Кумулятивный снаряд. Танковые боеприпасы

Кумулятивные боеприпасы – это особый вид снарядов, ракет, мин, ручных гранат и гранат для гранатометов, предназначенный для поражения бронированной техники противника и его железобетонных фортификационных сооружений. Принцип их действия основан на образовании после взрыва тонкой, узконаправленной кумулятивной струи, которая прожигает броню. Кумулятивный эффект достигается за счет особой конструкции боеприпасов.

В настоящее время кумулятивные боеприпасы являются наиболее распространенным и самым эффективным противотанковым средством. Массовое применение подобных боеприпасов началось во время Второй мировой войны.

Широкому распространению кумулятивных боеприпасов способствует их простота, низкая стоимость и необычайно высокая эффективность.

Немного истории

С момента появления танков на поле боя сразу встал вопрос об эффективных средствах борьбы с ними. Идея использовать артиллерийские орудия для уничтожения бронированных монстров появилась практически сразу, пушки начали широко применяться для этой цели еще во время Первой мировой войны. Следует отметить, что идея создать специализированное противотанковое орудие (ПТО) впервые пришла в голову немцам, но сразу реализовать ее на практике они не смогли. До самого окончания Первой мировой войны против танков весьма успешно использовали самые обычные полевые орудия.

В промежутке между двумя мировыми бойнями разработками в области создания специализированной противотанковой артиллерии занимались практически во всех крупнейших военно-промышленных державах. Результатом этих работ стало появление большого количества образцов ПТО, которые довольно успешно поражали танки того времени.

Так как броня первых танков защищала в основном от пуль, то справиться с ней могла даже пушка небольшого калибра или противотанковое ружьё. Однако перед самой войной в разных странах начали появляться машины следующего поколения (английские «Матильды», советские Т-34 и КВ, французские S-35 и Char B1), оснащенные мощным двигателем и противоснарядной броней. Эту защиту ПТО первого поколения пробить уже не могли.

В качестве противодействия новой угрозе конструкторы стал увеличивать калибр ПТО и повышать начальную скорость полета снаряда. Подобные меры в несколько раз увеличили эффективность пробития брони, но имели и значительные побочные эффекты. Орудия стали тяжелее, сложнее, повысилась их стоимость и резко снизилась маневренность. Немцы отнюдь не от хорошей жизни использовали против советских «тридцатьчетверок» и КВ 88-мм зенитные орудия. Но далеко не всегда их можно было применить.

Нужно было искать другой путь, и он был найден. Вместо того, чтобы увеличивать массу и скорость бронебойной болванки, были созданы боеприпасы, которые обеспечивали пробитие брони за счет энергии направленного взрыва. Такие боеприпасы получили название кумулятивных.

Исследования в области направленного взрыва начались еще в середине XIX столетия. На лавры первооткрывателя кумулятивного эффекта претендуют сразу несколько человек в разных странах, которые занимались работами в этом направлении примерно в одно и то же время. Первоначально эффект направленного взрыва достигался за счет использования специальной конусообразной выемки, которую изготавливали в заряде взрывчатого вещества.

Работы проводились во многих странах, однако практического результата первыми добились немцы. Талантливый немецкий конструктор Франц Томанек предложил использовать металлическую облицовку выемки, которая сделала кумулятивный заряд еще более эффективным. В Германии эти работы начались еще в середине 30-х годов, и к началу войны кумулятивный снаряд уже стоял на вооружении германской армии.

В 1940 году по другую сторону Атлантики швейцарский конструктор Генри Мохаупт создал реактивную гранату с кумулятивной боевой частью для армии США.

В начале войны советские танкисты столкнулись с новым видом немецких боеприпасов, которые стали для них весьма неприятным сюрпризом. Немецкие кумулятивные снаряды при попадании прожигали танковую броню и оставляли пробоины с оплавленными краями. Поэтому их и назвали «бронепрожигающими».

Однако уже в 1942 году кумулятивный снаряд БП-350А появился и на вооружении Красной армии. Советские инженеры скопировали немецкие трофейные образцы и создали кумулятивный снаряд для 76-мм пушки и 122-мм гаубицы.

В 1943 году на вооружении Красной армии появились кассетные противотанковые кумулятивные бомбы ПТАБ, которые предназначались для поражения верхней проекции танка, где толщина брони всегда меньше.

Также в 1943 году американцы впервые применили противотанковый гранатомет «Базука». Он был в состоянии пробить 80-мм броню на расстоянии 300 метров. Немцы с большим интересом изучили трофейные образцы «Базук», вскоре на свет появилась целая серия немецких гранатометов, которые у нас традиционно называются «Фаустпатронами». Эффективность их использования против советской бронетехники до сих пор является вопросом весьма дискуссионным: в некоторых источниках «Фаустпатроны» называют чуть ли не настоящим «чудо-оружием», а в других - справедливо указывают на их низкую дальность стрельбы и неудовлетворительную кучность.

