Инженерные боеприпасы

Кумулятивный эффект и ударное ядро.

В настоящее время все, кто хоть немного интересуется военным делом  знают  о существовании так называемых кумулятивных снарядов, которые предназначены для пробивания брони. Общеизвестно о высокой пробивной способности таких снарядов. Даже граната ручного гранатомета РПГ-7 способна пробить 100 мм. брони. Ракеты комплексов ПТУР способны пробивать до 500 м. брони. Казалось бы, что извечный спор брони и снаряда окончательно выигран снарядом. Ведь практически невозможно создать танк с броней такой толщины.

Но как всегда,  на всякое действие есть противодействие. Очень быстро выяснили, что если взрыв снаряда вызвать преждевременно, т.е. на некотором расстоянии от брони, то кумулятивный эффект пропадает и снаряд оказывается не в силах пробить броню.

Борта танков стали защищать тонкими листами металла и даже резины, отнесенным на некоторое расстояние от основной брони.  Главное заставить сработать взрыватель. На это противодействие были изобретены так называемые тандемные снаряды, т.е. в одном снаряде находится два снаряда один за другим. Первый пробивает экран, второй основную броню. На это коварство был найден достойный ответ - активная броня. При воздействии на корпус танка кумулятивной струей, взрываются размещенные на броне контейнеры со взрывчатым веществом, ударная волна которых нейтрализует воздействие кумулятивной струи. Спор снаряда с броней продолжается.

Историческая справка. Открытие кумулятивного эффекта связывают с разработкой взрывных петард, вошедших во всеобщее употребление в горнодобывающей промышленности во второй половине ХVIII века. Горным инженерам уже тогда было известно, что некоторую часть энергии взрыва можно сконцентрировать, если придать заряду соответствующую форму.
В 1792 г.  немецкий минный инженер и естествоиспытатель Франц фон Баадер впервые сфокусировал энергию фугасного заряда, создав в нем полость.
Дальнейшее развитие исследования   кумулятивного эффекта  относится ко   второй половине XIX века.
В 1864 г. русский военный инженер М. М. Боресков выявил повышенный эффект действия у инженерных мин с кумулятивной выемкой и использовал его для разрушения твердых пород при строительстве фортификационных сооружений.
Первые научные работы по исследованию кумулятивного эффекта полых необлицованных зарядов ВВ были опубликованы в Германии М. Ферстеромв 1883 г. и Е. Нейманом в 1914 г., а в Великобритании и США — К. Монро в 1888 г.
В период с 1910 г. по 1914 г. в Великобритании и Германии были получены первые патенты на применение металлических облицовок кумулятивных выемок и использование кумулятивного эффекта в бронебойных снарядах, однако перевести работы в полностью практическое русло для военных целей не удалось до начала Второй Мировой войны.
В России первые систематические исследования явления кумуляции были проведены в 1923-1926 г. г. профессором М. Я. Сухаревским.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований явления кумуляции позволили к началу Второй Мировой войны создать первые образцы боеприпасов, использующих это явление.
В 1939-1943 гг. в Германии были разработаны 37 мм. надкалиберные,  75 мм.  калиберные бронебойные кумулятивные снаряды, 30-мм и 40-мм кумулятивные гранаты, а в  СССР  76 мм. и 122 мм. бронебойные кумулятивные снаряды, тяжелая ручная кумулятивная противотанковая граната РПГ-6, противотанковая противобортовая мина ЛМГ.

Кумулятивный эффект для пробивания брони, бетона, грунта с тех пор использовался и используется очень широко. Однако суть этого явления для многих остается непонятной. Отсюда возникает множество ошибочных и не очень научных теорий и представлений. особенно в части, касающейся использования такой частности кумулятивного эффекта  как "ударное ядро".

Крайне неудачно выбранный термин ("Ударное ядро") этого явления породил многочисленные ошибочные мнения о том, что при взрыве боеприпаса металлическая обкладка кумулятивной выемки складывается в некий твердый стержень, который силой взрыва метается  на расстояние примерно до 50 метров и пробивает броню точно так же как это делает подкалиберный снаряд.

