800px-M113_damage

Представляем вашему вниманию очередной материал любителя-эксперта аналитической группы «Истиглал» по бронетехнике Эльдара Ахундова на тему кумулятивных боеприпасов. Уверены, что читатели узнают для себе много интересного и полезного, как это часто бывает в нашем разделе появященном вооружениям.

В настоящее время почти все кто интересуется военной техникой знают о существовании так называемых кумулятивных снарядов, ракет, мин и т.д. Но мало кто вникает в принцип действия и другие подобные детали. В этой статье мы попытаемся изложить в более — менее простой и понятной форме принципы действия и факторы, которые определяют эффективность кумулятивных боеприпасов. Вся имеющаяся информация по кумулятивным снарядам заняла бы размер нескольких  книг, поэтому эта статья является упрощенной.

Перед тем как вы начнете читать статью рекомендуем просмотреть это наглядное видео:

Впервые возможность создания кумулятивного заряда предположил в 1792 году немецкий горный инженер Франц фон Баадер. Предположение было в том, что энергию взрыва можно сконцентрировать преимущественно в одном направлении и на небольшой площади при особой форме заряда с выемкой внутри. Этот потенциальный эффект планировалось использовать для пробития глубоких дыр в твердых скальных породах. Однако в своих экспериментах Баадер использовал чёрный порох, который просто не обладал необходимыми свойствами (мощность, скорость детонационной волны и т.д.). Как  результат, эти эксперименты не увенчались успехом.

Продемонстрировать эффект применения кумулятивного заряда удалось только после изобретения  т.н. высокобризантных  взрывчатых веществ, таких как тротил или гексоген, у которых высокая скорость детонационной волны. На Западе это впервые сделал в 1883 году немецкий военный инженер, изобретатель и предприниматель Макс фон Фёрстер. По некоторым данным русский военный инженер генерал Михаил Матвеевич Боресков открыл кумулятивный эффект раньше, и еще в 1864 году впервые применил заряд с выемкой для проведения саперных работ.

Повторно кумулятивный эффект был открыт, исследован и достаточно подробно описан в 1888 году американцем Чарльзом Монро, и с тех пор кумулятивный эффект так и прозвали в научных кругах — эффектом Монро.

Первые патенты на бронебойные кумулятивные боеприпасы были выданы в 1910 году в Германии и в 1911 году в Англии.

Вторая Мировая Война положила начало широкому применению различных видов нового и до тех пор неизвестного смертоносного вооружения. Кумулятивные боеприпасы не стали исключением. И хотя, как мы уже знаем, они и были созданы задолго до Второй Мировой, именно в ней они начали широко применяться на полях сражений — вполне логиччно ввиду роли и места бронетехники на полях сражений от Сталинграда до Арденн.

Первое и весьма успешное применение кумулятивного заряда состоялось  в мае 1940 года при штурме немецкими десантниками бельгийского укрепленного форта Эбен-Эмаэль. Мощные бетонные огневые точки форта уничтожались специальными саперными кумулятивными зарядами. Фактор внезапности, отлично проведенная разведка, превосходная подготовка немецких парашютистов, и конечно же новые кумулятивные заряды (как и применение воздушных планеров для высадки десанта) привели к тому что, гарнизон крепости капитулировал через сутки после начала штурма. Кстати несмотря на численное превосходство в несколько раз.

Ebn Emal

Слева: Бетонный купол разрушенный взрывом кумулятивного заряда. Форт Эбен-Эмаэль. В центре взрывной воронки виден пролом, пробитый кумулятивной струей. Точная масса примененного заряда неизвестна. Источник (Википедия). Справа: Саперный кумулятивный заряд весом 13.5 кг. Существовали как легкие, так и более тяжелые версии этого заряда в 50 кг. Видны складывающиеся ножки для установки. Так же ножки нужны для выдерживания расстояния от заряда до пробиваемой преграды (т.н. фокусное расстояние). Подробнее об этом позже. Источники: Википедия, Handbook of German Military Forces.

Наиболее важное значение кумулятивный заряд приобрел с разработкой легкого переносного противотанкового гранатомета. И если раньше кумулятивный заряд применялся лишь в саперных и артиллерийских снарядах, а также в авиабомбах, то его переработка в пехотный вариант открыла новую эру в развитии противотанкового оружия. Это значительно сместило баланс борьбы «броня — снаряд» в сторону снаряда так как практически любой обученный мальчишка, вооруженный простым и неприхотливым гранатометом уже представлял собой серьезную опасность для танка.

