Кумулятивные боеприпасы. История создания и принцип действия

О кумулятивах

Впервые подобные боеприпасы были использованы нацистской Германией в 1941 году. Тогда в СССР не ожидали использования подобных снарядов, так как их принцип действия хоть и был известным, но на вооружении их еще не было. Ключевой особенностью подобных снарядов было то, что они обладали высокой бронепробиваемостью за счет наличия взрывателей мгновенного действия и кумулятивной выемкой. Проблема, с которой столкнулись впервые, заключалась в том, что снаряд по время полета вращался. Это приводило к рассеиванию кумулятивной стрелы и, как следствие, пониженной бронепробиваемости. Чтобы исключить негативный эффект, было предложено применять гладкоствольные пушки.

История

Пробитый взрывом кумулятивного заряда наблюдательный купол в форте Эбен-Эмаль. В центре снимка виден пролом, образованный воздействием кумулятивной струи.

В 1792 году горный инженер Франц фон Баадер 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 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.

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

В 1938 году Франц Томанэк (Franz Rudolf Thomanek) в Германии и Генри Мохоупт (Henry Hans Mohaupt) в Швейцарии независимо друг от друга открыли эффект увеличения пробивной способности при применении металлической облицовки конуса.

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 фотосъёмка невозможна из-за вспышек пламени и большого количества дыма при детонации).

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 12,5 и 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 1949 году Михаил Алексеевич Лаврентьев становится лауреатом Сталинской премии за создание теории кумулятивных струй.

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, применена ступенчатая облицовка конуса для компенсации вращения снаряда, разработаны специальные составы взрывчатых веществ. Многие из обнаруженных в те далекие годы явлений изучаются и до настоящего времени.

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.

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.

Ударное ядро 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.

Эффективное использование

Кумулятивные снаряды могут использоваться любым видом войск, но их использование в некоторых случаях, не позволяет раскрыть полный потенциал выпущенного боеприпаса. Например, снаряды для нарезных пушек, способны быть стабильными в полёте. Но при этом возникающая при этом сила, не даёт выпустить кумулятивную струю.

Военные инженеры придумали способ обхода этой проблемы. Когда например в полёте, вращается только корпус боеприпаса, а кумулятивная часть устанавливаемая на подшипниках, остаётся полностью неподвижной. Но подобные решения неэффективны, т.к. усложняют процесс изготовления.

Снаряды, используемые гладкоствольными пушками, развивают слишком высокую скорость, которая не даёт фокусировано выпустить кумулятивную струю для уничтожения броневого листа указанной цели.

Наибольшая эффективность использования проявляется, когда кумулятивные заряды устанавливают на неподвижных и низкоскоростных боеприпасах, таких как мины.

Существует относительно простой способ защиты техники – рассеивание струи направленным взрывом. Специальный прибор, устанавливаемый на броневых листах (танка, БМП, БТРа) выпускает боевой заряд, который взрывается, когда струя подлетает на опасное расстояние. Это называется динамической защитой. Сейчас такая защита распространена на всей современной военной технике.

Но устанавливаемая динамическая защита не гарантирует полную защиту. Напротив, инженеры изобрели контрмеры – установление в снаряде особой боевой части. Она состоит из нескольких зарядов. Один из которых пробивает защиту, а другой пробивает защитный слой броневого листа цели.

Интересный факт! На данный момент, разработаны и успешно испытаны боеприпасы кумулятивного действия, с 2-3 зарядами.

Разновидности ПБ снарядов

В настоящее время разработано несколько эффективных конструкций подкалиберных снарядов, которые используются вооруженными силами различных стран. В частности, речь идет о следующем:

• С неотделяющимся поддоном. Весь путь до цели снаряд проходит как единое целое. В пробитии же участвует только сердечник. Такое решение не получило достаточного распространения по причине повышенного аэродинамического сопротивления. В результате чего показатель бронепробития и точности с расстоянием до цели существенно падает.
• С неотделяющимся поддоном для конического орудия. Суть такого решения в том, что при прохождении по коническому стволу поддон сминается. Это позволяет уменьшить аэродинамическое сопротивление.
• Подкалиберный снаряд с отделяющимся поддоном. Суть в том, что поддон срывается силами воздуха или же центробежными силами (при нарезном орудии). Это позволяет существенно снизить сопротивление воздуха в полете.