Немецкие гранатометы были действительно весьма результативны в условиях городского боя, когда гранатометчик мог вести стрельбу с ближних дистанций. При других обстоятельствах подобраться к танку на расстояние эффективного выстрела у него было не так много шансов.

Также немцами были разработаны специальные противотанковые магнитные кумулятивные мины Hafthohlladung 3. Пользуясь «мертвым пространством» вокруг танка, боец должен был приблизиться к машине и укрепить мину на любую гладкую поверхность. Подобные мины довольно эффективно пробивали танковую броню, но приблизиться к танку вплотную и установить мину было весьма непростым заданием, это требовало от солдата огромной храбрости и выдержки.

В 1943 году в СССР были разработаны несколько ручных кумулятивных гранат, которые предназначались для поражения бронетехники противника на ближних дистанциях боя.

Еще во время войны началась разработка противотанкового гранатомета РПГ-1, который стал родоначальников целого семейства этого оружия. Сегодня гранатометы РПГ – это настоящий мировой бренд, который мало уступает по своей узнаваемости знаменитому АК.

После окончания войны работы по созданию новых кумулятивных боеприпасов были продолжены сразу во многих странах мира, проводились теоретические изыскания в области направленных взрывов. Сегодня кумулятивная боевая часть является традиционной для гранат противотанковых гранатометов, ПТРК, авиационных противотанковых боеприпасов, танковых снарядов, противотанковых мин. Защита бронетехники постоянно улучшается, не отстают и средства поражения. Однако устройство и принцип действия подобных боеприпасов не изменился.

Кумулятивный снаряд: принцип действия

Кумулятивный эффект означает усиление действия какого-либо процесса за счет сложения усилий. Это определение очень точно отображает принцип работы кумулятивного эффекта.

В боевой части заряда делается воронкообразное углубление, которое облицовывается слоем металла толщиной в один или несколько миллиметров. Данная воронка повернута широким краем к мишени.

После детонации, которая происходит у острого края воронки, взрывная волна распространяется к боковым стенкам конуса и схлопывает их к оси боеприпаса. При взрыве создается огромное давление, которое превращает металл облицовки в квазижидость и под огромным давлением перемещает ее вперед вдоль оси снаряда. Таким образом образуется струя металла, которая движется вперед с гиперзвуковой скоростью (10 км/с).

Следует отметить, что при этом металл облицовки не плавится в традиционном понимании этого слова, а деформируется (превращается в жидкость) под огромным давлением.

Когда струя металла входит в броню, прочность последней не имеет никакого значения. Важна ее плотность и толщина. Пробивная способность кумулятивной струи зависит от ее длины, плотности материала облицовки и материала брони. Максимальное проникающее действие возникает при взрыве боеприпаса на определенном расстоянии от брони (оно называется фокусным).

Взаимодействие брони и кумулятивной струи происходит по законам гидродинамики, то есть давление столь велико, что самая крепкая танковая броня при попадании на нее струи ведет себя как жидкость. Обычно кумулятивный боеприпас может пробить броню, толщина которой составляет от пяти до восьми его калибров. При облицовке из обедненного урана бронебойное действие увеличивается до десяти калибров.

Преимущества и недостатки кумулятивных боеприпасов

Подобные боеприпасы имеют как сильные стороны, так и недостатки. К их несомненным достоинствам можно отнести следующее:

высокая бронебойность;
бронепробиваемость не зависит от скорости боеприпаса;
мощное заброневое действие.

У калиберных и подкалиберных снарядов бронепробиваемость напрямую связана с их скоростью, чем она выше, тем лучше. Именно поэтому для их применения используются артиллерийские системы. Для кумулятивных боеприпасов скорость не играет роли: кумулятивная струя образуется при любой скорости столкновения с мишенью. Поэтому кумулятивная боевая часть – идеальное средство для гранатометов, безоткатных орудий и противотанковых ракет, бомб и мин. Более того, слишком высокая скорость снаряда не дает образоваться кумулятивной струе.

Попадание кумулятивного снаряда или гранаты в танк часто приводит к взрыву боекомплекта машины и полностью выводит ее из строя. Экипаж при этом практически не имеет шансов на спасение.

Кумулятивные боеприпасы имеют весьма высокую бронебойность. Некоторые современные ПТРК пробивают гомогенную броню с толщиной более 1000 мм.

Недостатки кумулятивных боеприпасов:

довольно высокая сложность изготовления;
сложность применения для артиллерийских систем;
уязвимость перед динамической защитой.

Снаряды нарезных орудий стабилизируются в полёте за счет вращения. Однако центробежная сила, которая возникает при этом, разрушает кумулятивную струю. Придуманы разные «хитрости», для того чтобы обойти эту проблему. Например, в некоторых французских боеприпасах вращается только корпус снаряда, а его кумулятивная часть устанавливается на подшипниках и остается неподвижной. Но практически все решения этой проблемы значительно усложняют боеприпас.

Боеприпасы для гладкоствольных орудий, наоборот, имеют слишком высокую скорость, которая недостаточна для фокусирования кумулятивной струи.

