Кумулятивный заряд: принцип действия и история развития

Введение

Взрывчатое вещество с направленным воздействием.

Формованный заряд – это взрывчатый заряд, конструкция которого обеспечивает фокусировку энергии взрыва. Различные типы формованных зарядов применяются для решения широкого спектра задач, таких как резка и формовка металла, инициирование ядерного оружия, пробитие брони или перфорация скважин в нефтегазовой промышленности. Типичный современный формованный заряд с металлическим футером в полости заряда способен проникать в броневую сталь на глубину, в семь и более раз превышающую диаметр заряда (измеряется в диаметрах заряда, CD), хотя достигнуты глубины и более 10 CD. Вопреки распространенному заблуждению, возможно, связанному с аббревиатурой HEAT (High Explosive Anti-Tank – высокобризантный противотанковый), эффективность формованного заряда никак не зависит от нагрева или плавления; то есть, струя формованного заряда не прожигает броню за счет расплавления, поскольку ее воздействие носит исключительно кинетический характер. Однако в процессе этого воздействия выделяется значительное количество тепла и часто возникает существенный вторичный зажигательный эффект после пробития.

Эффект Монро

Эффект Манро или Неймана — это фокусировка энергии взрыва полостью или пустотой, вырезанной на поверхности взрывчатого вещества. Первое упоминание о полых зарядах относится к 1792 году. Франц Ксавер фон Бадер (1765–1841) был немецким горным инженером того времени; в горном журнале он рекомендовал создавать коническое углубление на переднем конце взрывного заряда для увеличения его эффективности и, тем самым, экономии пороха. Эта идея на некоторое время была принята в Норвегии и на шахтах Гарца в Германии, хотя единственным доступным взрывчатым веществом в то время был порох, который не является бризантным и, следовательно, не способен создавать ударную волну, необходимую для эффекта кумулятивного заряда. Первый истинный эффект полого заряда был достигнут в 1883 году Максом фон Фёрстером (1845–1905), руководителем завода по производству нитроцеллюлозы Wolff & Co. в Вальсроде, Германия. К 1886 году Густав Блум из Дюссельдорфа, Германия, подал заявку на патенты на детонаторы с полусферической полостью для концентрации энергии взрыва в осевом направлении. Эффект Манро назван в честь Чарльза Э. Манро, который открыл его в 1888 году. Работая гражданским химиком на Торпедной станции ВМС США в Ньюпорте, штат Род-Айленд, он заметил, что при детонации блока взрывчатого пушечного хлопка, на котором был отштампован логотип производителя, рядом с металлической пластиной, на пластине вырезалось это же обозначение. И наоборот, если буквы были рельефно выдавлены на поверхности взрывчатки, то соответствующие буквы также выступывали на пластине. В 1894 году Манро сконструировал свой первый примитивный кумулятивный заряд:

Среди проведённых экспериментов был опыт с кубом-сейфом размером 29 дюймов, со стенками толщиной 4 дюйма и 3/4, состоящим из железных и стальных пластин. При детонации полого заряда из 9,5 фунтов динамита без трамбовки, в стенке образовалось отверстие диаметром 3 дюйма, пробитое насквозь. Хотя эксперимент Манро с кумулятивным зарядом широко освещался в 1900 году в журнале Popular Science Monthly, важность "вкладыша" полой зарядной полости оставалась не признанной ещё 44 года. Часть этой статьи 1900 года была перепечатана в февральском выпуске журнала Popular Science за 1945 год, где описывалось, как работают кумулятивные боеголовки. Именно эта статья, наконец, раскрыла широкой публике принцип работы американского базуки против бронетехники во время Второй мировой войны. В 1910 году немецкий учёный Эгон Нейман обнаружил, что блок тротила, который обычно лишь деформирует стальную пластину, пробивает её насквозь, если взрывчатое вещество имеет коническое углубление. Военная ценность работ Манро и Неймана долгое время оставалась недооценённой. В межвоенный период учёные в нескольких странах — Мирон Яковлевич Сухаревский в Советском Союзе, Уильям Х. Пеймент и Дональд Уитли Вудхед в Великобритании, и Роберт Уильямс Вуд в США — признали, что при взрывах могут образовываться струи. В 1932 году Франц Рудольф Томанек, студент-физик Венской технической школы, разработал противотанковый снаряд, основанный на эффекте полого заряда. Когда австрийское правительство не проявило интереса к этой идее, Томанек переехал в Берлинскую техническую школу, где продолжил свои исследования под руководством эксперта по баллистике Карла Юлиуса Кранца. Там, в 1935 году, он и Хеллмут фон Хуттерн разработали прототип противотанкового снаряда. Хотя характеристики оружия оказались неудовлетворительными, Томанек продолжил свои разработки, сотрудничая с Хьюбертом Шардином в Институте вооружений Люфтваффе (Waffeninstitut der Luftwaffe) в Брауншвейге. К 1937 году Шардин полагал, что эффект полого заряда обусловлен взаимодействием ударных волн. Именно во время тестирования этой гипотезы, 4 февраля 1938 года, Томанек сформулировал концепцию кумулятивного взрывчатого вещества (или Hohlladungs Auskleidungseffekt — эффект вкладыша полого заряда). (Густав Адольф Томер в 1938 году впервые визуализировал с помощью рентгенографии металлическую струю, образующуюся при взрыве кумулятивного заряда.) Тем временем Генри Ханс Мохаупт, инженер-химик из Швейцарии, независимо разработал кумулятивный боеприпас в 1935 году, который был продемонстрирован военным Швейцарии, Франции, Великобритании и США. Во время Второй мировой войны кумулятивные боеприпасы были разработаны в Германии (Panzerschreck, Panzerfaust, Panzerwurfmine, Mistel), Великобритании (PIAT, Beehive cratering charge), Советском Союзе (РПГ-43, РПГ-6), США (базука) и Италии (Effetto Pronto Speciale снаряды для различных артиллерийских орудий). Разработка кумулятивных зарядов произвела революцию в борьбе с танками. Танки столкнулись с серьёзной уязвимостью перед оружием, которое мог нести пехотинец или самолёт. Одним из первых применений кумулятивных зарядов было использование немецкими десантниками против бельгийского форта Эбен-Эмаэль в 1940 году. Эти подрывные заряды — разработанные доктором Вюльфкеном из Германского управления вооружений — были неэкранированными взрывчатыми зарядами и не создавали металлическую струю, как современные кумулятивные боеголовки. Из-за отсутствия металлического вкладыша они сотрясали башни, но не уничтожали их, и другим десантникам приходилось взбираться на башни и ломать орудийные стволы.

