Специфику кумулятивного действия заряда взрывчатого вещества иллюстрируют обычно такими примерами. Если цилиндрическую шашку бризантного ВВ поставить на бронеплиту и подорвать, имея детонатор в середине шашки, то энергия взрыва распространится в равной мере по всем направлениям, а на броне образуется лишь небольшая вмятина. Но если в таком же заряде ВВ детонатор поместить в верхнем торце шашки, то действие взрыва будет более сильным в направлении плиты, и соответственно вмятина на ней после взрыва будет большей глубины. Однако в обоих случаях рассеивание продуктов взрыва происходит во все стороны. Если же заряд имеет по оси выполненную на обращенной к плите части коническую или сферическую выемку, то в результате взрыва в плите образуется более глубокая вмятина в виде кратера. Наличие выемки в заряде ВВ приводит к тому, что направление потока продуктов взрыва сосредоточивается по оси выемки, а не рассеивается по всем направлениям. Образуется струя из продуктов взрыва ВВ в виде узкого пучка газов с лучом света. Скорость струи в фокусе достигает 15 км/с. Но наибольшее воздействие на плиту достигается в том случае, когда стенку выемки в заряде покрывают металлической облицовкой. При подрыве заряда с облицовкой выемки медной или стальной воронкой бронеплита даже значительной толщины пробивается насквозь. Происходит это таким образом. При срабатывании детонатора, расположенного в верхнем торце шашки, во взрывчатом веществе распространяется детонационная волна в направлении выемки. Скорость детонации ВВ, используемых в кумулятивных зарядах, составляет 7-9 км/с. Детонационная волна при такой скорости оказывает на металлическую облицовку огромное давление – до 800 тысяч атмосфер. В результате металл облицовки схлопывается и вытягивается вдоль оси выемки в виде кумулятивной струи. Металл, из которого состоит кумулятивная струя, не расплавляется, хотя и нагревается до 400-600 градусов. Напомним, что температура плавления меди составляет около 1100 градусов, а стали – 1300-1400 градусов. Струя металла диаметром 3-4 мм приобретает скорость до 10 км/с и оказывает давление на броню порядка одного миллиона атмосфер. Состояние металла в кумулятивной струе наука определяет как идеально несжимаемую жидкость. При таком огромном давлении материал преграды – броня, бетон и т.п. в месте воздействия кумулятивной струи «течет», то есть, так же как и сама струя, приобретает свойства идеально несжимаемой жидкости. В преграде возникает пробоина, края которой имеют оплавленный вид. Это привело в свое время к неправильному определению кумулятивных снарядов как бронепрожига- ющих. Даже после преодоления преграды сохраняется все еще высокая энергия остаточных элементов струи, вызывающих разрушения оборудования, детонацию боеприпасов, поражение людей.
Таким образом, высокоэффективное действие кумулятивного снаряда является результатом того, что энергия заряда с выемкой и металлической облицовкой ее поверхности при взрыве распространяется в одном направлении – вдоль оси выемки, а не во все стороны, как при взрыве обычного заряда. Такая концентрация энергии приводит к образованию металлической струи со скоростью движения до 10 км/с – порядка 1-й космической скорости – и создает давление на преграду в миллионы атмосфер. Именно отсюда возникло название явления – кумуляция, от латинского слова «cumulatio» – скопление, концентрация.
Кумулятивный эффект был открыт в 1864 году русским военным инженером М.М. Боресковым. В 1865 году капитан Д.А. Андиевский использовал кумулятивный эффект в конструкции капсюля-детонатора. Затем долгое время о кумуляции взрыва не вспоминали, и только в 1914 году появился патент на его использование в военном деле. В 1923 – 1926 годах советский ученый М.Я. Сухаревский провел исследование кумулятивного эффекта, затем применил на практике направленные взрывы при строительстве Днепровской плотины. В 1942 году профессор Г.И. Покровский опубликовал работу «Направленное действие взрыва», которая содержала теоретические и практические выводы из его исследований. Наиболее полно теория кумулятивного эффекта была разработана советским академиком М.А. Лаврентьевым в 1945 году. Активно проводились исследования кумулятивного эффекта в ряде других стран.
Последовательность формирования кумулятивной струи.