Именно поэтому боеприпасы с кумулятивные боевые части более характерны для низкоскоростных или неподвижных боеприпасов (противотанковые мины).

Против подобных боеприпасов существует довольно простая защита – кумулятивная струя рассеивается с помощью небольшого контрвзрыва, который происходит на поверхности машины. Это так называемая динамическая защита, сегодня этот способ применяется очень широко.

Чтобы пробить динамическую защиту используется тандемная кумулятивная боевая часть, которая состоит из двух зарядов: первый устраняет динамическую защиту, а второй – пробивает основную броню.

Сегодня существуют кумулятивные боеприпасы с двумя и тремя зарядами.

Кумулятивные артиллерийские боеприпасы предназначены, в основном, для стрельбы по бронированным целям и вертикальным стенам оборонительных сооружений. Действие кумулятивных снарядов основано на кумулятивном эффекте - концентрации действия взрыва в одном направлении. При этом преграда пробивается не за счёт кинетической энергии снаряда, а за счёт энергии кумулятивной струи, образующейся при разрыве снаряда.

Пробивное действие кумулятивного снаряда не зависит от его скорости у цели и является постоянным для всех дистанций стрельбы. Бронепробиваемость кумулятивных снарядов танковых пушек калибра 100..125 мм по стальной гомогенной броне составляет порядка 350..500 мм при попадании по нормали.

Помимо кумулятивного действия, такие снаряды обладают осколочным действием и в случае необходимости могут быть использованы для уничтожения и подавления живой силы и огневых средств противника, расположенных открыто или в укрытиях полевого типа. Существуют также универсальные кумулятивно-осколочные снаряды.

Первоначально (в годы Великой Отечественной войны и ранее) кумулятивные снаряды для нарезных орудий выполнялись без оперения, со стабилизацией за счёт гироскопического эффекта, традиционной для ствольной артиллерии того периода. Однако позднее выяснилось, что вращение кумулятивного снаряда с частотой выше 50 оборотов в секунду заметно снижает его бронепробиваемость, поскольку приводит к рассеиванию кумулятивной струи. Поэтому в послевоенные годы кумулятивные снаряды для нарезных орудий, как и для гладкоствольных, стали выполнять с аэродинамической стабилизацией - с оперением, раскрывающимся после вылета снаряда из ствола, и обеспечивающем ему устойчивость на траектории полёта. На рисунке оперение показано в раскрытом положении.

На корпусе кумулятивного снаряда выполнены два центрующих утолщения, одно ближе к головной части, другое - к донной. Центрующие утолщения предназначены для центрирования снаряда в канале ствола.

У кумулятивных снарядов, предназначенных для стрельбы из гладкоствольных орудий, вместо ведущего пояска имеется обтюрирующий поясок, неподвижно укрепленный на корпусе ближе к донной части. Необходимая скорость вращения в полете у таких снарядов обеспечивается за счет скосов на лопастях оперения.

В корпусе кумулятивного снаряда располагается его снаряжение - разрывной заряд бризантного взрывчатого вещества (гексогена, флегматизированного ТЭНа) с капсюлем-детонатором. В разрывном заряде выполнено углубление - кумулятивная воронка, направленная раструбом к головной части и покрытая металлической облицовкой (как правило, медной или стальной).Спереди к корпусу снаряда посредством кольца прикреплена головка с завернутым в нее головным взрывателем. По форме головка может выполняться оживальной, конической или стреловидной. Головка выполняет роль обтекателя при полете, а также обеспечивает срабатывание взрывателя на расчётном (фокусном) расстоянии от кумулятивной воронки. Последнее необходимо для правильного формирования кумулятивной струи. Со стороны головной части снаряжение прикрыто кольцом, защищающим кумулятивную воронку и разрывной заряд от осколков головки и взрывателя. В середине кольца имеется отверстие, предназначенное для передачи взрывного импульса от головного взрывателя к капсюлю-детонатору.

В донную часть корпуса ввёрнут стабилизатор с укреплёнными на нём лопастями оперения. Лопасти удерживаются в сложенном положении фиксатором (например, пластиковым кольцом или шёлковым шнуром). При выстреле фиксатор разрушается, лопасти освобождаются и после вылета снаряда из ствола раскрываются набегающим потоком воздуха.

В заднюю часть стабилизатора запрессован трассер, снаряженный специальным горючим составом. В момент выстрела метательный заряд воспламеняет замедлитель трассера, после выгорания замедлителя воспламеняется горючий состав, после чего снаряд летит, оставляя за собой видный наводчику яркий светящийся след (трассу), возникающий в результате инертности человеческого зрения. Замедлитель трассера необходим, чтобы след от трассера не демаскировал орудие.

После срабатывания капсюля-детонатора и взрыва разрывного заряда кумулятивная воронка сжимается, и около 10..20% ее металла переходит в кумулятивную струю толщиной несколько миллиметров, вылетающую по оси воронки со скоростью порядка 7 км/с. Кумулятивная струя за счет своей кинетической энергии пробивает преграду. Остальной металл кумулятивной воронки сминается в пест и в пробитии преграды не участвует.