Among the experiments made was one upon a safe twenty nine inches cube, with walls four inches and three quarters thick, made up of plates of iron and steel When a hollow charge of dynamite nine pounds and a half in weight and untamped was detonated on it, a hole three inches in diameter was blown clear through the wall The hollow cartridge was made by tying the sticks of dynamite around a tin can, the open mouth of the latter being placed downward. Although Munroe's experiment with the shaped charge was widely publicized in 1900 in Popular Science Monthly, the importance of the tin can "liner" of the hollow charge remained unrecognized for another 44 years. Part of that 1900 article was reprinted in the February 1945 issue of Popular Science, describing how shaped charge warheads worked. It was this article that at last revealed to the general public how the United States Army Bazooka actually worked against armored vehicles during WWII. In 1910, Egon Neumann of Germany discovered that a block of TNT, which would normally dent a steel plate, punched a hole through it if the explosive had a conical indentation. The military usefulness of Munroe's and Neumann's work was unappreciated for a long time. Between the world wars, academics in several countries Myron Yakovlevich Sukharevskii (Мирон Яковлевич Сухаревский) in the Soviet Union, William H. Payment and Donald Whitley Woodhead in Britain, and Robert Williams Wood in the U. S. recognized that projectiles could form during explosions. In 1932 Franz Rudolf Thomanek, a student of physics at Vienna's Technische Hochschule, conceived an anti tank round that was based on the hollow charge effect. When the Austrian government showed no interest in pursuing the idea, Thomanek moved to Berlin's Technische Hochschule, where he continued his studies under the ballistics expert Carl Julius Cranz. There in 1935, he and Hellmuth von Huttern developed a prototype anti tank round. Although the weapon's performance proved disappointing, Thomanek continued his developmental work, collaborating with Hubert Schardin at the Waffeninstitut der Luftwaffe (Air Force Weapons Institute) in Braunschweig. By 1937, Schardin believed that hollow charge effects were due to the interactions of shock waves. It was during the testing of this idea that, on February 4, 1938, Thomanek conceived the shaped charge explosive (or Hohlladungs Auskleidungseffekt (hollow charge liner effect)). (It was Gustav Adolf Thomer who in 1938 first visualized, by flash radiography, the metallic jet produced by a shaped charge explosion.) Meanwhile, Henry Hans Mohaupt, a chemical engineer in Switzerland, had independently developed a shaped charge munition in 1935, which was demonstrated to the Swiss, French, British, and U. S. militaries. During World War II, shaped charge munitions were developed by Germany (Panzerschreck, Panzerfaust, Panzerwurfmine, Mistel), Britain (PIAT, Beehive cratering charge), the Soviet Union (RPG 43, RPG 6), the U. S. (bazooka), and Italy (Effetto Pronto Speciale shells for various artillery pieces). The development of shaped charges revolutionized anti tank warfare. Tanks faced a serious vulnerability from a weapon that could be carried by an infantryman or aircraft. One of the earliest uses of shaped charges was by German glider borne troops against the Belgian Fort Eben Emael in 1940. These demolition charges – developed by Dr. Wuelfken of the German Ordnance Office – were unlined explosive charges and did not produce a metal jet like the modern HEAT warheads. Due to the lack of metal liner they shook the turrets but they did not destroy them, and other airborne troops were forced to climb on the turrets and smash the gun barrels.

