Могаупт Г. (Нету Н. Мокаир1)

Термин кумулятивный заряд появился в США в период второй мировой войны для обозначения зарядов ВВ военного назначения, имеющих профилированные полости. Необычные явления, сопро­вождающие взрыв этих зарядов, зависят не только от формы заряда и других конструктивных параметров, но также от хими­ческих и взрывчатых характеристик ВВ, способа инициирования и характера распространения процесса взрыва.

ОБРАЗОВАНИЕ КУМУЛЯТИВНОЙ[СТРУИ

На фиг. 10.1 иллюстрируется направленное пробивное дей­ствие диух зарядов бризантного ВВ почти одинаковой конструк­ции. Заряд, изображенный на фиг. 10.1, а, детонирует в момент соприкосновения его кромки со стальной преградой. Возникаю­щий при этом типичный кумулятивный эффект обусловлен эро­зионным действием газов высокого давления. Кумулятивная выемка заряда, изображенного на фиг. 10.1, б, имеет коническую облицовку из стали. Стальной конус, как можно было бы ожидать, должен препятствовать входу детонационных газов в выемку, уменьшая тем самым пробивную способность заряда. На практи­ке, однако, наблюдается значительное усиление пробивпого действия и разрушения преграды. Пробивное действие кумулятив­ного заряда (фиг. 10.1,б), который располагался на некотором расстоянии от преграды, характеризуется еще более интересными и на первый взгляд неожиданными свойствами. Пробивная спо­собность кумулятивного заряда с облицованной выемкой зависит от пластической деформации облицовки под действием взрыва.

Механизм деформации облицовки и образование кумулятив­ной струи до некоторой степени зависят от формы облицовки и других параметров кумулятивного заряда.

Конические облицовки с полууглом менее 60° обычно обжи­маются, принимая форму, схематически изображенную на фиг. 10.2. После инициирования заряда в направлении его глав­ной оси образуется детонационная волна, распространяющаяся по заряду со скоростью 7—8 км! сек. Когда фронт сферической

Волны достигает облицовки, то ее стенки обжимаются и смыкаются на оси заряда. Скорость удара по нормали к оси может достигать нескольких километров в секунду. В условиях чрезвычайно высо­ких давлений; действующих вдоль оси, значительно превышаются

А Б в

Ф и г. 10.1.

А — кумулятивный эффект, б — пробивное действие кумупятивчого заряда с облицовкой при контакте с преградой; в — пробивпое дей­ствие кумулятивного заряда с облицовкой, расположенного на неко­тором расстоянии от преграды.

Пределы пластической деформации внутренних элементов обли­цовки и жидкий материал выбрасывается вперед, увлекаемый элементами облицовки. До момента смыкания часть облицовки, находящаяся непосредственно перед этой зоной, образует быстро суживающееся сопловое отверстие, форма и положение которого оказывают влияние на диаметр и направление выбрасываемой струи. При прохождении струи через это отверстие она вымывает материал облицовки, который увлекается основной струей. Этот процесс повторяется по мере деформации все новых кольцевых

Участков облицовки, в результате чего образуется непрерывная струя, которая распространяется за детонационной волной до тех пор, пока не будет достигнут предел пластического течения

В системе (фиг. 10.3). Конические облицовки, имеющие небольшое отверстие у вершины, образуют не только основной (направлен­ный вперед) поток, но также и струю в обратном направлении значительно меньшей массы, что указывает на существование зоны повышенного гидростатического давления вдоль оси.

В общем случае скорости струи приблизительно соответствуют скоростям детонации применяемых взрывчатых веществ, но в некоторых условиях скорость струи может быть и выше скоро­сти детонации. Были зарегистрированы скорости струи выше 10 км/сек. Наблюдения процесса обжатия облицовки и измерения

А

Ф и г. 10.4. Кумулятивный заряд с коническом облнцовкон.

А — микрофотография шлифа с передней части обжатой облицонки (около оси); б — обжатая облицовка; я — микрофотография шлифа с наружной зоны обжатой облицоньи.

Скорости струи показали, что по мере перемещения точки смы­кания стенок облицовки в направлении от вершины к основанию конуса скорость соударения стенок и скорость струи уменьшаются, что сопровождается появлением градиента скорости вдоль струи. Облицовка после обжатия образует плотный конусообразный кусок (пест), скорость которого зависит от конструкции заряда и составляет от 1 до 2,5 км/сек.