Металл брони, выдавленный и вымытый кумулятивной струёй, образует валикообразные края пробоины. Кроме того, поскольку кумулятивная струя движется с высокой скоростью и выделяющаяся при пробитии брони энергия не успевает рассеяться, то материал преграды в области контакта со струей может нагреваться до высокой температуры и подвергаться термическим изменениям. По этим причинам пробоина в стальной броне может напоминать проплавленное отверстие. Такое внешнее сходство определило раннее название кумулятивных артиллерийских боеприпасов - "бронепрожигающие снаряды". Однако суть явления данное название не отражает, поскольку описанный выше внешний вид пробоины является следствием пробития преграды, а не причиной. То есть броня именно пробивается, а не проплавляется и не "прожигается".

Заброневое действие кумулятивного снаряда обеспечивается двумя факторами: за счёт поражения экипажа и внутреннего оборудования цели самой кумулятивной струёй, и за счёт резкого скачка давления, который вызывает кумулятивная струя в замкнутом заброневом объёме. Амплитуда скачка давления зависит от величины остаточной энергии кумулятивной струи и от объёма замкнутого заброневого пространства. Чем мощнее бронирование цели и чем больше энергии кумулятивной струи уйдёт на пробитие брони, тем меньший скачок давления она сможет вызвать в заброневом пространстве. Чем больше внутренний объём цели, поражённой кумулятивным боеприпасом, тем слабее будет выражен скачок давления, вызванный кумулятивной струёй.

При этом необходимо отметить, что увеличение объёма обитаемых отделений боевых машин никогда не практиковалось в качестве специальной меры по защите от кумулятивных боеприпасов, и не может быть использовано в такой роли. С другой стороны, уменьшение забронированного объёма позволяет при заданной массе поднять уровень бронирования объекта и достигнуть более высоких показателей защиты не только от кумулятивных снарядов, но и от кинетических боеприпасов (каморных и сплошных, калиберных и подкалиберных бронебойных снарядов), бризантных боеприпасов (осколочных, фугасных, осколочно-фугасных боеприпасов, бронебойных снарядов с пластическим взрывчатым веществом и сминаемой головной частью), поражающих факторов ядерного взрыва, механических воздействий.

В 1941 году советские танкисты столкнулись с неприятным сюрпризом — немецкими кумулятивными снарядами, оставлявшими в броне пробоины с оплавленными краями. Их назвали бронепрожигающими (у немцев в ходу был термин Hohlladungsgeschoss, «снаряд с выемкой в заряде»). Впрочем, немецкая монополия длилась недолго, уже в 1942-м на вооружение был принят советский аналог БП-350А, построенный методом «обратного инжиниринга» (разборкой и изучением трофейных немецких снарядов), — «бронепрожигающий» снаряд для 76-мм пушек. Однако на самом деле действие снарядов было связано не с прожиганием брони, а с совершенно иным эффектом.

Споры о приоритетах

Термин «кумуляция» (лат. cumulatio — накопление, суммирование) означает усиление какого-либо действия за счет сложения (накопления). При кумуляции за счет особой конфигурации заряда часть энергии продуктов взрыва сосредоточивается в одном направлении. На приоритет в открытии кумулятивного эффекта претендуют несколько человек, которые обнаружили его независимо друг от друга. В России — военный инженер, генерал-лейтенант Михаил Боресков, применивший в 1864 году заряд с выемкой для саперных работ, и капитан Дмитрий Андриевский, который в 1865 году разработал для детонации динамита заряд-детонатор из наполненной порохом картонной гильзы с углублением, заполненным опилками. В США — химик Чарльз Мунро, который в 1888 году, как гласит легенда, взорвал заряд пироксилина с выдавленными на нем буквами рядом со стальной пластиной, а затем обратил внимание на те же буквы, зеркально «отраженные» на пластине; в Европе — Макс фон Форстер (1883).

В начале XX века кумуляцию исследовали по обе стороны океана — в Великобритании этим занимался Артур Маршалл, автор вышедшей в 1915 году книги, посвященной этому эффекту. В 1920-х изучением зарядов взрывчатых веществ с выемкой (хотя и без металлической облицовки) занимался в СССР известный исследователь взрывчатых веществ профессор М.Я. Сухаревский. Однако поставить кумулятивный эффект на службу военной машине первым удалось немцам, которые начали целенаправленную разработку кумулятивных бронебойных снарядов в середине 1930-х годов под руководством Франца Томанека.

Примерно в то же время тем же занимался в США Генри Мохаупт. Именно он считается на Западе автором идеи металлической облицовки выемки в заряде ВВ. В результате к 1940-м годам у немцев такие снаряды уже стояли на вооружении.