Механизм действия кумулятивного заряда

Кумулятивная струя

После взрыва капсюля-детонатора заряда, возникает детонационная волна, которая перемещается вдоль оси заряда.

Волна, распространяясь к облицовке поверхности конуса, схлопывает её в радиальном направлении, при этом в результате соударения частей облицовки давление в ней резко возрастает. Давление продуктов взрыва, достигающее порядка 1010Па (105 кгс/см²), значительно превосходит предел текучести металла, поэтому движение металлической облицовки под действием продуктов взрыва подобно течению жидкости, которое, однако, обусловлено не плавлением, а 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 симметрии заряда, скорость которой зависит от скорости детонации взрывчатого вещества и геометрии воронки. При использовании воронок с малыми углами при вершине возможно получить крайне высокие скорости, но при этом возрастают требования к 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 от 30 до 60°; скорость кумулятивной струи при этом достигает 10 км/с.

Процесс запрессовки медной облицовочной юбки, она же в виде готового изделия и внутри снаряженного боеприпаса в разрезе

Поскольку при встрече кумулятивной струи с бронёй развивается очень высокое давление, на один-два порядка превосходящее предел прочности металлов, то струя взаимодействует с бронёй в соответствии с законами гидродинамики, то есть при соударении они ведут себя как идеальные жидкости. 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 конуса (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 за счёт удлинения струи. Однако при значительных расстояниях между зарядом и мишенью непрерывность струи нарушается, что снижает бронебойный эффект. Наибольший эффект достигается на так называемом «фокусном расстоянии», на котором струя максимально растянута, но ещё не разорвана на отдельные фрагменты. Для выдерживания этой дистанции используют различные типы наконечников соответствующей длины.

При перемещении в твёрдой среде градиентно разорванная кумулятивная струя самоцентрируется, а диаметр трека по мере удаления от точки фокуса уменьшается. При движении разорванной на фрагменты кумулятивной струи в жидкостях и газах каждый фрагмент перемещается по собственной траектории, а диаметр трека по мере удаления от точки фокуса увеличивается. Этим объясняется резкое снижение пробивной способности высокоградиентных кумулятивных струй при использовании противокумулятивных экранов.

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

Ударное ядро

Основная статья: Ударное ядро

Ударное ядро — компактная металлическая форма, напоминающая пест, образующаяся в результате сжатия металлической облицовки кумулятивного заряда продуктами его детонации.

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. Бронебойное действие ядра ниже, чем у кумулятивной струи, но зато сохраняется на расстоянии до 1000 калибров. В отличие от кумулятивной струи, состоящей лишь из 15 % массы облицовки, ударное ядро образуется из 100 % её массы.

Деталировка стандартного кумулятивного снаряда

Кумулятивный снаряд состоит из:

• Взрывателя и головки;
• выемки и кольца;
• заряда и детонатора;
• фиксатора и трассера;
• стабилизатора, корпуса, лопасти.

Понятие кумулятивного эффекта

Эффект изобретённый Бересковым, означает мгновенное усиление происходящих процессов, за счёт слаженности совместных усилий.

В одной из частей заряда изготавливают небольшое углубление, которое покрывается слоем металла общей толщиной в 1-3 мм. Это углубление всегда повернуто к цели.

Взрыв, происходящий на краю воронки, заставляет взрывную волну проходить по боковым стенкам, тем самым сплющивая их к оси снаряда. Во время взрыва создаётся большое давление, которое трансмутирует облицовку воронки в квазижидкость , затем перемещает её вдоль оси боеприпаса. Эти действия образуют струю, которая развивает скорость до (10км/с).

ВАЖНО! Облицовка не расплавляется, а деформируется в жидкость под воздействием высокого давления на неё. Если кумулятивная струя попала в цель, то прочность брони не имеет значения

Важна лишь плотность и толщина металла. Пробивная способность струи металла зависит от:

Если кумулятивная струя попала в цель, то прочность брони не имеет значения. Важна лишь плотность и толщина металла. Пробивная способность струи металла зависит от:

• длины;
• плотности облицовки;
• материала брони цели.