11а фиг. 10.4 показана форма обжатой конической облицовки и представлены микрофотографии двух шлифов. Выбранная

Форма и размеры конической стальной облицовки постоянной толщины с полууглом при вершине 30° почти соответствуют пре­дельным условиям образования кумулятивной струи. В четко очерченных зонах конуса обнаружены фазовые изменения и сжа­тие зерен вдоль оси, возрастающие в направлении к основанию облицовки. Это, по-видимому, подтверждает сделанные ранее наблюдения, что масса струи возрастает по мере продвижения вперед точки смыкания стенок облицовки.

Очень важно правильно выбрать соотношение между массой облицовки и массой заряда ВВ. При чрезмерно большой массе облицовки потери энергии, обусловленные внутренним трением и последующим нагревом стенок облицовки при обжатии, а также потери, связанные с дроблением облицовки (фиг. 10.4), могут привести к уменьшению кинетической энергии процесса смыкания стенок и нарушению гидродинамического режима, необходимого для выброса струи. И, наоборот, если используется слишком тонкостенная облицовка, то из-за нарушения целостности наруж­ных элементов облицовки не обеспечивается требуемая ориентация потока. В предельном случае материал облицовки может испа­риться при смыкании стенок.

Деформация при обжатии конической облицовки с полууглом раствора конуса более 60° и полусферической облицовки в корне отличается от рассмотренной. Облицовка вначале выворачивается, а когда фронт детонационной волны подходит к основанию облицовки, превращается в конус с малым углом. Полусфериче­ские и конические облицовки с большим углом почти целиком дробятся с образованием более короткой струи, но большего диаметра. Пест вообще не образуется, как и в случае конусов с малым углом раствора.

Обеспечение регулируемого дробления и формирования куму­лятивной струи не ограничивается рассмотренными формами зарядов. Широкое применение нашли заряды с кумулятивной выемкой линейной и круглой формы. Поперечные сечения выемки этих зарядов имеют форму клина или полукруга (фиг. 10.5).

Разлет осколков при детонации заряда линейной формы обра­зует тонкую плоскую пелену, а в случае заряда с выемкой в форме тора — трубчатый поток. При инициировании детонации в одной точке заряд линейной формы оказывает режущее воздействие на металл преграды, которое благодаря влиянию границ заряда распространяется на большую длину, чем длина заряда. В случае зарядов с замкнутыми круглыми выемками при инициировании детонации в одной точке ттаблюдается повышение пробивного действия в точке столкновения детонационных волн.

Подробное представление в параметрической форме механизма обжатия конических или полусферических облицовок связано со значительными трудностями из-за сложности процесса. Однако в настоящее время достигнут существенный прогресс в области экспериментальных исследований благодаря использованию аппаратуры, позволяющей точно проследить за последователь­ностью процесса обжатия стенок и изменения скорости струи.

Механизм деформации зарядов с клиновидной кумулятивной выемкой, позволяющей осуществлять непосредственное наблюде­ние за процессом, изучался с помощью метода рентгеносъемки

В 1943 г. Кларком и Сили в Баллистической исследовательской лаборатории Абердинского испытательного полигона (шт. Мэри­ленд). В это же время Биркгоф сформулировал функциональную теорию, в которой деформация облицовки рассматривалась на основе гидродинамики жидкого потока.

КУМУЛЯТИВНЫЕ ЗАРЯДЫ В КОРПУСЕ

Если диаметр заряда бризантного взрывчатого вещества, обычно используемого для кумулятивных зарядов, превышает критический, то в нем распространяется стационарная высоко­скоростная детонационная волна даже в том случае, когда заряд не заключен в корпус. Однако при использовании замкнутого объема можно существенно повысить эффективность заряда в отно­шении концевого эффекта. Потери, связанные с влиянием границ заряда, уменьшаются, если заряд заключен в корпус, вызываю­щий отражение ударных волн в сторону заряда. Благодаря макси­мальному снижению потерь давления в радиальном направлении увеличивается количество энергии, затрачиваемой на распростра­нение волны в направлении основной оси заряда. Такое ограниче­ние объема приводит к тому, что фронт детонационной волны делается более плоским. Угол встречи фронта детонационной волны со стенкой конуса уменьшается, и скорость обжатия обли­цовки соответственно увеличивается. Более высокая скорость обжатия в свою очередь приводит к повышению скорости выброса ■струи и увеличению ее массы.