Смертельная воронка

Как работает кумулятивный эффект? Идея очень проста. В головной части боеприпаса имеется выемка в виде облицованной миллиметровым (или около того) слоем металла воронки с острым углом при вершине (раструбом к мишени). Детонация взрывчатого вещества начинается со стороны, ближайшей к вершине воронки. Детонационная волна «схлопывает» воронку к оси снаряда, а поскольку давление продуктов взрыва (почти полмиллиона атмосфер) превышает предел пластической деформации обкладки, последняя начинает вести себя как квазижидкость. Такой процесс не имеет ничего общего с плавлением, это именно «холодное» течение материала. Из схлопывающейся воронки выдавливается очень быстрая кумулятивная струя, а остальная часть (пест) летит от точки взрыва медленнее. Распределение энергии между струей и пестом зависит от угла при вершине воронки: при угле меньше 90 градусов энергия струи выше, при угле больше 90 градусов выше энергия песта. Разумеется, это очень упрощенное объяснение — механизм формирования струи зависит от применяемого взрывчатого вещества (ВВ), от формы и толщины обкладки.

Одна из разновидностей кумулятивного эффекта. Для образования ударного ядра кумулятивная выемка имеет тупой угол при вершине (или сферическую форму). При воздействии детонационной волны за счет формы и переменной толщины стенок (к краю толще) происходит не «схлопывание» облицовки, а ее выворачивание «наизнанку». Полученный снаряд диаметром в четверть и длиной в один калибр (первоначальный диаметр выемки) разгоняется до 2,5 км/с. Бронепробитие ядра меньше, чем у кумулятивной струи, но зато сохраняется на протяжении почти тысячи диаметров выемки. В отличие от кумулятивной струи, которая «отнимает» у песта лишь 15% его массы, ударное ядро образуется из всей облицовки.

При схлопывании воронки тонкая (сравнимая с толщиной оболочки) струя разгоняется до скоростей порядка скорости детонации ВВ (а иногда и выше), то есть около 10 км/с и более. Эта струя не прожигает броню, а проникает в нее, подобно тому как струя воды под давлением размывает песок. Однако в процессе формирования струи разные ее части приобретают разную скорость (задние — меньшую), поэтому далеко кумулятивная струя полететь не может — она начинает растягиваться и распадаться, теряя способность к бронепробитию. Максимальный эффект действия струи достигается на некотором расстоянии от заряда (его называют фокусным). Конструктивно оптимальный режим бронепробития обеспечивается промежутком между выемкой в заряде и головкой снаряда.

Жидкий снаряд, жидкая броня

Скорость кумулятивной струи существенно превышает скорость распространения звука в материале брони (порядка 4 км/с). Поэтому взаимодействие струи и брони происходит по законам гидродинамики, то есть они ведут себя как жидкости. Теоретически глубина проникновения струи в броню пропорциональна длине струи и квадратному корню из соотношения плотностей материала облицовки и брони. Практически бронепробитие обычно даже выше теоретически рассчитанных значений, так как струя становится длиннее за счет разницы скоростей головной и задней ее частей. Обычно толщина брони, которую способен пробить кумулятивный заряд, составляет 6−8 его калибров, а для зарядов с обкладками из таких материалов, как обедненный уран, это значение может достигать 10. Можно ли увеличить бронепробитие, увеличив длину струи? Да, но зачастую это не имеет особого смысла: струя становится чрезмерно тонкой и снижается ее заброневое действие.

За и против

У кумулятивных боеприпасов есть свои достоинства и недостатки. К достоинствам относится то, что, в отличие от подкалиберных снарядов, их бронепробитие не зависит от скорости самого снаряда: кумулятивными можно стрелять даже из легких орудий, не способных разогнать снаряд до высокой скорости, а также использовать такие заряды в реактивных гранатах.

Кстати, именно «артиллерийское» применение кумуляции сопряжено с трудностями. Дело в том, что большинство снарядов стабилизируется в полете вращением, а оно крайне отрицательно влияет на формирование кумулятивной струи — изгибает и разрушает ее. Конструкторы добиваются снижения эффекта вращения различными способами — например, применяя специальную текстуру облицовки (но при этом и бронепробитие понижено до 2−3 калибров).

Другое решение используется во французских снарядах — вращается только корпус, а кумулятивный заряд, установленный на подшипниках, практически не вращается. Однако такие снаряды сложны в производстве, а к тому же в них не полностью используются возможности калибра (а бронепробитие связано с калибром напрямую).

Собранная нами установка вовсе не выглядит аналогом грозного оружия и смертельного врага танков — кумулятивных бронебойных снарядов. Тем не менее она представляет собой достаточно точную модель кумулятивной струи. Разумеется, в масштабе — и скорость звука в воде меньше скорости детонации, и плотность воды меньше плотности обкладки, да и калибр у настоящих снарядов побольше. Наша установка отлично подходит для демонстрации таких явлений, как фокусировка струи.

Казалось бы, выстреливаемые с высокой скоростью из гладкоствольных пушек снаряды не вращаются — их полет стабилизирует оперение, но и в этом случае есть проблемы: при высоких скоростях встречи снаряда с броней струя не успевает сфокусироваться. Поэтому наиболее эффективны кумулятивные заряды в низкоскоростных или вообще неподвижных боеприпасах: снарядах для легких пушек, реактивных гранатах, ПТУРах, минах.