Думается, что нужно предоставить слово ученым. В 2002 году вышла книга "Физика взрыва", написанная авторским коллективом ученых из МВТУ им. Баумана  во главе с профессором доктором физико-математических наук Л.П.Орленко . Думается, что к мнениям ученых, исследовавших это явление, стоит прислушаться.

Глава 17  второго тома называется "Кумуляция" (стр.193-345).

Кумулятивный эффект.

Не имея возможности  изложить все  152 страницы этой главы (да и скучно читателю продираться сквозь частокол формул и сугубо научных формулировок), ограничимся пересказом и цитированием наиболее важных фраз. Впрочем, сомневающимся в точности моего изложения, я готов предоставить всю эту главу из книги.

Начинаем..

Итак, сформулировано точное и четкое понимание термина "кумуляция". Прошу обратить внимание на последнее приложение из которого следует, что пробивное действие кумулятивного заряда многократно возрастает если поверхность выемки покрыть "...сравнительно тонкой металлической облицовкой". Уже одна эта фраза заставляет усомниться в том, что ударное ядро  является чем то подобным сердечнику подкалиберного снаряда.

Далее в тексте говорится о том, что если заряд имеет кумулятивную выемку без металлической облицовки, то кумулятивный эффект, т.е. пробивание происходит либо если заряд установлен вплотную к пробиваемой поверхности, либо на очень незначительном расстоянии. А вот если облицовка имеется, то пробивная способность резко взрастает при расположении заряда на некотором расстоянии и растет по мере увеличения расстояния от заряда до объекта.

Кумулятивный эффект заряда без облицовки.
Если выемка не имеет облицовки, то  эффект кумуляции проявляется в формировании газокумулятивной струи, представляющей собой высокоскоростной направленный поток продуктов взрыва  повышенной плотности энергии (скорость такой струи может превышать даже вторую космическую скорость — 11,2 км/с).
Однако такая газокумулятивная струя имеет относительно низкую эффективность действия по преграде, особенно на некотором удалении от нее, что обусловлено быстрым расширением  взрывных газов вследствие неравномерного распределения по длине струи и наличия поперечных пульсаций в струе. Это приводит к радиальному рассеиванию и быстрому снижению  давления этих газов.

Кумулятивный эффект заряда с металлической  облицовкой.
В присутствии металлической облицовки на поверхности выемки, как уже было отмечено, наблюдается очень резкое усиление кумулятивного эффекта. Несмотря на это обстоятельство, в данном случае сохраняются те же самые  физические особенности, которые характерны для взрыва без облицовки выемки.
Однако картина рассматриваемого явления при этом существенно меняется. В результате экспериментальных и теоретических исследований было установлено, что усиление кумулятивного эффекта при наличии облицовки связано с весьма сильным и своеобразным перераспределением энергии между взрывными газами  и материалом металлической облицовки, а также переходом части металла в кумулятивную струю.
Основная часть энергии активной части заряда   "перекачивается" в металл облицовки так, что оказывается сконцентрированной в его тонком слое, который собственно и образует кумулятивную струю. Вследствие этого достигается значительно большая плотность энергии в струе, чем при подрыве заряда без облицовки выемки.

Как видим, никакого схлопывания металлической оболочки в некий твердый снаряд, который затем метается в цель силой взрыва, не происходит. Металл облицовки становится составным элементом кумулятивной струи.

Как показывают исследования, в частности высокоскоростная   съемка в рентгеновских лучах, в момент взрыва металлическая обкладка кумулятивной выемки   под давлением взрывных газов (20-60 гигопаскалей) собирается в  некую монолитную массу (пест),  имеющую скорость 1-3 км/сек., из которой вперед выходит тонкая металлическая струя, скорость которой в несколько раз выше (9-12 км/сек).

Различие  скоростей головной и хвостовой частей струи приводит к тому, что струя при движении все время растягивается и в конечном счете распадается на отдельные капли.