В современных противотанковых снарядах применяются кумулятивные заряды, обеспечивающие бронепробиваемость 800-900 мм. Величина пробития прочных преград кумулятивными снарядами зависит от ряда факторов: диаметра их заряда, свойств ВВ заряда и его массы, формы выемки и свойств металла ее облицовки, расстояния от заряда до преграды в момент взрыва.
Из свойств заряда ВВ важнейшим является скорость его детонации. Чем выше эта скорость, тем более высокими будут параметры кумулятивной струи – ее скорость, давление, плотность. В 60-70-х годах в кумулятивных зарядах применяли смесь тротила и гексогена (по 50 %). Скорость детонации тротила составляет 7000 м/с, а гексогена – 8100 м/с. Еще большей скоростью детонации обладает ВВ, которое стали применять в новых образцах противотанковых снарядов. Это так называемый окфол – смесь октогена с флегматизатором. Скорость его детонации достигает 8700 м/с. Понятно, что большая масса ВВ обеспечивает при прочих равных условиях большее пробивное действие. Этот путь повышения пробиваемости кумулятивных снарядов ограничивается их массой и калибром.
Существенное влияние на бронепробиваемость имеют форма кумулятивной выемки, материал ее покрытия. Формы кумулятивной выемки подбираются разные: конические или сферические, в зависимости от назначения и калибра снаряда. Существенно влияют на пробивное действие одной и той же формы, размеры выемки – ее диаметр и глубина. При схлопывании облицовки начальная длина металлической кумулятивной струи равна образующей выемки, в последствии струя растягивается в несколько раз и обеспечивает глубину пробития до 10 диаметров облицовки (до того момента, пока плотность струи и преграды остаются примерно одинаковы). Материал облицовки также влияет на пробивное действие заряда. Лучший эффект обеспечивают медные облицовки.
Стрельба из РПГ-26.
Броня современного танка, пробитая кумулятивными гранатами. На левом фото входные отверстия, на правом фото выходные отверстия.
В 60-е годы было применено еще одно усовершенствование кумулятивных зарядов, повысившее их эффективность. В заряде между детонатором и кумулятивной выемкой стали располагать экран (инертную линзу из пластмассы). Фронт детонационной волны при этом подходит к облицовке под оптимальным углом. В результате формируется кумулятивная струя с более высокими параметрами.
Пробитие преграды становится менее вероятным при быстром вращении кумулятивных снарядов. Поэтому, для стабилизации полета кумулятивных снарядов не используют их быстрое вращение вокруг продольной оси. При вращении снарядов со скоростью порядка нескольких сотен оборотов в секунду, что необходимо для достижения их стабилизированного полета в воздухе, кумулятивная струя под действием центростремительных сил расстраивается, ее пробивное действие ухудшается. Современные кумулятивные снаряды на полете стабилизируются за счет хвостового оперения, а не быстрого вращения. Придаваемое некоторым кумулятивным снарядам вращение вокруг своей оси имеет целью повышение кучности, при этом оно имеет скорость порядка нескольких десятков оборотов в секунду.
В кумулятивных снарядах и гранатах передняя деталь (обтекатель) выполняется в виде удлиненного наконечника из сравнительно непрочного материала. При встрече с преградой наконечник должен разрушиться таким образом, чтобы не деформировалась кумулятивная выемка, и подрыв заряда произошел на определенном удалении от преграды. О значении именно такого подрыва говорилось ранее, когда речь шла о роли пьезоэлектрического взрывателя в достижении максимальной эффективности кумулятивных снарядов со сравнительно высокими скоростями полета.
Добавим к этому особенности действия кумулятивных снарядов, имеющий тандемную боевую часть. В них передняя боевая часть предназначена для подрыва динамической защиты. Устройство взрывательного механизма тандемного боеприпаса предусматривает необходимую задержку по времени между подрывом переднего и основного зарядов. Эта задержка должна исключить воздействие разлетающихся фрагментов динамической защиты на кумулятивную струю, формируемую основной боевой частью.
Кумулятивный эффект широко используется и в народном хозяйстве. При сооружении плотин с помощью кумулятивных зарядов большой мощности перемещают в нужном направлении и на определенное расстояние большие массы грунта, в скальных породах пробивают нужных размеров скважины. Кумулятивное действие используют при резке прочных листов металла большой толщины, для обжатия металлических труб, для упрочнения металла, для ликвидации завалов в шахтах.
Исследования кумулятивного эффекта продолжаются. На основании их совершенствуются кумулятивные заряды.