Суммарная энергия взрыва заряда в корпусе увеличивается не только благодаря уменьшению потерь, связанных с влиянием

Зарядом бризантного ВВ.

1 — донный взрыватель; 2 — ведущий поясок; з — предохранительная пружина; 4 — основной заряд; 5 — баллистический наконечник; 6 — коническая облицовка с фланцем; 7 — передаточный заряд; 5 — корпус; 9 — капсюль-детонатор наполь­ного типа; 10 — уплотнение; 11 — боек.

Траниц заряда, но также из-за дополнительного разлета осколков, •образующихся при разрушении корпуса. В ряде случаев этот широкий боковой разлет осколков крайне желателен, в то время как в других условиях возможные повреждения, которые могут вызвать осколки, заставляют отказаться от использования заря­дов в корпусе. В случаях жестких весовых ограничений, накла­дываемых на конструкцию кумулятивного заряда, наиболее эффективным способом удовлетворения заданных требований к характеристикам является использование заряда большего диаметра с легкой дробящейся оболочкой, но без корпуса.

Для снарядов, стабилизируемых в полете вращением и выстре­ливаемых из орудия (фиг. 10.6), применяются кумулятивные заряды с мощным корпусом, выдерживающим напряжения, воз­никающие при выстреле. Проектные параметры такого корпуса определяются большими силами инерции и напряжениями от кру­тящих моментов, приложенных к конструкции.

ПРОБИВНОЕ ДЕЙСТВИЕ КУМУЛЯТИВНОЙ СТРУИ

Механизм пробивного действия сверхскоростной струи на металлическую преграду широко исследовался в течение ряда лет [1]. Процесс в общих чертах объясняется с позиций гидродина­мической теории.

Пробивание металла высокоскоростной струей и обычными снарядами характеризуется различной степенью пластической деформации материала преграды в процессе пробивания. При ударе обычного бронебойного снаряда из упрочненной стали

О стальную преграду со скоростью 0,5—0,8 км/сек возникают высокие давления, при воздействии которых напряжения в зоне

Ф и г. 10.7. Проникание* сплошной струи металла в металлическую преграду.

Контакта снаряда и преграды превышают предел текучести мате­риала преграды. Это вызывает пластическую деформацию прегра­ды, материал которой смещается по радиусу головной частью снаряда и вжимается в окружающий материал преграды. Дефор­мация самого снаряда при скорости удара ниже критической предотвращается частично благодаря его твердости и высокого значения предела текучести, а главным образом благодаря окруж­ным напряжениям, создаваемым материалом преграды. Б момент удара наблюдается ограниченное кратерообразование и обратное пластическое течение материала преграды, которое прекращается при полном погружении в преграду головной части снаряда. Герметизация пробитого канала самим снарядом предотвращает выход скопившегося материала преграды, находящегося в пла­стическом состоянии, и дальнейший процесс пробивания преграды зависит от предела сжимаемости ее материала.

Металлическая струя, движущаяся со скоростью 7 км/сек, в момент столкновения с преградой создает давление, превышаю­щее 150 ООО кг/см2. Материал преграды в зоне действия струи переходит в жидкое состояние и с высокой скоростью выбрасы­вается в радиальном направлении. Картина течения струи и мате­риала преграды в процессе углубления отверстия показана, на фиг. 10.7.

Взаимодействие струи с преградой сопровождается такими же эффектами, что и детонация бризантного ВВ внутри преграды. Рассмотрим непрерывное механическое взрывоподобное взаимо­действие струи и преграды. Как только новая порция струи достигает преграды, происходит небольшое дополнительное углубление струи в преграду, сопровождающееся образованием взрывного кратера и радиальным расширением материала, пере­шедшего в жидкое состояние, а также сжатием и непрерывной деформацией окружающей массы преграды. Наряду с такими важ­ными факторами, как высокоскоростное расширение в радильном направлении и непрерывная деформация материала преграды, в процессе образования канала в преграде участвуют также и такие факторы, как эрозия, выброс материала преграды в обрат­ном направлении и частичное его испарание. Благодаря этому дей­ствию диаметр канала может значительно превышать диаметр струи. Последнее обстоятельство дает возможность новым пор­циям струи достичь перемещающейся зоны взаимодействия с мате­риалом преграды без существенных помех.