Современные военные

В военной терминологии общепринятый термин для боеголовок с кумулятивным зарядом – это боеголовка с высокой взрывчаткой, предназначенная для борьбы с танками (HEAT). Боеголовки HEAT часто используются в противотанковых управляемых ракетах, неуправляемых ракетах, артиллерийских снарядах (как стабилизированных вращением, так и невращающихся), винтовочных гранатах, наземных минах, малогабаритных бомбах, торпедах и в различных других видах вооружений.

Защита

Во время Второй мировой войны точность изготовления заряда и режим его детонации уступали современным боеголовкам. Эта меньшая точность приводила к искривлению и преждевременному разрушению струи, а следовательно, к уменьшению дальности. Возникшая дисперсия снижала глубину пробития при заданном диаметре конуса и сокращала оптимальное расстояние от брони. Поскольку заряды были менее эффективны на больших дистанциях, боковые и башенные экраны (известные как Schürzen), установленные на некоторых немецких танках для защиты от обычных противотанковых ружей, неожиданно оказались полезными, предоставляя струе пространство для рассеивания и тем самым снижая пробитие кумулятивного заряда. Использование навесных разнесенных бронеэкранов на бронетехнике может иметь обратный эффект и фактически увеличить пробитие некоторых кумулятивных боеголовок. Из-за ограничений в длине снаряда/ракеты, встроенное расстояние от брони на многих боеголовках меньше оптимального. В таких случаях экраны эффективно увеличивают расстояние между броней и целью, и боеголовка детонирует ближе к оптимальному расстоянию от брони. Экраны не следует путать с противокумулятивными экранами-сетками, которые в основном используются для повреждения взрывателя снарядов РПГ-7, но также могут привести к изменению угла атаки кумулятивного снаряда при ударе, удлиняя путь пробития кумулятивной струи. Если носовой датчик столкнется с одной из перекладин сетчатого экрана, боеголовка сработает как обычно.

Не военные

В невоенных целях кумулятивные заряды используются при взрывном демонтаже зданий и сооружений, в частности для разрезания металлических свай, колонн и балок, а также для бурения отверстий. В сталелитейной промышленности небольшие кумулятивные заряды часто применяются для пробивания запорных устройств, засоренных шлаком. Другое применение в промышленности – тушение нефтяных и газовых пожаров путем лишения огня кислорода. Кумулятивный заряд был использован в миссии "Хаябуса-2" на астероиде 162173 Рюгу. Космический аппарат сбросил взрывное устройство на астероид и произвел его детонацию, находясь за укрытием. Детонация создала кратер шириной около 10 метров, обеспечив доступ к нетронутому образцу астероида.

Функция

Типичное устройство состоит из твердого цилиндра взрывчатого вещества с металлической облицовкой, образующей коническую полость с одного конца, и центрального детонатора, массива детонаторов или волновода детонации с другого конца. Энергия взрыва высвобождается непосредственно от (нормали) поверхности взрывчатого вещества, поэтому формование взрывчатого вещества концентрирует энергию взрыва в образовавшемся пространстве. Если полость имеет правильную форму, обычно коническую, огромное давление, создаваемое детонацией взрывчатого вещества, приводит в движение облицовку в полости, заставляя ее схлопнуться к центральной оси. В результате столкновения формируется и выбрасывается высокоскоростная струя металлических частиц вдоль оси. Большая часть материала струи происходит из внутренней части облицовки – слоя, составляющего примерно от 10% до 20% от ее толщины. Остальная часть облицовки формирует более медленно движущийся массив материала, который из-за своего внешнего вида иногда называют "морковкой". Из-за изменения скорости схлопывания вдоль облицовки, скорость струи также изменяется по ее длине, уменьшаясь к передней части. Это изменение скорости струи растягивает ее и в конечном итоге приводит к ее распаду на частицы. Со временем частицы отклоняются от траектории, что уменьшает глубину проникновения на больших дистанциях. На вершине конуса, формирующего переднюю часть струи, облицовка не успевает полностью разогнаться до формирования своей части струи. Это приводит к тому, что ее часть струи выбрасывается с меньшей скоростью, чем та, что формируется позже. В результате начальные части струи сливаются, образуя более широкое переднее окончание. Большая часть струи движется с гиперзвуковой скоростью. Передний край достигает скорости от 7 до 14 км/с, хвост – меньшей (1–3 км/с), а массив – еще меньшей (менее 1 км/с). Точные скорости зависят от конфигурации заряда, типа взрывчатого вещества, используемых материалов и способа инициирования взрыва. При типичных скоростях процесс проникновения генерирует такое огромное давление, что его можно считать гидродинамическим; с хорошим приближением струя и броня могут рассматриваться как несжимаемые жидкости (см., например), игнорируя их прочность. Недавний метод, использующий анализ магнитной диффузии, показал, что температура внешних 50% по объему медной струи в полете составляла от 1100 до 1200 К, что намного ближе к температуре плавления меди (1358 К), чем предполагалось ранее. Эта температура согласуется с гидродинамическим расчетом, моделировавшим весь эксперимент. Для сравнения, двухцветные радиометрические измерения конца 1970-х годов указывают на более низкие температуры для различных материалов облицовки кумулятивного заряда, конструкции конуса и типа взрывчатого наполнителя. Кумулятивный заряд с медной облицовкой и заостренной вершиной конуса имел температуру струи в диапазоне от 668 до 863 К при отборе пяти выстрелов. Заряды с октолом и округлой вершиной конуса обычно имели более высокую температуру поверхности, в среднем 810 К, а температура оловянно-свинцовой облицовки с наполнением Comp B в среднем составляла 842 К. В то время как оловянно-свинцовая струя оказалась жидкой, температура медных струй значительно ниже температуры плавления меди. Однако эти температуры не полностью согласуются с данными о том, что мягкие, восстановленные частицы медной струи демонстрируют признаки плавления в ядре, в то время как внешняя часть остается твердой и не может быть приравнена к температуре всего объема. Расположение заряда относительно цели критически важно для оптимального проникновения по двум причинам. Если заряд детонирует слишком близко, струе не хватает времени для полного формирования. Но струя распадается и рассеивается после относительно небольшого расстояния, обычно менее двух метров. На таких дистанциях она распадается на частицы, которые имеют тенденцию кувыркаться и отклоняться от оси проникновения, в результате чего последующие частицы расширяют, а не углубляют отверстие. На больших дистанциях скорость теряется из-за сопротивления воздуха, что еще больше снижает проникновение. Ключ к эффективности кумулятивного заряда – его диаметр. По мере продолжения проникновения через цель ширина отверстия уменьшается, что приводит к характерному эффекту "кулак в палец", где размер конечного "пальца" определяется размером исходного "кулака". В общем случае кумулятивные заряды могут пробивать стальную пластину толщиной от 150% до 700% их диаметра, в зависимости от качества заряда. Эта цифра относится к обычной стальной пластине, а не к композитной броне, динамической защите или другим типам современной брони.