Еще один недостаток связан с тем, что кумулятивная струя разрушается взрывной динамической защитой, а также при прохождении нескольких сравнительно тонких слоев брони. Для преодоления динамической защиты разработан тандемный боеприпас: первый заряд подрывает ее ВВ, а второй пробивает основную броню.

Вода вместо взрывчатки

Для того чтобы смоделировать кумулятивный эффект, совсем не обязательно применять взрывчатые вещества. Мы использовали для этой цели обычную дистиллированную воду. Вместо взрыва ударную волну будем создавать с помощью высоковольтного разряда в воде. Разрядник мы изготовили из обрезка телевизионного кабеля РК-50 или РК-75 внешним диаметром 10 мм. К оплетке припаяли медную шайбу с отверстием 3 мм (соосно с центральной жилой). Другой конец кабеля зачистили на длину 6−7 см и соединили центральную (высоковольтную) жилу с конденсатором.

В случае хорошей фокусировки струи канал, пробитый в желатине, практически незаметен, а при расфокусированной струе выглядит так, как на фотографии справа. Тем не менее «бронепробитие» и в этом случае составляет около 3−4 калибров. На фотографии — желатиновый брусок толщиной 1 см пробивается кумулятивной струей «навылет».

Роль воронки в нашем эксперименте выполняет мениск — именно такую вогнутую форму поверхность воды принимает в капилляре (тонкой трубке). Желательна большая глубина «воронки», а это значит, что стенки трубки должны хорошо смачиваться. Стеклянная не подойдет — гидравлический удар при разряде разрушает ее. Полимерные трубки плохо смачиваются, но мы решили эту проблему, использовав вкладыш из бумаги.

Вода из-под крана не годится — она хорошо проводит ток, который пройдет по всему объему. Воспользуемся дистиллированной водой (например, из ампул для инъекций), в которой нет растворенных солей. При этом вся энергия разряда выделится в области пробоя. Напряжение — около 7 кВ, энергия разряда — порядка 10 Дж.

Желатиновая броня

Соединим разрядник и капилляр отрезком эластичной трубки. Наливать внутрь воду следует с помощью шприца: в капилляре не должно быть пузырьков — они исказят картину «схлопывания». Убедившись, что мениск образовался на расстоянии около 1 см от разрядника, зарядим конденсатор и замкнем контур привязанным к изолирующей штанге проводником. В области пробоя разовьется большое давление, образуется ударная волна (УВ), которая «побежит» к мениску и «схлопнет» его.

Обнаружить кумулятивную струю можно по ее тычку в ладонь, протянутую на высоте в полметра-метр над установкой, или по расплывающимся каплям воды на потолке. Увидеть же тонкую и быструю кумулятивную струю невооруженным глазом очень сложно, поэтому мы вооружились специальной техникой, а именно камерой CASIO Exilim Pro EX-F1. Эта камера очень удобна для съемки быстропротекающих процессов — она позволяет снимать видео со скоростью до 1200 кадров в секунду. Первые пробные съемки показали, что заснять формирование самой струи почти невозможно — искра разряда «слепит» камеру.

Зато можно заснять «бронепробитие». Пробить фольгу не получится — скорость водяной струи маловата для ожижения алюминия. Поэтому в качестве брони мы решили использовать желатин. При диаметре капилляра в 8 мм нам удалось добиться «бронепробития» более 30 мм, то есть 4 калибра. Скорее всего, немного поэкспериментировав с фокусировкой струи, мы смогли бы добиться большего и даже, возможно, пробить двухслойную желатиновую броню. Так что в следующий раз, когда на редакцию нападет армия желатиновых танков, мы будем готовы дать достойный отпор.

Благодарим представительство компании CASIO за предоставленную для съемки эксперимента камеру CASIO Exilim Pro EX-F1

Вступление

Статьи в интернете в которых кумулятивные снаряды пробивают броню то паром то прожигают её как автоген заставили меня написать эту статью.

Я человек технически грамотный, но в секретных лабораториях не работал (вернее работал но по другой теме) поэтому если кто располагает сведениями позволяющими дополнить данную статью - пишите дополним и улучшим.

Принцип действия кумулятивного снаряда (хотя правильнее сказать заряда)

Мы же разберём какие трудности возникают у конструкторов кумулятивных снарядов. Существуют две большие проблемы. В первую очередь это вращение снаряда. Сам факт вращения снаряда и центробежные силы возникающие при этом сильно мешают правильному формированию кумулятивной струи. Высокая скорость снаряда так же добавляет головной боли конструкторам. Дело в том что кумулятивная струя формируется в течении пусть малого но весьма определённого времени. Снаряд летящий с большой скоростью, и не дай бог имеющий медленно срабатывающий взрыватель, проскочит фокусное расстояние и воткнётся в броню до формирования кумулятивной струи.
Обычные вращающиеся снаряды пробивают броню толщиной чуть больше своего калибра. Борются с вращением тремя основными способами. Самый простой способ это гладкоствольное орудие. Гладкоствольные танковые и противотанковые пушки изготавливались в основном в Советском Союзе и по наследству достались суверенным странам при его распаде.

