Ученые проверяют средневековые рецепты пороха на копии пушки XV века

Порох - в отличие от современного бездымного пороха - в наши дни мало используется в современном оружии, хотя он по-прежнему полезен для исторического оружия и остается популярным для фейерверков и другой пиротехники. Междисциплинарная команда химиков и историков хотела узнать больше о том, как различные рецепты пороха развивались на протяжении веков, когда мастера-артиллеристы настраивали основные компоненты для достижения лучших результатов. Исследователи не только описали свои выводы, но даже проверили несколько рецептов, выпустив точную копию каменной пушки 15-го века на полигоне Вест-Пойнт.

Порох, также известный как черный порох, с химической точки зрения достаточно прост. Это смесь серы и древесного угля (углерода), которые служат топливом, и нитрата калия (KNO 3), окислителя, также известного как селитра. Впервые он использовался для ведения войны около 904 г. н.э. в Китае, а к концу 13 века распространился по Европе и Азии. Современные рецепты черного пороха требуют 75% селитры, 15% древесного угля и 10% серы. Но средневековые артиллеристы на протяжении веков экспериментировали со множеством различных рецептов, многие из которых включали такие добавки, как камфора, лак или бренди, назначение которых до сих пор неизвестно.

К концу 14 века производители обнаружили, что можно улучшить характеристики пороха с помощью процесса мокрого измельчения, называемого «корнинга». Какая-то жидкость (часто дистиллированный спирт) добавлялась, когда другие ингредиенты измельчались вместе, давая влажную пасту. Паста скатывалась в шарики, а затем сушилась, и эти шарики дробились в ступе стрелком прямо перед ее использованием.

Так называемый серпантинный порох с сухой смесью чаще всего использовался в Европе в 15 веке. Стандартная процедура включала измельчение ингредиентов вместе с помощью ступки и пестика, а измельчение этих ингредиентов до мелкого порошка могло занять до 24 часов. Чем меньше размер частиц и чем тщательнее перемешивание, тем быстрее и эффективнее будет гореть порох.

Соавторы Доун Ригнер и Клиффорд Роджерс, химик и историк, соответственно, из Военной академии США (также известной как Вест-Пойнт), решили проанализировать энергию, выделяемую непосредственно перед и во время сгорания при помощи различных рецептов пороха средневековья. Вместе с другими соавторами они надеялись лучше понять цель создания различных составов и узнать больше о технических деталях ранних процессов производства пороха.

Во-первых, они определили более 20 различных рецептов, записанных в средневековых текстах между 1336 и 1449 годами нашей эры, и следовали этим рецептам, чтобы сделать свои собственные партии пороха. Они использовали дифференциальную сканирующую калориметрию, чтобы измерить начало горения (предварительное зажигание) и скорость распространения горения, а также проанализировали остатки для каждого из рецептов для определения эффективности горения. Команда также сравнила различные методы подготовки образцов и эффективность рецептов с добавками и без них, а также провела эксперименты с пушкой на дальность.

Команда обнаружила, что между 1338 и 1400 годами нашей эры рецепты увеличили процент селитры и уменьшили количество древесного угля. Это привело бы к снижению теплоты сгорания, но также было бы безопаснее для средневековых артиллеристов на поле боя. После 1400 года наводчики немного изменили относительные компоненты, немного уменьшив селитру и заметно увеличив содержание серы и древесного угля, возможно, чтобы найти оптимальный баланс между безопасностью стрелка и теплотой сгорания.

«Было высказано предположение, что одна из причин, по которой рецепты пороха менялись с течением времени, - это потребность в более безопасных рецептах, которые не подвергали бы опасности средневековых артиллеристов и не наносили ущерба пушкам», - пишут авторы. 

Тот факт, что два старейших рецепта, которые они проверили, имели самую высокую температуру сгорания, похоже, подтверждает эту гипотезу. 

«Артиллеристы, возможно, прекратили использовать эти рецепты, потому что у них был такой высокий уровень термодинамической активности», - добавили они.

Что касается добавок, большинство из них не привело к заметному увеличению производимой энергии, за исключением комбинации камфоры и хлорида аммония. Авторы предполагают, что вода или бренди, например, могли служить какой-то другой цели, которую, возможно, покажут дальнейшие исследования.

«Очевидно, что средневековые мастера-артиллеристы выработали, по крайней мере в некотором отношении, твердое практическое понимание переменных, которые влияли на эффективную выходную мощность, получаемую от пороховых зарядов, включая чистоту ингредиентов, разновидности древесного угля, размер зерна и методы смешения», - пишут авторы. «Они понимали, например, что пушечное ядро было брошено давлением газа, а не пламенем, и что ивовой уголь, приготовленный в закрытом контейнере, намного превосходит дубовый уголь, сделанный в традиционной яме».

Однако ученые также отметили, что прогресс в достижении идеального соотношения ингредиентов был медленным, иногда делая шаг назад, что они связывают с физическими изменениями, происходящими в артиллерии, использованной за тот же период (размер орудия, типы выстрелов и пороховой заряд, например).

По мнению авторов, необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, какой рецепт лучше всего подходит для конкретных исторических контекстов. Они планируют провести дальнейшие исследования с использованием различных методов, которые помогут им сравнить площадь поверхности и расстояние между ингредиентами в различных рецептах, что должно пролить больше света на средневековые методы обработки, пишет ARSTechnica.