A typical device consists of a solid cylinder of explosive with a metal lined conical hollow in one end and a central detonator, array of detonators, or detonation wave guide at the other end. Explosive energy is released directly away from (normal to) the surface of an explosive, so shaping the explosive will concentrate the explosive energy in the void. If the hollow is properly shaped, usually conically, the enormous pressure generated by the detonation of the explosive drives the liner in the hollow cavity inward to collapse upon its central axis. The resulting collision forms and projects a high velocity jet of metal particles forward along the axis. Most of the jet material originates from the innermost part of the liner, a layer of about 10% to 20% of the thickness. The rest of the liner forms a slower moving slug of material, which, because of its appearance, is sometimes called a "carrot". Because of the variation along the liner in its collapse velocity, the jet's velocity also varies along its length, decreasing from the front. This variation in jet velocity stretches it and eventually leads to its break up into particles. Over time, the particles tend to fall out of alignment, which reduces the depth of penetration at long standoffs. At the apex of the cone, which forms the very front of the jet, the liner does not have time to be fully accelerated before it forms its part of the jet. This results in its small part of jet being projected at a lower velocity than jet formed later behind it. As a result, the initial parts of the jet coalesce to form a pronounced wider tip portion. Most of the jet travels at hypersonic speed. The tip moves at 7 to 14 km/s, the jet tail at a lower velocity (1 to 3 km/s), and the slug at a still lower velocity (less than 1 km/s). The exact velocities depend on the charge's configuration and confinement, explosive type, materials used, and the explosive initiation mode. At typical velocities, the penetration process generates such enormous pressures that it may be considered hydrodynamic; to a good approximation, the jet and armor may be treated as inviscid, compressible fluids (see, for example,), with their material strengths ignored. A recent technique using magnetic diffusion analysis showed that the temperature of the outer 50% by volume of a copper jet tip while in flight was between 1100K and 1200K, much closer to the melting point of copper (1358 K) than previously assumed. This temperature is consistent with a hydrodynamic calculation that simulated the entire experiment. In comparison, two color radiometry measurements from the late 1970s indicate lower temperatures for various shaped charge liner material, cone construction and type of explosive filler. A Comp B loaded shaped charge with a copper liner and pointed cone apex had a jet tip temperature ranging from 668 K to 863 K over a five shot sampling. Octol loaded charges with a rounded cone apex generally had higher surface temperatures with an average of 810 K, and the temperature of a tin lead liner with Comp B fill averaged 842 K. While the tin lead jet was determined to be liquid, the copper jets are well below the melting point of copper. However, these temperatures are not completely consistent with evidence that soft recovered copper jet particles show signs of melting at the core while the outer portion remains solid and cannot be equated with bulk temperature. The location of the charge relative to its target is critical for optimum penetration for two reasons. If the charge is detonated too close there is not enough time for the jet to fully develop. But the jet disintegrates and disperses after a relatively short distance, usually well under two meters. At such standoffs, it breaks into particles which tend to tumble and drift off the axis of penetration, so that the successive particles tend to widen rather than deepen the hole. At very long standoffs, velocity is lost to air drag, further degrading penetration. The key to the effectiveness of the hollow charge is its diameter. As the penetration continues through the target, the width of the hole decreases leading to a characteristic "fist to finger" action, where the size of the eventual "finger" is based on the size of the original "fist". In general, shaped charges can penetrate a steel plate as thick as 150% to 700% of their diameter, depending on the charge quality. The figure is for basic steel plate, not for the composite armor, reactive armor, or other types of modern armor.