На фиг. 10.3 представлена фотография процесса внедрения стальной струи в стальную преграду при скорости движения струи 7 км/сек. На фотографии видны полностью обжатая кониче­ская облицовка (пест), приближающаяся к преграде, и еще про­должающая истекать струя, которая имеет четкие границы и рас­пространяется на расстояние, приблизительно равное трем дли­нам песта. Виден взрыв при соприкосновении струи с преградой, материал которой разбрасывается на входе и выходе из канала. Диаметр отверстия приблизительно в 10 раз превышает диаметр струи. Первая порция струи полностью расходуется на пробива­ние первой пластины преграды. Видна также часть струи, движу­щаяся ко второй преграде и прошедшая через отверстие в первой преграде но существу без помех.

С течением времени струя удлиняется и из-за существования градиента скорости постепенно разрушается с образованием отдельных элементов, которые в атмосферных условиях в конце концов приобретают самостоятельные траектории в соответствии с их индивидуальной аэродинамической формой.

Переход от сплошной струи к раздробленной можно наблю­дать на фиг. 10.1, в. На глубине внедрения, составляющей около двух диаметро 1$ основания конуса, форма канала свидетельствует

О том, что струя распадается на отдельные элементы.

Помимо разрушения струи, градиент скорости, или, точнее, градиент кинетической энергии струи, вызывает соответствующее изменение диаметра канала.

Ясно, что размер отверстия в преграде в значительной степени зависит от расстояния между преградой и кумулятивным заря­дом. На фиг. 10.1, б показан кумулятивный эффект заряда с обли­цованной выемкой при непосредственном контакте со стальной преградой. Значительная часть располагаемой кинетической энергии струи рассеивается, что подтверждается появлением большой зоны разрушения материала на поверхности преграды в окрестности отверстия. При детонации идентичного заряда,, находящегося на существенном расстоянии от преграды (фиг. 10,1, в), наблюдается значительное увеличение глубины внедрения струи и почти полное отсутствие разрушения поверх­ности преграды.

При дальнейшем увеличении расстояния между зарядом и преградой теоретически возможно обеспечить бесконечное увеличение глубины внедрения идеальной жидкой струи. На прак­тике, однако, для каждого заряда существует оптимальное рас­стояние, за пределами которого дробление струи и рассеивание ее частиц приводят к уменьшению этой глубины.

Глубина внедрения и объем отверстия, образованного данной струей, зависят не только от расстояния между зарядом и прегра­дой, но также и от физических свойств материала преграды. В случае более вязких металлов, таких, как алюминий, глубина внедрения струи и диаметр отверстия несколько больше. Самые эффективные результаты в этом отношении можно получить для свинцовых преград, в которых диаметр отверстия более чем в 40 раз превышает диаметр струи.

Глубина внедрения струи в неоднородные материалы, отлич­ные от металлов, обычно превышает глубину внедрения в сталь. Больше и объем отверстия. Стальная струя, например, проникает в цементобетон на глубину от 8 до 12 диаметров конуса в зависимо­сти от прочностных характеристик преграды. Природные обра­зования (гранит, базальт и т. д.) лучше противодействуют про­бивному действию струи, которая внедряется в преграды из этих материалов лишь на несколько большую глубину, чем в сталь.

Было исследовано действие элементов высокоскоростной струи (собственно струи, песта или осколков) при столкновении с про­зрачными пластиками и термообработанным стеклом (типа мате­риала, используемого для фонаря кабины самолета). Под дейст­вием удара в монолитных пластиковых преградах образуются глубокие и длинные радиальные трещины и отколы (фиг. 10.8— 10.10). На преграду из термообработанного монолитного стекла кумулятивная струя оказывает значительно более сильное воз­действие из-за существования предварительного напряженного состояния в материале преграды, вызванного процессом термо­обработки.