Первым таким серийным ручным противотанковым гранатометом был американский многоразовый гранатомет Базука (Bazooka). Базука являлся результатом работ по созданию противотанкового ракетного оружия в США, которые начались еще в 1930-х годах. Он начал применяться армией США против немецких танков с 1942 года в боях в Северной Африке.

bazooka

М1 Базука (США). Рядом два типа боеприпасов: кумулятивный и осколочно-фугасный. Источник: Википедия.

Германия разработала свой гранатомет под названием Фаустпатрон (Faustpatron) в 1942 году, и впервые применила его в 1943 году на Восточном фронте. По некоторым данным, немцы остались под впечатлением от американских Базук и решили разработать свой гранатомет. По другим данным, что более вероятно, гранатомет был создан независимо от американской разработки так как в Германии уже долгое время шли работы над противотанковым пехотным вооружением, и к началу войны уже были определенные теоретические и практические наработки. В пользу этого говорит еще то что в отличие от Базуки, Фаустпатрон одноразовый и имеет другую и значительно более простую конструкцию. Он был проще в применении, не требовал специально обученного расчета. За время Второй Мировой войны Германия выпустила больше 8 миллионов одноразовых гранатометов всех моделей.

faust

Семейство одноразовых противотанковых гранатометов производства Германии в годы Второй Мировой войны. Panzerfaust Klein изначально и назывался Фаустпатроном. Одним из его недостатков была возможность рикошета от наклонной брони. В следующих моделях этот недостаток был устранен благодаря тупоголовой форме головной части. Цифровой номер показывал прицельную дистанцию. Панцерфауст 150 представлял собой опытную версию гранатомета и не производился серийно. Кстати советские солдаты, не разбираясь в тонкостях моделей, называли все подобные гранатометы просто Фаустпатронами. 

PTAB

Противотанковая авиационная бомба ПТАБ, 1942 год (СССР). 1 – взрывчатое вещество; 2 – кумулятивная облицовка. Истоник: Topwar.ru. 

Дальнейшее развитие подобного оружия привело к созданию противотанковых управляемых ракет (ПТУР) выстреливаемых из противотанковых ракетных комплексов (ПТРК). Первые эксперементы в этом направлении были проведены опять же немцами в 1943 — 1944 годах. После Второй Мировой войны подобные ракеты появились практически на всех возможных носителях вооружений, начиная от бронемашин и заканчивая современными легкими ударными беспилотниками и вертолетами. В наше время кумулятивные боеприпасы являются основным средством борьбы с бронетехникой.

Каков принцип действия кумулятивного снаряда? В кумулятивном снаряде взрывчатое вещество размещено вокруг пустого металлического конуса, называемого так же воронкой или облицовкой.

wiki

Устройство кумулятивного снаряда: 1 — аэродинамический обтекатель. 2 — воздушная полость. 3 — облицовка. 4 — детонатор. 5 — заряд взрывчатого вещество (залитый расплав или пластичный). 6 — взрыватель. Источник: Википедия. 

Детонация начинается от вершины конуса к его основанию. Огромное давление взрыва начинает деформировать (обжимать) металлическую облицовку с большой скоростью по направлению к центральной оси заряда. Части металлической облицовки конуса сталкиваются в центре конуса. Из-за огромного давления, в разы превышающего все возможные пределы прочности и текучести металла облицовки, он теряет свои прочностные связи в структуре и просто «течет» как жидкость в виде длинной и тонкой струи, которая и называется кумулятивной струей. Т.е., фактически материал облицовки в этот момент ведет себя как жидкость, при этом сам по себе жидкостью не являясь. Называется такое состояние вещества квазижидкостью.

Металл облицовки, кстати, при этом не плавится, ибо в среднем температура кумулятивной металлической струи около 300-500 градусов. Струя растягивается в полете с дальнейшим уменьшением ее диаметра. Происходит это потому что головная часть струи имеет скорость около 8 — 12 км/сек, а хвостовая около 2 км/сек и  соответственно отстает при полете. Большая часть масссы облицовки переходит в хвостовую часть (пест).

В пробитии участвует головная часть, а низкоскоростной пест этом случае практически не оказывает влияние. При длине струи больше чем 5 — 8 диаметров воронки (в зависимости от характеристик и конструкции  заряда) струя теряет стабильность и начинает распадаться на отдельные фрагменты.

step by step

Схематическое изображение процесса образования кумулятивной струи. Подрыв — начало обжатия воронки — образование струи (выдавливание материала воронки наружу) — растягивание струи — головная тонкая высокоскоростная часть отделилась от хвостовой части и ушла вперед (10 — 12 км/сек) — видна хвостовая более толстая часть (пест), но двигается она с низкой скоростью (около 2 км/сек). Источник: Popmech.ru.