Лайнер

Наиболее распространенная форма облицовки коническая, с внутренним углом вершины от 40 до 90 градусов. Различные углы вершины обеспечивают различное распределение массы и скорости струи. Малые углы вершины могут приводить к бифуркации струи или даже к ее неформированию; это обусловлено тем, что скорость схлопывания превышает определенный порог, обычно незначительно более высокий, чем скорость звука в объеме материала облицовки. Другие широко используемые формы включают полусферы, тюльпаны, трубы, эллипсы и биконические облицовки; различные формы формируют струи с различным распределением скорости и массы. Облицовки изготавливаются из множества материалов, включая различные металлы и стекло. Наибольшая глубина пробития достигается с использованием плотного, пластичного металла, и медь является очень распространенным выбором. Для некоторых современных противотанковых средств были приняты молибден и псевдосплавы на основе вольфрама с медным связующим (9:1, что обеспечивает плотность ≈18 Мг/м³). Были опробованы практически все распространенные металлические элементы, включая алюминий, вольфрам, тантал, обедненный уран, свинец, олово, кадмий, кобальт, магний, титан, цинк, цирконий, молибден, бериллий, никель, серебро и даже золото и платину. Выбор материала зависит от цели пробития; например, алюминий оказался эффективным для бетонных целей. В ранних противотанковых средствах медь использовалась в качестве материала облицовки. Позже, в 1970-х годах, было установлено, что тантал превосходит медь благодаря значительно более высокой плотности и очень высокой пластичности при высоких скоростях деформации. Другие металлы и сплавы с высокой плотностью, как правило, имеют недостатки с точки зрения стоимости, токсичности, радиоактивности или недостаточной пластичности. Для достижения максимальной глубины пробития лучшие результаты дают чистые металлы, поскольку они обладают наибольшей пластичностью, что замедляет разрушение струи на частицы при ее растяжении. Однако при заканчивании нефтяных скважин важно, чтобы не образовался твердый слиток или "морковка", поскольку он может заблокировать только что пробитое отверстие и препятствовать притоку нефти. Поэтому в нефтяной промышленности облицовки обычно изготавливаются методом порошковой металлургии, часто из псевдосплавов, которые, если не спечены, формируют струи, состоящие в основном из диспергированных мелких частиц металла. Однако несвязанные холоднопрессованные облицовки не являются водонепроницаемыми и склонны к хрупкости, что облегчает их повреждение при обращении. Можно использовать биметаллические облицовки, обычно медные с цинковым покрытием; во время формирования струи цинковый слой испаряется, и слиток не образуется; недостатком является увеличение стоимости и зависимость формирования струи от качества соединения двух слоев. Можно использовать припои с низкой температурой плавления (ниже 500 °C) или сплавы для пайки (например, Sn50Pb50, Zn97.6Pb1.6 или чистые металлы, такие как свинец, цинк или кадмий); они плавятся до достижения обсадной трубы, и расплавленный металл не препятствует отверстию. Другие сплавы, бинарные эвтектики (например, Pb88.8Sb11.1, Sn61.9Pd38.1 или Ag71.9Cu28.1), образуют композитный материал с металлической матрицей, обладающий пластичной матрицей с хрупкими дендритами; такие материалы уменьшают образование слитков, но их трудно формовать. Другой вариант - металлическая матрица с дискретными включениями материала с низкой температурой плавления; включения либо плавятся до того, как струя достигнет обсадной трубы, ослабляя материал, либо служат центрами зарождения трещин, и слиток разрушается при ударе. Дисперсия второй фазы может быть достигнута также с использованием литейных сплавов (например, меди) с металлом с низкой температурой плавления, нерастворимым в меди, таким как висмут, 1–5% лития или до 50% (обычно 15–30%) свинца; размер включений можно регулировать термической обработкой. Возможно также неоднородное распределение включений. Другие добавки могут изменять свойства сплава; олово (4–8%), никель (до 30% и часто вместе с оловом), до 8% алюминия, фосфор (образующий хрупкие фосфиды) или 1–5% кремния образуют хрупкие включения, служащие центрами начала трещин. Добавление до 30% цинка позволяет снизить стоимость материала и сформировать дополнительные хрупкие фазы. Оксидное стекло формирует струи с низкой плотностью, что приводит к меньшей глубине пробития. Можно использовать двухслойные облицовки, с одним слоем менее плотного, но пирофорного металла (например, алюминия или магния), для усиления зажигательного эффекта после пробития брони; для их изготовления можно использовать взрывную сварку, поскольку тогда металл-металлическая граница однородна, не содержит значительного количества интерметаллидов и не оказывает негативного влияния на формирование струи. Глубина пробития пропорциональна максимальной длине струи, которая является произведением скорости наконечника струи и времени до ее распада. Скорость наконечника струи зависит от скорости звука в объеме материала облицовки, а время до распада зависит от пластичности материала. Максимально достижимая скорость струи примерно в 2,34 раза превышает скорость звука в материале. Скорость может достигать 10 км/с, достигая пика примерно через 40 микросекунд после детонации; наконечник конуса подвергается ускорению около 25 миллионов g. Скорость основания струи достигает примерно 2–5 км/с. Давление между наконечником струи и целью может достигать одного терапаскаля. Огромное давление заставляет металл течь как жидкость, хотя рентгенодифракционный анализ показал, что металл остается твердым; одна из теорий, объясняющих это поведение, предполагает наличие расплавленного ядра и твердой оболочки струи. Лучшие материалы - металлы с гранецентрированной кубической решеткой, поскольку они наиболее пластичны, но даже графит и конические керамические материалы с нулевой пластичностью демонстрируют значительное пробитие.

