранними поселенцами и отмечали День независимости США с рождения страны. Ранний XX век увидел более крупные, мощные фейерверки, приведшие к более чем 4000 смертям между 1900 и 1930 годами. В ответ федеральные и штатные регуляции появились в 1930-х, классифицируя взрывчатки на Класс А (опасные вещества, такие как динамит и ТНТ), Класс Б (профессиональные фейерверки) и Класс С (малые фейерверки для частного использования). Класс С фейерверки могут содержать не более 50 мг взрывчатки. Некоторые штаты разрешают все класс С фейерверки, другие только «Безопасные и разумные» (те, что не покидают землю), а некоторые полностью запрещают частное использование. Незаконные устройства вроде вишенковых бомб, M-80 и серебряных салютов — запрещенные на уровне страны — продолжают вызывать большинство современных травм от фейерверков.

Пока частное использование остается строго регулируемым, публичные представления стали все более изощренными. Компьютеры точно синхронизируют запуски, позволяя хореографию с музыкой; лазеры добавляют уникальные визуальные эффекты. Сегодня фейерверки производят и демонстрируют по всему миру, особенно в Европе, Латинской Америке, США и Японии.

Сырье

Современная фейерверковая оболочка состоит из пластика, папье-маше или тяжелой бумаги внешнего корпуса, заключающего отсеки, разделенные картоном. У основания находится камера черного пороха, выбрасывающая оболочку из чугунного, алюминиевого, пластикового или тяжелого картонного мортира. Большая камера содержит «звезды» — куски красителей и окислителей, излучающие свет при нагреве. В западных фейерверках звезды смешивают с черным порохом внутри цилиндрического отсека; в азиатских фейерверках звезды окружают центральное ядро черного пороха, производя симметричный взрыв. Камеры вспышечного пороха заменяют черный порох и звезды в определенных устройствах для создания внезапной яркой вспышки и громкого бабаха. Все отсеки запечатывают фитильными нитями — нитями, смешанными с зернами пороха.

Состав черного пороха: нитрат калия (75 %), уголь (15 %), сера (10 %) по весу. Вспышечный порох: хлорат или перхлорат калия, сера, алюминий. Звезды: топливо (уголь, декстрин, красная камедь или металлы вроде алюминия, магния, титана), краситель (напр., алюминий, магний, титан для белого; уголь или железо для оранжевого; натриевые соединения для желтого; медные соединения для синего; карбонат стронция для красного; нитрат или хлорат бария для зеленого), и окислитель (перхлорат калия или перхлорат аммония). Хлор из окислителей реагирует с медными, стронциевыми и бариевыми соединениями, образуя нестабильные хлориды, излучающие характерные цвета.

Процесс производства

Изготовление звезд

• 1. Ингредиенты закупают у химических поставщиков и хранят в запечатанных бочках. При смешивании порошки набирают, взвешивают и дважды просеивают через латунные сита для удаления комков — латунь не генерирует искры. Просеянные порошки распределяют на большом листе бумаги и смешивают вручную или в вращающемся барабане с неподвижными лопатками. Меры предосторожности избегают трения-тепла или застревания порошка.
• 2. Смешанный порошок смешивают с водой для формирования мягкого теста. Части укладывают в большие бумажные деревянные формы, похожие на хлебные буханки, затем утрамбуют деревянным молотком. Мокрое тесто гораздо безопаснее в обращении, чем сухой порошок.
• 3. Буханки (≈35 фунтов / 16 кг каждая) извлекают из форм на картонный верстак, посыпанный черным порохом. Режут в одном направлении для создания пластов, затем в кубики 0,06–2 дюйма (0,16–5 см). Черный порох покрывает мокрые кубики, помогая горению. Кубики оставляют сушиться на бумажных экранах.