Кумулятивная струя обладает огромной кинетической энергией, и большая ее часть расходуется на пробитие брони. Контактное давление в точке ударения струи по броне огромно и создает нагрузки во много раз выше чем все возможные пределы прочности в металле брони. Металл брони в точке попадания ведет себя так же, как и металл облицовки, о чем уже написано выше. Он «течет«. Привычные характеристики металлов известные нам в статическом (спокойном) состоянии, такие как твердость, гибкость или механическая прочность просто перестают иметь значение в подобных условиях. Металл брони не прожигается и не плавится, как ошибочно кажется, а просто «вымывается» («расплескивается») в стороны от точки попадания. По этой причине края отверстия в броне имеют оплавленный внешний вид.

Кстати, по этой же причине одно из старых и ошибочных названий кумулятивного снаряда «бронепрожигающий».

rentgen

Импульсный рентгеновский снимок момента подрыва кумулятивного заряда.

Слева — до подрыва. Справа — момент подрыва. 1 – броня. 2 – кумулятивный заряд. 3 – кумулятивная выемка (воронка) с металлической облицовкой. 4 – газообразные продукты детонации заряда и ударная волна. 5 – хвостовая низкоскоростная часть- пест. 6 – головная высокоскоростная часть струи, пробившая броню. 7 – вынос материала брони в стороны из точки попадания струи.

hit

Схематичное изображение момента попадания и пробития металлической  преграды кумулятивной струей. 1 — Струя в полете и броня до контакта. 2 — попадание струи в броню, видно, как бы «расплескивание» материала струи и брони в стороны и наружу. 3 — процесс продолжается, струя уже короче по длине так как расходуется на преодоление сопротивления преграды, то есть передают часть своей энергии броне. 4 — видно отверстие, пробитое струей. Мощности заряда в этом примере недостаточно для сквозного пробития преграды, поэтому вся  струя просто израсходовалась на пробитие углубления. Остатки материала кумулятивной струи «размазаны» на внутренней поверхности пробитого отверстия. Источник: Otvaga2004.ru. 

Использование заряда с кумулятивной выемкой, но без металлической облицовки значительно снижает кумулятивный эффект и пробиваемость. Причина этого кроется в том, что вместо металлической струи высокой плотности действует струя газообразных продуктов взрыва (газовая кумулятивная струя), которая быстро рассеивается в окружающем пространстве.

Главными факторами от которых зависит эффективность кумулятивного боеприпаса являются:

Параметры взрывчатого вещества.Вот, например, данные экспериментов с черным порохом и ТНТ, о которых было написано в начале статьи:

factor 1

Таблица свойств некоторых взрывчатых веществ для кумулятивных зарядов. Верхняя таблица для чистых веществ. Как видно из таблицы CL20 — самое мощное взрывчатое вещество… и самое дорогое. В кумулятивных зарядах, как правило, применяются смеси различных взрывчатых веществ с примесью других ингредиентов в разнообразных порциях. Источник: Muctr.ru. 

Свойства материала облицовки (плотность, твердость, механическая прочность, тип материала и т.д.). 

Кумулятивную облицовку стараются делать из плотного и одновременно пластичного (мягкого) металла. Большая плотность металла нужна для увеличения кинетической энергии кумулятивной струи. Пластичность и низкая прочность нужна для облегчения деформации металлической облицовки взрывом (и меньших затрат энергии). В качестве материалов для воронки обычно применяют сплавы на основе меди. Есть даже образцы с более плотными, но редкими и дорогими материалами, как тантал или даже обедненный уран.cone

Металлические облицовки перед их установкой в заряд. Источник: Voennoe-obozrenie.ru. 

Интересный факт. Последнее предложение про обедненный уран в качестве облицовочного материала, может вызвать у читателя вопрос — так как он применяется в качестве основного материала для бронебойных подкалиберных снарядов и композитных броневых плит (например, танк М1 Абрамс). Но надо учесть то что в качестве защитного материала обедненный уран применяется в специально обработанном закаленном, упрочненном виде. А сам по себе чистый и не обработанный обедненный уран достаточно пластичке и малопрочен, при этом обладающий очень большой плотностью среди металлов, что делает его хорошим вариантом для материала облицовок.

Конструкция и геометрия заряда (диаметр — калибр, угол при вершине облицовки (угол раскрытия конуса выемки), толщина стенок облицовки, разностеность и , наличие  специальных фокусирующих элементов  и т.д.). 