The most common shape of the liner is conical, with an internal apex angle of 40 to 90 degrees. Different apex angles yield different distributions of jet mass and velocity. Small apex angles can result in jet bifurcation, or even in the failure of the jet to form at all; this is attributed to the collapse velocity being above a certain threshold, normally slightly higher than the liner material's bulk sound speed. Other widely used shapes include hemispheres, tulips, trumpets, ellipses, and bi conics; the various shapes yield jets with different velocity and mass distributions. Liners have been made from many materials, including various metals and glass. The deepest penetrations are achieved with a dense, ductile metal, and a very common choice has been copper. For some modern anti armor weapons, molybdenum and pseudo alloys of tungsten filler and copper binder (9:1, thus density is ≈18 Mg/m3) have been adopted. Nearly every common metallic element has been tried, including aluminum, tungsten, tantalum, depleted uranium, lead, tin, cadmium, cobalt, magnesium, titanium, zinc, zirconium, molybdenum, beryllium, nickel, silver, and even gold and platinum. The selection of the material depends on the target to be penetrated; for example, aluminum has been found advantageous for concrete targets. In early antitank weapons, copper was used as a liner material. Later, in the 1970s, it was found tantalum is superior to copper, due to its much higher density and very high ductility at high strain rates. Other high density metals and alloys tend to have drawbacks in terms of price, toxicity, radioactivity, or lack of ductility. For the deepest penetrations, pure metals yield the best results, because they display the greatest ductility, which delays the breakup of the jet into particles as it stretches. In charges for oil well completion, however, it is essential that a solid slug or "carrot" not be formed, since it would plug the hole just penetrated and interfere with the influx of oil. In the petroleum industry, therefore, liners are generally fabricated by powder metallurgy, often of pseudo alloys which, if unsintered, yield jets that are composed mainly of dispersed fine metal particles. Unsintered cold pressed liners, however, are not waterproof and tend to be brittle, which makes them easy to damage during handling. Bimetallic liners, usually zinc lined copper, can be used; during jet formation the zinc layer vaporizes and a slug is not formed; the disadvantage is an increased cost and dependency of jet formation on the quality of bonding the two layers. Low melting point (below 500 °C) solder or braze like alloys (e. g., Sn50Pb50, Zn97.6Pb1.6, or pure metals like lead, zinc, or cadmium) can be used; these melt before reaching the well casing, and the molten metal does not obstruct the hole. Other alloys, binary eutectics (e. g. Pb88.8Sb11.1, Sn61.9Pd38.1, or Ag71.9Cu28.1), form a metal matrix composite material with ductile matrix with brittle dendrites; such materials reduce slug formation but are difficult to shape. A metal matrix composite with discrete inclusions of low melting material is another option; the inclusions either melt before the jet reaches the well casing, weakening the material, or serve as crack nucleation sites, and the slug breaks up on impact. The dispersion of the second phase can be achieved also with castable alloys (e. g., copper) with a low melting point metal insoluble in copper, such as bismuth, 1–5% lithium, or up to 50% (usually 15–30%) lead; the size of inclusions can be adjusted by thermal treatment. Non homogeneous distribution of the inclusions can also be achieved. Other additives can modify the alloy properties; tin (4–8%), nickel (up to 30% and often together with tin), up to 8% aluminium, phosphorus (forming brittle phosphides) or 1–5% silicon form brittle inclusions serving as crack initiation sites. Up to 30% zinc can be added to lower the material cost and to form additional brittle phases. Oxide glass liners produce jets of low density, therefore yielding less penetration depth. Double layer liners, with one layer of a less dense but pyrophoric metal (e. g. aluminum or magnesium), can be used to enhance incendiary effects following the armor piercing action; explosive welding can be used for making those, as then the metal metal interface is homogeneous, does not contain significant amount of intermetallics, and does not have adverse effects to the formation of the jet. The penetration depth is proportional to the maximum length of the jet, which is a product of the jet tip velocity and time to particulation. The jet tip velocity depends on bulk sound velocity in the liner material, the time to particulation is dependent on the ductility of the material. The maximum achievable jet velocity is roughly 2.34 times the sound velocity in the material. The speed can reach 10 km/s, peaking some 40 microseconds after detonation; the cone tip is subjected to acceleration of about 25 million g. The jet tail reaches about 2–5 km/s. The pressure between the jet tip and the target can reach one terapascal. The immense pressure makes the metal flow like a liquid, though x ray diffraction has shown the metal stays solid; one of the theories explaining this behavior proposes molten core and solid sheath of the jet. The best materials are face centered cubic metals, as they are the most ductile, but even graphite and zero ductility ceramic cones show significant penetration.