От автора. Т.е. кумулятивная металлическая струя ведет себя как струя жидкости.   Когда, например, струя воды вырывается  из брандспойта, она цельная, а через несколько метров она уже состоит из отдельных капель. Это все могут  наблюдать. Следовательно, еще раз подтверждается, что ударное ядро не есть некий твердый металлический стержень.

Таблица, приводимая в этой части главы и в которой собраны результаты исследований материалов облицовок из различных материалов и различных толщин, показывает, что например, струя из стали при толщине обкладки 4 мм. имеет скорость 7150 м/сек, тогда как из алюминия при  толщине всего в 1 мм. имеет скорость уже 11000 м/сек.

На скорость кумулятивной струи, а следовательно, на ее энергию оказывает огромное влияние материал обкладки кумулятивной выемки. Так, медь  дает цельную струю длиной в 10 раз превышающую длину облицовки, тогда как сталь   почти вообще не дает цельной струи.  Стальная кумулятивная струя с самого начала фрагментируется.
Проще говоря, нет никакого смысла делать стальную облицовку кумулятивной выемки.

Теперь рассмотрим, каким же образом кумулятивная струя пробивает встретившуюся на е пути преграду (броню, бетон, грунт).

Механизм пробивания преграды кумулятивной струей.

Итак, из вышеприведенного текста ясно, что никакого твердого металлического тела, которое якобы и пробивает броню, при взрыве кумулятивного боеприпаса не образуется.

При встрече кумулятивной струи  с преградой, на границе  возникает очень высокое давление,  в 10-100 раз  превосходящее предел прочности материала преграды. В результате возникающего давления  струя начинает вести себя подобно воде, ударившей в ледяную стенку, т.е. ,ее материал струи растекается в  обратном направлении. Т.е. она приобретает свойства квазижидкости.
Материал преграды также  "вымывается" из зоны высокого давления, причем часть материала выносится вместе с кумулятивной  струей к свободной поверхности (т.е. назад, а другая часть, за счет пластического деформирования, перемещается в радиальном направлении. Таким образом, образуется  углубление (кратер), глубина которого увеличивается пока не будет израсходована вся энергия кумулятивной струи.

На схеме справа, взятой из данной книги, показаны  этапы пробивания преграды металлической кумулятивной струей.

Образно говоря, это напоминает проплавление льда струей воды.

На снимке справа: Разрез металлического бруса пробитого (неполное пробитие)  металлической кумулятивной струей. Из экспозиции военного музея в г.Кобленц (Германия).

В статье я не имею возможности пересказать весь механизм пробивания преграды кумулятивной струей. Это слишком научно и длинно. Замечу лишь, что ученые, исследовавшие это явление, используют формулы гидравлики и результаты расчетов полностью совпадают с экспериментальными данными. Это еще раз доказывает, что кумулятивная струя ведет себя подобно жидкости, а не твердому  телу.

Ударное ядро или поражающий элемент.

На мой взгляд, авторы книги используют более точный термин "Поражающий элемент". Этим термином они обозначают ту часть металлической кумулятивной  струи, которая удаляется от места взрыва боеприпаса на   десятки метров и достигает преграды в нефрагментированном виде и которая выполняет непосредственную работу по пробитию преграды.   Механизм воздействия поражающего элемента на удаленную преграду все тот же самый, что и на расстоянии в несколько десятков сантиметров, описанный выше.

Собственно, кумулятивная струя и ударное ядро это одно и тоже. Просто, открыв явление кумулятивного эффекта на близких расстояниях (сантиметры) никто долго не задавался целью выяснить, а что происходит с кумулятивной струей на расстоянии в несколько десятков метров. По моим предположениям, первыми использовать взрыв кумулятивного боеприпаса для поражения танков в борт  на приличном расстоянии стали французы, приняв на вооружение в 1969 году противобортовую мину MAH mod.F.1.