ВАЖНО! Максимально эффективное действие (фокусное), возникает при взрыве снаряда на небольшом расстоянии от бронированной цели.

Броня и кумулятивный заряд взаимодействуют между собой, т.е.  созданное от взрыва составных частей снаряда давление настолько высокое, что самая крепкая броня, поведёт себя словно жидкость. Стандартный боеприпас пробивает броню толщиной от 5 до 8 его калибров.

Обратите внимание! Если облицовка воронки выполнена из обеднённого урана, бронебойность снаряда повышается до 10 калибров.

Плюсы и минусы

У кумулятивных боеприпасов, есть положительные и отрицательные стороны. Абсолютные плюсы таких снарядов:

• Пробивание почти любого слоя брони;
• Струя пробивает броню независимо от изначальной скорости полёта снаряда;
• Мощное действие после попадание в цель.

Но и у кумулятивных боеприпасов есть свои минусы:

1. Трудности в массовом производстве, из-за сложности конструкции;
2. Большие сложности в применении боеприпасов РСЗО;
3. Уязвимости в пробитии динамической брони.

Боевая часть с кумулятивным эффектом, используется при производстве боеприпасов для РПГ, противотанковых пушек и мин. При попадании в цель снаряда, начиненного «жидким металлом», в большой вероятности произведёт взрыв боекомплекта. При этом экипаж погибнет.

Интересный факт! Современные ПТРК способны пробить броневой лист толщиной 10 см.

2.1. Осколочные боеприпасы

Основным поражающим фактором осколочного боеприпаса является поле высокоскоростных осколков корпуса или готовых поражающих элементов. Предназначены, главным образом, для поражения живой силы.

При разрыве, например, осколочной авиабомбы образуется большое количество осколков, которые разлетаются в разные стороны на расстояние до 300 метров от места взрыва.

Рис. 2.1. Осколочные боеприпасы различных видов

Совершенствование осколочных боеприпасов идёт по пути создания боеприпасов с готовыми или полуготовыми убойными элементами. Особенностью таких боеприпасов является огромное количество (до нескольких тысяч) элементов (шариков, иголок, стрелок и прочее) массой от одного до нескольких граммов. Как правило, готовые убойные элементы находятся внутри суббоеприпасов (в каждом – до 300 и более поражающих элементов), которые, в свою очередь, заряжаются в кассеты. На вооружении ведущих стран мира имеются авиационные бомбовые кассеты, кассетные артиллерийские снаряды, кассетные боевые части баллистических ракет и ракет для систем реактивной артиллерии. Под действием вышибного заряда кассеты разрушаются над землей, а разлетающиеся суббоеприпасы взрываются на площади до 250 тыс. м₂.

Готовыми поражающими элементами могут снаряжаться и противопехотные мины.

Рис. 2.2. Осколочные боеприпасы с готовыми поражающими элементами (ГПЭ)

Защищают от поражающих элементов различные укрытия, окопы, траншеи.

Бронебойный подкалиберный снаряд и его описание

Как мы уже отметили выше, подобные боеприпасы идеально подходят для стрельбы по танкам. Интересно то, что подкалибер не имеет привычного нам взрывателя и взрывчатого вещества. Принцип действия снаряда полностью основан на его кинетической энергии. Если сравнить, то это что-то похожее на массивную высокоскоростную пулю.

Состоит подкалибер из катушечного корпуса. В него вставляется сердечник, который зачастую выполняют в 3 раза меньшего размера, нежели калибр орудия. В качестве материала для сердечника используются металлокерамические сплавы высокой прочности. Если раньше это был вольфрам, то сегодня более популярен обедненный уран по целому ряду причин. Во время выстрела всю нагрузку воспринимает на себя поддон, тем самым обеспечивая начальную скорость полета. Так как вес такого снаряда меньше, нежели обычного бронебойного, за счет уменьшения калибра удалось добиться увеличения скорости полета. Речь идет о существенных значениях. Так, оперенный подкалиберный снаряд летит со скоростью 1 600 м/с, в то время как классический бронепробивающий – 800-1 000 м/с.