Малый угол раскрытия конуса (глубокая выемка) обеспечивает более длинную и высокоскоростную струю. Пробиваемость при этом максимальная. Но чересчур малый (острый) угол приводит к слишком тонкой струе, которая быстро рвется на части и менее стабильна. При слишком большом же угле раскрытия конуса большая часть его состава уже переходит в хвостовую часть струи которая при меньшей скорости (около 2 — 2.5 км/сек и даже выше) более стабильна на больших дистанциях от заряда до преграды (от 100 и больше  калибров) То есть фактически представляет собой заряд с дальнобойным кумулятивным эффектом. Такие кумулятивные заряды называются «ударное ядро». Но при этом значительно понижается бронепробиваемость такого заряда. Подобные заряды с эффектом «ударного ядра» применяются в противобортовых и крышебойных снарядах. К примеру — кассетные кумулятивные элементы поражающие танк сверху или противобортовые мины устанавливаемые на обочине дороги.

large angle

Процесс формирования элемента «ударное ядро». Обратите внимание на большой угол раскрытия кумулятивной облицовки. Источник: Studopedia.ru. 

Слишком тонкая облицовка дает тонкую струю которая быстро распадается. Слишком толстая мешает формированию кумулятивной струи вплоть до невозможности создания кумулятивного эффекта. Оптимальное соотношение толщины облицовки к ее диаметру рассчитывается индивидуально в зависимости от конструкции.

Фокусное расстояние.

Фокусное расстояние — это расстояние от основания воронки до пробиваемой преграды, на котором кумулятивная струя является полностью сформированной, обладает максимальной длинной (вытянута), и еще не начала распадаться на отдельные компоненты. То есть и у нее максимальная эффективность и пробивная способность. Поэтому используются разные типы геометрии снаряда и разные наконечники, которые вызывают детонацию заряда на определенном фокусном расстоянии от брони. При слишком близком взрыве к броне кумулятивная струя просто не успеет сформироваться и как результат пробиваемость ее значительно снижается. При слишком дальнем подрыве от брони струя уменьшает свою эффективность. В видео вначале статьи это хорошо показано. В этом и состоит эффект установки экранов или преград на определенном расстоянии от брони. Заряд подрывается на расстоянии далеким от фокусного и тем самым его эффективность падает. Тут результат зависит от расстояния экрана от брони, а также параметров самого заряда. Фокусное расстояние отличается у разных типов кумулятивных боеприпасов и рассчитывается индивидуально исходя из параметров заряда.

focus

Слева направо: а — сплошной заряд без выемки и глубина пробитой преграды. б — тот же заряд на расстоянии (пробития нет). в — заряд с кумулятивной выемкой без металлической облицовки и пробитое им отверстие. г — тот же заряд на расстоянии (пробития нет так как газовая кумулятивная струя быстро рассеивается). д — тот же заряд только с металлической облицовкой. е — тот же заряд на фокусном расстоянии, пробитая преграда. Источник: Studopedia.ru. 

Производственные погрешности. Это могут быть дефекты конуса/облицовки, дефекты в материалах, неровности, кривизна облицовки, разница по массе и толщине взрывчатого вещества вокруг конуса и т.д.

Вращение.

Вращение снаряда с высокой частотой негативно влияет на формирование кумулятивной струи и в разы уменьшает эффект по сравнению с неподвижным зарядом. При быстром вращении большая угловая скорость стремится развести части струи в стороны в процессе ее формирования. Для каждого снаряда в зависимости от конструктивных особенностей существует определенная угловая скорость вращения, превышение которой ведет к существенному негативному эффекту.  Это относится к снарядам стабилизируемым в полете вращением — как например при выстреле из нарезных пушек. Одна из главных причин перехода на гладкоствольные танковые пушки была слабая эффективность кумулятивных снарядов нарезных орудий. Были разработаны и запущены с серийное производство 105 и 120 мм снаряды для нарезных орудий стандарта НАТО, которые отличаются установкой внутреннего заряда на специальных подшипниках. Таким образом кумулятивная облицовка внутри снаряда находится в относительном покое или вращается слабо, что не влияет на пробивные характеристики снаряда. Но такие снаряды обладают усложненной конструкцией и ценой.

OBUS-G

Пример французского снаряда «Obus G» для нарезного орудия калибра 105 мм. Виден двойной корпус. Внутренний корпус установлен на двух подшипниках (выделены красным). Источник: Forum.worldoftanks.com.

Продолжение следует.

Эльдар Ахундов

Аналитическая группа «Истиглал»

Реклама
- комментарии
  1. […] Кумулятивные боеприпасы — часть первая […]

    Нравится

  2. […] Кумулятивные боеприпасы — часть первая […]

    Нравится

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s