Взрывчатый заряд

Для оптимального пробития обычно выбирают взрывчатое вещество с высокой скоростью детонации и давлением. Наиболее распространенным взрывчатым веществом, используемым в высокоэффективных бронебойных боеголовках, является HMX (октоген), однако никогда в чистом виде, поскольку он слишком чувствителен. Обычно его смешивают с несколькими процентами пластификатора, например, как в полимерно-связанном взрывчатом веществе (PBX) LX 14, или с другим менее чувствительным взрывчатым веществом, таким как тротил, с которым он образует октол. Другими распространенными высокоэффективными взрывчатыми веществами являются составы на основе РДХ, также в виде PBX или смесей с тротилом (для получения композиции B и циклотолов) или воском (циклонитов). Некоторые взрывчатые вещества содержат порошковый алюминий для увеличения энергии взрыва и температуры детонации, но такое добавление обычно снижает эффективность кумулятивного заряда. Велись исследования по использованию высокоэффективного, но чувствительного взрывчатого вещества CL 20 в боеголовках с кумулятивным зарядом, однако в настоящее время, из-за его чувствительности, это делается в форме композита PBX LX 19 (CL 20 и связующее Estane).

Другие особенности

Волноформирователь – это тело (обычно диск или цилиндрический блок) из инертного материала (обычно твердого или вспененного пластика, но иногда металла, возможно, полый), вставляемый внутрь взрывчатого вещества с целью изменения пути распространения детонационной волны. Эффект заключается в модификации схлопывания конуса и формирующейся струи, с целью повышения пробивной способности. Волноформирователи часто используются для экономии пространства; более короткий заряд с волноформирователем может обеспечивать ту же эффективность, что и более длинный заряд без него. Учитывая бесконечное множество возможных форм волноформирователей, разработаны методы машинного обучения для проектирования более оптимальных волноформирователей, способных повысить эффективность кумулятивного заряда посредством вычислительного моделирования. Другой полезной конструктивной особенностью является сублибрование – использование облицовки меньшего диаметра (калибра), чем диаметр взрывчатого заряда. В обычном заряде взрывчатое вещество у основания конуса настолько тонкое, что не способно разогнать прилегающую облицовку до достаточной скорости для формирования эффективной струи. В сублибровом заряде эта часть устройства фактически исключается, что приводит к уменьшению длины заряда при сохранении тех же характеристик.

Варианты

Существует несколько видов кумулятивных зарядов.

Линейные заряды

Линейный шпуровый заряд (LSC) имеет футеровку с V-образным профилем и переменной длиной. Футеровка окружена взрывчатым веществом, которое затем заключено в подходящий материал, служащий для защиты взрывчатого вещества и его уплотнения (тампирования) при детонации. "При детонации фокусировка взрывной волны высокого давления, воздействующей на боковую стенку, приводит к схлопыванию металлической футеровки LSC, создавая режущую силу". Детонация направляется в футеровку, формируя непрерывную, ножеподобную (планарную) струю. Струя разрезает любой материал на своем пути на глубину, зависящую от размера и материалов заряда. Обычно глубина проникания составляет от 1 до 1,2 ширины заряда. Для резки сложных форм существуют гибкие варианты линейного шпурового заряда, с оболочкой из свинца или вспененного материала высокой плотности и пластичной/гибкой футеровки, которая также часто изготавливается из свинца. LSC обычно используются для резки прокатных двутавровых балок (RSJ) и других конструктивных элементов, например, при контролируемом сносе зданий. LSC также применяются для разделения ступеней многоступенчатых ракет и их уничтожения в случае отклонения от траектории.