Действие удара по слоистым прозрачным панелям, кото­рые обычно применяются для герметизированных кабин самоле­
тов, зависит от типа несущих элементов панели и гибкого проме­жуточного слоя, а также от температуры. Многослойные лобовые стекла фонаря самолета не могут выдержать удара высокоскоро­стных частиц, но должны предотвратить полное разрушение панели и свести к минимуму образование убойных осколков при ударе. Эффективность соответствующих слоистых пластиков с эластичным промежуточным слоем при оптимальной прочности

Ф и г. 10.8. Столкновение Фиг. 10-9 Картина дробления моно-

Одиночной частицы с мо — литной пластиковой преграды при

Нолитной пластиковой столкновении с ней одиночной частицы,

Преградой.

Склеивания иллюстрируется на фиг. 10.11. Хотя высокоскорост­ная частица и проникает через преграду, эффект дробления сведен к минимуму благодаря адгезии частично раздробленного несущего элемента панели к промежуточному слою. В результате воздейст­вия снаряда на эластичный подслой происходит значительное искривление слоистого материала с образованием симметричной пробоины.

Низкая температура оказывает значительное влияние на прочностные характеристики стойких к удару слоистых материа­лов, что может быть связано главным образом с потерей эластич­ности промежуточного слоя и основного несущего элемента.

При ударе высокоскоростной частицы (имеющей скорость. 1—2 км! сек) по переохлажденной панели самолета из такого пластика начинается ее разрушение, которое при наличии пере­пада давления между кабиной и окружающей средой завершается полным разрушением конструкции панели.

Фиг. 10.10. Радиальные трещины, образующиеся ири столкновении оди­ночной частицы с монолитно]г тастнкоиои преградой.

КОНЦЕВЫЕ ЭФФЕКТЫ

Потребность в концевых эффектах за преградой зависит от специфических условий применения кумулятивного заряда. От зарядов с линейной или круглой выемкой, применяемых, напри­мер, для резки металлических обшивок или элементов кон­струкций, обычно требуется, чтобы дробление и действие взрыва за преградой были минимальны или даже полностью исключены. Это требование удовлетворяется путем тщательного подбора пробивной способности заряда в соответствии с толщиной пре­грады и физическими свойствами ее материала.

Для боевых целей, таких, как разрушение брони или конструк­тивных элементов самолета, образование лишь пробоины в пре­граде не удовлетворяет поставленным: требованиям. Б подобных случаях необходимы максимально возможные разрушения за преградой. Эго требование обычно удовлетворяется путем значи­тельного завышения мощности заряда. При пробивании стальной преграды стальной или медной струей неизрасходованные эле­менты струи способны распространяться на значительные рас­стояния за преградой, вызывая дополнительные разрушения внутренних элементов конструкции. Элементы струи способны также в определенных условиях воспламенить горючие материалы и обычно воспламеняют патроны с бездымным порохом и вызывают детонацию зарядов ВБ, расположенных за преградой. Многочис­ленные доказательства таких возможностей в боевых условиях были получены во время второй мировой войны. Пробивание бро­ни танков гранатами диаметром 60 мм (гранатомет «базука») Р1ли противотанковыми артиллерийскими снарядами калибром 75—105 мм часто вызывало взрыв боезапаса танка и, следователь­но, полное разрушение боевой машины.

Кроме действия самой струи, наблюдается также разлет оскол­ков, состоящих из элементов преграды, находящихся в пластиче­ском состоянии, кусков материала преграды и в некоторых слу­чаях — песта. Эффективность этого разлета, конечно, возрастает пропорционально размерам заряда и его мощности. Струя и раз­лет осколков после пробивания стенок резервуаров, заполнен­ных жидкостью, вызывают очень сильные гидравлические удары, которые могут привести к разрушению баков горючего, масло­проводов и т. д.

