Кумулятивное действие взрыва

В 1792 году горный инженер Франц фон Баадер (Franz von Baader) высказал предположение, что энергию взрыва можно сконцентрировать на небольшой площади используя полый заряд. Однако, в своих экспериментах фон Баадер использовал чёрный порох который не может взрываться и формировать необходимую детонационную волну. Впервые продемонстрировать эффект применения полого заряда удалось лишь с изобретением высокобризантных взрывчатых веществ. Это сделал в 1883 году изобретатель Макс фон Фёрстер (Max von Foerster).

Повторно открыл кумулятивный эффект, исследовал и подробно описал его в своих работах американец Чарльз Манро (Charles Edward Munro) в 1888 году.

Значительный вклад в теорию кумулятивного эффекта внесли русские учёные М. Я. Сухаревский, М. А. Лаврентьев, Е. И. Забабахин, Г. И. Покровский, Ф. А. Баум и другие.

В 1938 году Франц Томанек (Franz Rudolf Thomanek) в Германии и Генри Мохоупт (Henry Hans Mohaupt) в США независимо друг от друга открыли эффект увеличения пробивной способности путем применения металлической облицовки конуса.

Кумулятивный эффект, кумуляция (от лат. Cumulo - накапливаю) - это усиление действия взрыва путем его концентрации в заданном направлении. Кумулятивный эффект достигается применением заряда с кумулятивной выемкой, обращенной в сторону поражаемого объекта.

На характер распределения энергии взрыва в пространстве существенное влияние оказывает форма заряда, место расположения и направление действия детонатора, а также качества оболочки, в которой помещается взрывчатое вещество.

Если в шашке бризантного ВВ образовать выемку в виде воронки конической формы и подорвать эту шашку со сторо­ны, противоположной выемке, то действие взрыва окажется направленным и толщина преграды, пробиваемой взрывом такой шашки, будет значительно больше, чем при взрыве шашки того же веса, но без воронки.

Это явление получило наименование направленного взрыва или кумулятивного эффекта. Оно широко используется в кумулятивных снарядах, минах, в ручных противотанковых гранатах.

При взрыве поток газов и ударная волна распространяются по перпендикуляру к поверхности ВВ (рис.6).

Рис.6. Схема действия кумулятивного заряда 1 –детонатор; 2 – ВВ; 3 – кумулятивная выемка; dзар. – диаметр заряда; fстр. – фокусное расстояние.

В кумулятивной выемке благодаря её конической форме образуется сходящийся поток концентрирующийся в некотором «фокусе». Вследствие сосредоточения и столкновения струй образуется мощный уплотнённый осевой поток имеющий очень большую скорость, дости­гающую 12…15 км/с, в то время как со стороны плоских поверхностей шашки ВВ скорость распространения газов не превышает 4…5 км/сек.

Фокусное расстояние, на котором достигается наибольшая плотность продуктов взрыва в кумулятивной струе, зависит от формы выемки (геометрии воронки) и свойств ВВ, главным образом от скорости детонации. Чем меньше кривизна кумулятивной выемки и меньше скорость детонации ВВ, тем больше фокусное расстояние. Как правило, размеры кумулятивной струи имеют следующую взаимосвязь с диаметром заряда:

, где f _стр - фокусное расстояние; d _стр – диаметр струи; d _зар- диаметр заряда.

Следовательно, в кумулятивных зарядах происходит перераспределение энергии таким образом, что значительная её часть оказывается в осевом потоке, направленном в сторону преграды. Концентрированный удар газов способен пробивать броню значительной толщины, разрушать бетон и камень.

Представление об энергии кумулятивной струи можно полу­чить из следующего сравнения: 0,5 кг газов, движущихся со скоростью 10000 м/сек, имеют такую же энергию, как и снаряд весом 50 кг, движущийся со скоростью 1000 м/сек.

Кумулятивное действие проявляется наиболее сильно, если на внутренней поверхности конической выемки поместить тонкий слой металла. Толщина облицовки в зависимости от диаметра заряда варьируется от долей миллиметра до нескольких миллиметров.

