Что такое кумулятивный эффект, и как он помогает пробить толстую броню современных танков

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.

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).

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.

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

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№9, Сентябрь 2008).