Действие кумулятивной струи на расстоянии в десятки метров в то время не был изучено в должной мере, что и породило ошибочные представления о механизме воздействия боеприпаса на бронеобъекты на расстояниях в метры и десятки метров, а отсюда появились и странные термины Miznary-Shardin effect и Explosive Shaped Projectile. Эти термины наши переводчики толком перевести не смогли, а из объяснений специалистов, которые тогда и сами толком ничего не понимали и родился крайне неуклюжий термин "ударное ядро", введший очень многих в заблуждение.

По мнению академика М.А.Лаврентьева металл облицовки кумулятивной выемки вследствие огромного давления, развивающегося  в очень короткое время приобретает свойства идеальной несжимаемой жидкости (квазижидкости) и ведет себя в полном соответствии с законами гидродинамики. В том числе и по характеру воздействия на твердую преграду.

Кстати, этим же и объясняется эффект экранирования борта танка относительно тонким резиновым или металлическим щитом. Кумулятивная струя (поражающий элемент или ударное ядро - называйте как хотите), встретившись с экраном,   ведет себя точно также, как и струя жидкости, т.е. фрагментируется и разрушается.
От себя замечу, что сердечник подкалиберного снаряда, т.е. очень твердый стержень с высокой скоростью полета, ведет себя совершенно иначе. Он просто пробивает и экран и борт танка.

Опираясь на теорию академика Лаврентьева,   В.В.Майер  в своей интересной книге  "Кумулятивный эффект в простых опытах" описывает ряд проведенных им опытов с обыкновенной водой, что наглядно показывает эффекты кумулятивного поведения жидкостей.

P.S.
Понимаю, что очень многие, включая моего друга Олега Валецкого, и опираясь на многочисленные публикации, станут доказывать, что кумулятивный эффект и кумулятивная струя это одно, а ударное ядро это нечто совершенно другое.
Однако, прежде чем обрушиваться на меня с критикой "моих заблуждений", прошу внимательно и тщательно прочесть главу 17 "Кумуляция" тома 2 книги авторского коллектива МВТУ им. Баумана  под названием "Физика взрыва".

А буде кто не сможет отыскать сию книгу, то я готов предоставить текст этой самой главы

Источники

1. Инженерные боеприпасы. Руководство по материальной части и применению. Книга первая. Военное издат-во. Москва. 1976г.
2. Л.П.Орленко. Физика взрыва. Том 2. Физматлит. Москва. 2002г.
3. Е.В.Егерс. Артиллерия Вермахта. Tornado. Riga. 1998
4. А.Иванов. Артиллерия Германии во Второй Мировой войне. Нева. Санкт-Петербург. 2003г.
5. В.В.Майер. Кумулятивный эффект в простых опытах. Наука. Москва. 1989г.
6. Экспозиция военного музея в Кобленце.
7. О.Валецкий. Минное оружие. Вопросы минирования и разминирования. Крафт. Москва. 2009г.
8. А.В.Громов и др. Вооружение и техника. Справочник. Военное издательство. Москва. 1984г.
9. М.Сухаревский. Взрывчатые вещества и взрывные работы.Том 1. Государственное техническое издательство. Москва. 1923г.
.10. HDv 285/110 VS-NfD Kampfmittel fuer den Pionierdienst. Koeln, 23. Mai 2003.
11. ZDv 3/701 VS-NfD Sperren und Sprengen. Koeln, 20 November 2006
12. MunitionMerkblatt 1300-0305-1.  Materialamt der Bundeswehr. Sankt Augustin. Juni 2000
13. Field Manual  5-250  (FM 5-250). Explosives and Demolition. Headquarters, Department of the Army, Washington, DC, 15 June 1992
14. Technical Manual 9-1375-213-12 Сhange 19 (TM 9-1375-213-12 С19). Operators and Organizational Maintenance Manual (Including Repair Parts And Special Tools List) for Demolitions Materials. Headquarters, Departament of the Army. Washigton, DC, 1 May 2000.
15. FM 20-32. Mine/Contermine Operations. Headquarters, Department of the Army, Washington, DC, 30 June 1999
16. FM 5-102. Countermobility.   Headquarters, Department of the Army Washington, DC, 14 March 1985

---***---

Главная страница
-инженерные боеприпасы