На рисунке 7 показаны последовательные стадии процесса обжатия детонационной волной металлической облицовки конической кумулятивной воронки. Под действием давления детонационной волны (см. слева - направо) облицовка начинает двигаться к центру, как бы обжимаясь и смыкаясь (происходит т.н. схлопывание). После смыкания металл облицовки формирует две зоны — большой по массе (порядка 70-90 %) медленно двигающийся «пест» и меньшую по массе (порядка 10-30 %) тонкую (порядка толщины облицовки) гиперзвуковую (8-10 км/с) металлическую струю, перемещающуюся вдоль оси, образуя иглу.

Рис.7. Последовательные стадии формирования кумулятивной струи 1 – положение фронта детонации; 2 – пест; 3 – струя.

Давление продуктов взрыва, достигающее ~ 10¹⁰ н/м² (10⁵ кгс/см²), значительно превосходит предел прочности металла. Поэтому движение металлической оболочки под действием продуктов взрыва подобно течению жидкой плёнки (подчеркнём, что течение металла не связано с его плавлением - температура кумулятивной струи составляет всего 200-600ºС, а вызвано чрезвычайно высокой механической нагрузкой). Движущийся металл образует сходящийся под определённым углом к оси конуса поток, который переходит в тонкую (порядка толщины оболочки) металлическую струю, перемещающуюся вдоль оси с очень большой скоростью (~ 10 км/ceк).

Действие этой струи и обусловливает высокую пробивную способность взрыва кумулятивного заряда. Высокоскоростная струя пробивает стальную броню подобно тому, как мощная струя воды проникает в мягкую глину.

Так как скорость кумулятивной струи превышает скорость звука в металле, то струя взаимодействует с бронёй по гидродинамическим законам, то есть они ведут себя как при соударении идеальных жидкостей. Прочность брони в её традиционном понимании в этом случае практически не играет роли, а на первое место выходят показатели плотности и толщины бронирования.

Теоретическая пробивная способность кумулятивных снарядов пропорциональна длине кумулятивной струи и квадратному корню отношения плотности облицовки воронки к плотности брони. Практическая глубина проникновения кумулятивной струи в монолитную броню у существующих боеприпасов варьируется в диапазоне от 1,5 до 4 калибров (значительно больше, чем у обычных боеприпасов).

Использование заряда с кумулятивной выемкой, но без металлической облицовки, снижает кумулятивный эффект, так как вместо металлической струи действует струя газообразных продуктов взрыва. Но при этом достигается значительно более разрушительное заброневое действие.

Кумулятивный эффект используется в артиллерийских и реактивных боеприпасах не только для пробивания, но и для инициирования разрывных зарядов обычных ВВ и возбуждения термоядерных цепных реакций. Широкое применение кумулятивные заряды нашли в подрывных работах для пробития больших толщ, прочных сооружений и перерезания толстых металлических листов.

Кумулятивные боеприпасы впервые были применены в боевых условиях 10 мая 1940 г. при штурме форта Эбен-Эмаль (Бельгия). Тогда для подрыва укреплений диверсионным отрядом использовались переносные заряды в виде полусфер весом до 50 кг.

Одним из неприятных сюрпризов лета 1941 года для танкистов РККА стало применение войсками Германии кумулятивных снарядов и гранат. На подбитых танках обнаруживались пробоины с оплавленными краями, поэтому снаряды получили название «бронепрожигающих». 23 мая 1942 года на Софринском полигоне были проведены испытания снаряда к 76-мм полковой пушке, разработанного НИИ-6 на основе трофейного немецкого снаряда. По результатам испытаний 27 мая 1942 года первый советский кумулятивный снаряд БП-353А принят на вооружение.

В 1950-е годы был достигнут огромный прогресс в понимании принципов формирования кумулятивной струи. Многие из обнаруженных в те далекие годы явлений изучаются до настоящего времени.

Дата добавления: 2015-07-08