Второй способ это стрельба из нарезных орудий оперёнными снарядами. При вылете из ствола пушки стабилизатор раскрывается и начинает тормозить вращение. Иногда добавляется подвижный ведущий поясок, который не передаёт вращение снаряду при выстреле.
Третий способ это установка кумулятивного заряда в корпусе снаряда на подшипниках. Способ достаточно дорогой и экзотический. Применялся по моему только в одном образце французского снаряда.
Сейчас для устранения негативных влияний вращения снаряда стали применять облицовку сложной формы. На фотографиях показаны варианты такой облицовки и описан принцип её действия.

Не знаю на сколько это эффективный способ, но за границей такие облицовки применяют.

С большой начальной скоростью борются путём её ограничения и установкой взрывателей мгновенного действия. Идея ограничивать начальную скорость снаряда весьма порочна, ведь уменьшается дистанция прямого выстрела и возникают трудности в прицеливании. Выходом из данной ситуации является установка баллистического наконечника или штыря длиной превышающего размер фокусного расстояния кумулятивной струи. Пока наконечник будет сминаться о броню струя благополучно сформируется.
Известный мне взрыватель мгновенного действия устроен следующим образом. В головной части снаряда расположен пьезо кристалл который соединён проводом с электрическим взрывателем расположенным в донной части заряда. При попадании в броню кристалл сжимается (и чем выше скорость попадания тем больше скорость сжатия) и вырабатывает электрический ток (такие у него физические свойства) который передаётся на электрический детонатор. Детонатор делает бабах, взрывчатое вещество взрывается, струя формируется, броня пробивается.

На фотографии разрез снаряда калибра сто двадцать миллиметров, виден провод идущий от головного пьезогенератора к донному взрывателю.
Есть ещё вариант, когда головной взрыватель формирует кумулятивную струю в сторону донного взрывателя, тот взрывается и так далее. Вот фотография нашего снаряда калибра сто миллиметров выполненного по такому принципу. Кумулятивную воронку пришлось сделать более острой с не замкнутой вершиной.

Кумулятивный снаряд от Второй Мировой до наших дней

Немцы испытывали первые и достаточно примитивные кумулятивные снаряды ещё и Испании. В Советском Союзе перед войной тоже проводились испытания, но полное отсутствие понимания процесса и очень медленные взрыватели не дали положительных результатов.
Маленькое лирическое отступление. В то далёкое время советские конструкторы искренне верили что кумулятивная струя прожигает броню и щедро добавляли во взрывчатые вещества всякие горючие добавки. Соответственно скорость детонации и давление во фронте взрывной волны падали и снижали эффективность заряда. Зато при взрыве заряд давал красивую вспышку и мог поджечь сухую траву.
К сорок третьему году красная армия получила на вооружение кумулятивные снаряды практически всех калибров. Взрыватели в них очень напоминали немецкие.

На фотографии показаны эскизы немецких снарядов калибра семьдесят пять и сто пять миллиметров.

Немецкий снаряд калибра сто пять миллиметров.

Снаряды для нашей полковой пушки, с пояснением для тупых каким именно надо стрелять по танкам.

Кумулятивные снаряды для танковых пушек. Верхний калибра сто миллиметров для нарезного орудия танка Т-55 или противотанковой пушки БС-3. Нижний калибра сто пятнадцать миллиметров для гладкоствольной пушки танка Т-62.

Калибра сто миллиметров для гладкоствольной противотанковой пушки МТ-12.

Современные кумулятивные снаряды калибра сто двадцать пять миллиметров. В танке Т-90 их всего шесть. На второй фотографии написано не осколочный а тренировочный. Многие спрашивают - а почему они такие тупые? Аэродинамики отвечают - так надо. Нам остаётся только верить.

Самый продвинутый из наших

Фотография микроскопическая, но можно понять, что применена тандемная схема. Первый заряд провоцирует динамическую защиту, а второй пробивает основную броню. По такой же схеме сделан бое припас для германского реактивного противотанкового гранатомёта. Двойкой на схеме обозначен головной заряд, пятёркой основной. Тройкой и шестёркой обозначены их донные взрыватели. Красным цветом обозначено взрывчатое вещество зарядов. Особое внимание хочу обратить на область желтого цвета в теле основного заряда - это так называемая линза. Она встаёт на пути фронта волны детонации и формирует его более выгодным образом.

Зарубежные варианты

На примере наших и зарубежных боеприпасов можно проследить разный подход к проектированию. Наша кумулятивная выемка более вытянутая. Заграничный вариант имеет выемку близкую к классическим шестидесяти градусам. Над взрывателем видна линза. Какой вариант выгоднее смотри по таблице, но не забывай что у нас калибр на пять миллиметров больше.