Про бивание струей преграды сопровождается весьма эффект­ным зрелищем, если струя образована жидким алюминием и (или) преграда изготовлена из алюминия. Это связано с испа­рением алюминия и в некоторых условиях со взрывом паров алюминия при смешении с воздухом. На фиг. 10.12 представлена фотография процесса, наблюдаемого при столкновении полусфе­рической облицовки весом 66 мг, движущейся со скоростью

5 км/сек, со стальной преградой толщиной 2,5 мм. Контуры струи затемнены парами металла, образование которых связано с аэро­динамическим нагревом при движении струи от заряда к преграде. На лицевой поверхности преграды в дополнение к зоне действия основной струи видны многочисленные зоны ударов меньшей интенсивности. В этих местах происходит сильное испарение металла. Сама струя создает одно основное отверстие, в процессе

Образования которого происходит дополнительное испарение материала струи. В результате за преградой развивается интен­сивный форс пламени.

Скорость реакции смеси парообразного алюминия с воздухом возрастает в условиях частично замкнутого объема. Хотя данная реакция не сопровождается выделением газа, высокий тепловой эффект сгорания может вызвать взрывоподобное расширение избыточного кислорода и инертных газов. Полусферическая алю­миниевая облицовка весом 66 мг, выстреливаемая со скоростью 5 км/сек в направлении заполненного воздухом отсека (объемом

1 л) с алюминиевыми стенками, вызывает повышение давления в нем приблизительно на 1 атм. Взрывное действие смесей наров алюминия с воздухом существенно возрастает, если пробиваются (поодиночке или последовательно) отсеки, заполненные возду­хом под давлением.

Об интенсивности парообразования алюминия и вторичном взрыве после пробивания медной струей алюминиевой преграды можно судить по фотографии, приведенной на фиг. 10.13. Кумуля­тивный заряд диаметром 35 мм, содержащий 50 г прессованного гексогена, имел коническую облицовку из меди с полууглом рас­твора 35° и весом 15 г. Этот заряд закреплен па мес ге, а возникшая в результате инициирования кумулятивная струя направлена

На алюминиевую ^пластину толщиной 3,5 мм, установленную на расстоянии 30 см от заряда. Измеренная скорость головной части струи в момент столкновения с преградой составляет 7,1 км/сек. Потери веса преграды соответствуют количеству испарившегося алюминия, равному 4,5 г. Граница пламени при химической реакции паров алюминия с воздухом вытягивается в направлении траектории струи на 60 см.

Применение облицовок из композиционных материалов позво­ляет сочетать требуемые характеристики нробивного действия медных облицовок с зажигательными свойствами алюминия.

Результаты исследования характеристик кумулятивных заря­дов с облицовкой увеличенных размеров указывают на пропор­циональное увеличение размеров частиц, образующихся при распадении сплошной кумулятивной струи. При проведении испытаний со стальными коническими облицовками, имеющими диаметр основания, равный 50 см, обнаружено, что благодаря улучшенным аэродинамическим свойствам этих крупных элемен­тов струи возрастает глубина ее внедрения в преграду.

ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

Совершенно очевидно, что ударная волна, образованная в заряде ВВ при срабатывании инициатора, быстро бы затухала вследствие диссипации энергии на фронте волны, если бы не постояннный приток энергии. Условия детонации обеспечиваются непрерывным выделением химической энергии непосредственно после прохождения фронта волны. Скорость распространения волны зависит от энергетических характеристик термодинамиче­ски нестабильного взрывчатого вещества, скорости химической реакции, протекающей с образованием стабильных конечных продуктов реакции, и начальной плотности ВВ.

Гомогенные симметричные заряды ВВ с равномерно распре­деленной плотностью имеют воспроизводимые характеристики фронта волны и скорости детонации, что является важным требо­ванием для кумулятивных зарядов.

Взрывчатые смеси типа динамита могут содержать неравномер­но распределенные отдельные гранулы высокочувствительного ВВ, например нитроглицерина, окруженного значительно менее чувствительными компонентами. Вследствие высокой чувстви­тельности нитроглицерина относительно слабое возмущение может сначала вызвать взрыв включений, в то время как менее чувствительная матрица еще не прореагировала.

Множество нагретых очагов вызывают затем детонацию самой матрицы. Энергия, высвобождаемая во время протекания этих вторичных реакций, почти не оказывает влияния на распро­странение основной ударной волны. Подобная система не имеет стабильной формы детонационной волны и характеризуется относительно низкой скоростью детонации с большими разбро­сами. Взрывчатые вещества подобного типа непригодны для кумулятивных зарядов с облицовкой.