Изготовление зарядов (breaks)

• 4. Высушенные кубики становятся звездами. Их переносят в укладку, где полый картонный трубки вставляют в цилиндрический контейнер и звезды насыпают вокруг него. Большой контейнер может вместить до 900 звезд (≈4,4 фунта / 2 кг). Черный порох вливают в полую трубку, затем трубку извлекают, заполняя промежутки между звездами и действуя как мост зажигания. Контейнер, теперь называемый «зарядом» (break), получает бумажную крышку.
• 5. Заряд шипуют, обматывая тяжелой веревкой: большую катушку привязывают к одному концу, наматывают вокруг заряда, затем режут и завязывают. Некоторые заряды строят из усиленного пластика или тяжелого картона вместо шипования. Тайм-фитиль — короткий, медленно горящий фитиль, детонирующий через заданный интервал — вставляют, и заряд обматывают тяжелой бумагой. В пастеризационной комнате бумагу насыщают клеем и сушат ~48 ч, формируя плотную запечатку.
• 6. Салюты (устройства для громкого бабаха) заменяют звезды вспышечным порохом, вливаемым в более толстые, прочные картонные контейнеры для накопления более высокого давления перед разрывом. Салюты затем шипуют и пастят как другие заряды.

Изготовление снарядов (shells)

• 7. Сухие заряды переносят в финишную комнату и собирают в снаряды. Азиатские снаряды — сферические — содержат только один заряд. Западные снаряды — цилиндрические — могут стакать множественные заряды, позволяя многоцветные взрывы. Типичные много-зарядники держат 3–4 цветных заряда плюс салют; более крупные снаряды могут держать до 10 зарядов, а рекордный снаряд содержал 22 заряда. Снаряд собирают стекованием компонентов, прикреплением стартового фитиля (длинный, быстро горящий фитиль для зажигания пускового пороха), обмоткой тяжелой бумагой и связыванием шнуром. Готовые фейерверки маркируют и хранят до использования.

Изготовление малых фейерверков

• 8. Малые фейерверки для частного использования следуют похожему процессу, но проще и содержат меньше взрывчатки. Примеры: петарды (бумажные трубки с малым зарядом), фонтаны (бумажные конусы, выпускающие цветные искры), римские свечи (длинные трубки с множественными малыми звездами, стреляющими последовательно), дымовые шары (одиночное химическое вещество в бумаге или фольге), змеи (дихромат аммония, медленно горящий), бенгальские огни (металлический провод, покрытый суспензией топлива, окислителя, красителя и алюминиевых гранул).

Запуск фейерверков

• 9. Профессиональные представления обычно запускают сами производители. Наземные композиции — наземные дисплеи, формирующие картины или слова с факелами, называемыми лансами — проектируют на миллиметровой бумаге и строят плотники, используя тонкие деревянные планки, сформированные под дизайн. Когда музыка сопровождает шоу, тайминг планируют под темп.
• 10. Часы — или дни — перед событием экипажи прибывают с огнетушителями, аптечками и мортирами, позиционированными в подготовленных ямах или стальных бочках, наполненных песком. Меньшие мортиры стоят на деревянных стойках. Подходящий снаряд загружают, рамы для наземных композиций собирают, лансы крепят, фитили закрепляют. Шоу начинается, когда лансы и мортиры зажигают длинными ручными факелами или электрическими проводами, связанными с центральной коммутационной панелью. После представления экипажи безопасно утилизируют любые неразорвавшиеся заряды.

Контроль качества

Безопасность — первостепенный критерий контроля качества. Фабрики охраняют цепными заборами, колючей проволокой, запертыми воротами, стальными дверями и взломостойкими замками. Внутри многочисленные меры предосторожности снижают риск.

Электричество представляет наибольшую опасность; одна искра может поджечь комнату полную взрывчатки. Все электрические розетки расположены снаружи здания. Рабочие носят 100 % хлопковую одежду, заземляют себя на медной пластине перед входом и носят эластичные ремни с проводами, соединенными с заземляющими стержнями под полом для отвода статического электричества. Если прогнозируется гроза, вся работа останавливается и персонал эвакуируется.

Дополнительные меры безопасности: вся работа ручная для избегания искрообразующих машин; здания отопляют горячей водой, а не горячим воздухом зимой; сооружения малы, чтобы выходы были в один-два шага; выходные двери широко открываются легким прикосновением; взрывчатые химикаты никогда не смешивают влажными; сушки тщательно контролируют для предотвращения выделения газа.