Особый интерес представляет последний американский бое припас. Мало того что он подкалиберный так ещё оснащён не контактным взрывателем. Взрыватель довольно объёмный и теоретически должен мешать формированию кумулятивной струи. Однако на фотографии видно что при взрыве сформировалась отличная струя длинной почти с вертолёт и сильно напоминающая лазерный меч из звёздных воин.

Механизм действия кумулятивного заряда

Кумулятивная струя

Кумулятивный эффект

схема образования кумулятивной струи

Волна, распространяясь к боковым образующим конуса облицовки, схлопывает её стенки друг навстречу другу, при этом в результате соударения стенок облицовки давление в материале облицовки резко возрастает. Давление продуктов взрыва, достигающее ~10 10 Н/м² (10 5 кгс/см²), значительно превосходит предел текучести металла. Поэтому движение металлической облицовки под действием продуктов взрыва подобно течению жидкости и связано не с плавлением, а с пластической деформацией.

Аналогично жидкости 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 металлическую струю , перемещающуюся вдоль оси. При этом скорость струи является функцией от скорости детонации взрычатого вещества и геометрии воронки. При использовании воронок с малыми углами при вершине, возможно получить крайне высокие скорости, но при этом возрастают требования по качеству изготовления облицовки, так как повышается вероятность преждевременного разрушения струи. В современных боеприпасах используются воронки со сложной геометрией (экспоненциальные , ступенчатые и др.), с углами в диапазоне 30 - 60 градусов, а скорость кумулятивной струи при этом достигает 10 км/сек.

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 отношений 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.

При схлопывании конической оболочки скорости отдельных частей струи оказываются различными и струя в полёте растягивается. Поэтому небольшое увеличение промежутка между зарядом и мишенью увеличивает глубину пробивания из-за удлинения струи. При значительных расстояниях между зарядом и мишенью струя разрывается на части, и эффект пробивания снижается. Наибольший эффект достигается на так называемом «фокусном расстоянии». Для выдерживания этой дистанции используют различные типы наконечников соответствующей длины.

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 значительное более разрушительное заброневое действие.

Ударное ядро

Формирование «ударного ядра»

Для образования ударного ядра кумулятивная выемка имеет тупой угол при вершине или форму сферического сегмента переменной толщины (у краёв толще, чем в центре). Под влиянием ударной волны происходит не схлопывание конуса, а выворачивание его «наизнанку». Полученный снаряд диаметром в четверть и длиной в один калибр (первоначальный диаметр выемки) разгоняется до скорости 2,5 км/с. Бронепробитие ядра меньше, чем у кумулятивной струи, но зато сохраняется на расстоянии до тысячи калибров. В отличие от кумулятивной струи, состоящей лишь из 15 % массы облицовки, ударное ядро образуется из 100 % её массы.

История

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 черный порох который не может взрываться и формировать необходимую детонационную волну. Впервые продемонстрировать эффект применения полого заряда удалось лишь с изобретением бризантных взрывчатых веществ. Это сделал в 1883 году изобретатель фон Фёрстер (von Foerster).

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

В Советском Союзе 1925-1926 годах изучением зарядов взрывчатых веществ с выемкой занимался профессор М. Я. Сухаревский.

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.

Впервые в боевых условиях кумулятивный заряд был применен 10 мая 1940 г. при штурме форта Эбен-Эмаль (Бельгия). Тогда для подрыва укреплений войсками германии были применены переносные заряды двух разновидностей в виде полых полусфер массами 50 и 12,5 кг.

Рентгено-импульсная съемка процесса, осуществленная в 1939 - начале 1940-х годов в лабораториях Германии, США и Великобритании позволила существенно уточнить принципы действия кумулятивного заряда (традиционная фотосъемка невозможна из-за вспышек пламени и большого количества дыма при детонации).

Одним из неприятных сюрпризов лета 1941 года для танкистов РККА стало применение войсками Германии кумулятивных боеприпасов. На подбитых танках обнаруживались пробоины с оплавленными краями, поэтому снаряды получили название «бронепрожигающих». 23 мая 1942 года на Софринском полигоне были проведены испытания кумулятивного снаряда к 76-мм полковой пушке, разработанного на основе трофейного немецкого снаряда. По результатам испытаний 27 мая 1942 года новый снаряд был принят на вооружение.

В 1950-е годы был достигнут огромный прогресс в понимании принципов формирования кумулятивной струи. Предложены методы усовершенствования кумулятивных зарядов пассивными вкладышами (линзами), определены оптимальные формы кумулятивных воронок, разработаны методы компенсации вращения снаряда путем рифления конуса, применены более мощные взрывчатые вещества. Многие из обнаруженных в те далекие годы явлений изучаются до настоящего времени.

Примечания

Ссылки

Теория процесса бронепробивания кумулятивных и подкалиберных снарядов Танковая мощь
В. Мураховский, сайт «Отвага 2004» Ещё один кумулятивный миф .

Wikimedia Foundation . 2010 .