Взрывно-образованный проникновенный элемент

Взрывно-формируемый кумулятивный снаряд (ВФКС) также известен как самодеформирующийся фрагмент (СДФ), взрывно-формируемый проникатель (ВФП), самодеформирующийся проникатель (СЭФОП), пластинчатый заряд и заряд Миснея-Шардена (МШ). ВФКС использует действие детонационной волны взрывчатого вещества (и в меньшей степени импульс продуктов детонации) для разгона и деформации пластины или чаши из пластичного металла (такого как медь, железо или тантал) в компактный высокоскоростной снаряд, обычно называемый донным зарядом. Этот донный заряд направляется к цели со скоростью около двух километров в секунду. Главное преимущество ВФКС перед обычным (например, коническим) кумулятивным зарядом заключается в его эффективности на больших дистанциях, достигающих сотен диаметров заряда (возможно, сотни метров для практического устройства). ВФКС относительно невосприимчив к реактивной броне первого поколения и может преодолевать до 1000 диаметров заряда (ДЗ) до того, как его скорость станет недостаточной для пробития брони из-за аэродинамического сопротивления или успешное поражение цели станет проблематичным. Попадание ВФКС в виде шара или донного заряда обычно вызывает большое, но относительно неглубокое отверстие, не превышающее двух ДЗ. Если ВФКС пробивает броню, возникают сколы и обширные повреждения за броней (ПЗБ, также известные как повреждения после брони, ПАБ). ПЗБ в основном вызываются высокой температурой и высокой скоростью осколков брони и донного заряда, попадающих внутрь, а также избыточным давлением взрыва, создаваемым этими осколками. Более современные версии боевых частей ВФКС, благодаря использованию передовых способов подрыва, могут также создавать длинные стержни (вытянутые донные заряды), многозарядные снаряды и снаряды со стабилизирующими оперениями. Длинные стержни способны пробивать значительно большую толщину брони, несколько теряя в эффективности ПЗБ, многозарядные снаряды лучше подходят для поражения легкобронированных или площадных целей, а снаряды с оперением обладают значительно большей точностью. Применение этого типа боевых частей в основном ограничено слабозащищенными зонами основных боевых танков (ОБТ), такими как верхняя, нижняя и кормовая броня. Он хорошо подходит для поражения других менее защищенных боевых бронированных машин (ББМ) и для разрушения материальных целей (зданий, бункеров, опор мостов и т.д.). Новые стержневые снаряды могут быть эффективны против более тяжелобронированных зон ОБТ. Оружие, использующее принцип ВФКС, уже применялось в боевых условиях; "умные" суббоеприпасы в кассетных бомбах CBU 97, использовавшихся ВВС и ВМС США в Иракской войне 2003 года, использовали этот принцип, и, по сообщениям, армия США экспериментирует с высокоточными артиллерийскими снарядами в рамках проекта SADARM (Seek And Destroy ARMor). Существуют также различные другие снаряды (BONUS, DM 642) и ракетные суббоеприпасы (Motiv 3M, DM 642) и мины (MIFF, TMRP 6), использующие принцип ВФКС. Примеры боевых частей ВФКС – патенты США 5038683 и US6606951.

The explosively formed penetrator (EFP) is also known as the self forging fragment (SFF), explosively formed projectile (EFP), self forging projectile (SEFOP), plate charge, and Misnay Schardin (MS) charge. An EFP uses the action of the explosive's detonation wave (and to a lesser extent the propulsive effect of its detonation products) to project and deform a plate or dish of ductile metal (such as copper, iron, or tantalum) into a compact high velocity projectile, commonly called the slug. This slug is projected toward the target at about two kilometers per second. The chief advantage of the EFP over a conventional (e. g., conical) shaped charge is its effectiveness at very great standoffs, equal to hundreds of times the charge's diameter (perhaps a hundred meters for a practical device). The EFP is relatively unaffected by first generation reactive armor and can travel up to perhaps 1000 charge diameters (CD)s before its velocity becomes ineffective at penetrating armor due to aerodynamic drag, or successfully hitting the target becomes a problem. The impact of a ball or slug EFP normally causes a large diameter but relatively shallow hole, of, at most, a couple of CDs. If the EFP perforates the armor, spalling and extensive behind armor effects (BAE, also called behind armor damage, BAD) will occur. The BAE is mainly caused by the high temperature and high velocity armor and slug fragments being injected into the interior space and the blast overpressure caused by this debris. More modern EFP warhead versions, through the use of advanced initiation modes, can also produce long rods (stretched slugs), multi slugs and finned rod/slug projectiles. The long rods are able to penetrate a much greater depth of armor, at some loss to BAE, multi slugs are better at defeating light or area targets and the finned projectiles are much more accurate. The use of this warhead type is mainly restricted to lightly armored areas of main battle tanks (MBT) such as the top, belly and rear armored areas. It is well suited for the attack of other less heavily protected armored fighting vehicles (AFV) and in the breaching of material targets (buildings, bunkers, bridge supports, etc.). The newer rod projectiles may be effective against the more heavily armored areas of MBTs. Weapons using the EFP principle have already been used in combat; the "smart" submunitions in the CBU 97 cluster bomb used by the US Air Force and Navy in the 2003 Iraq war employed this principle, and the US Army is reportedly experimenting with precision guided artillery shells under Project SADARM (Seek And Destroy ARMor). There are also various other projectile (BONUS, DM 642) and rocket submunitions (Motiv 3M, DM 642) and mines (MIFF, TMRP 6) that use EFP principle. Examples of EFP warheads are US patents 5038683 and US6606951.

Тандемная боеголовка

Некоторые современные противотанковые ракеты (RPG 27, RPG 29) и ракеты (TOW 2, TOW 2A, Eryx, HOT, MILAN) используют тандемную кумулятивную боевую часть, состоящую из двух отдельных кумулятивных зарядов, расположенных один за другим, обычно на некотором расстоянии. TOW 2A стала первой, применившей тандемные боевые части в середине 1980-х годов. Этот аспект вооружения армия США была вынуждена раскрыть под давлением СМИ и Конгресса из-за опасений, что противотанковые ракеты НАТО неэффективны против советских танков, оснащенных новыми блоками динамической защиты (ДЗ). Армия сообщила, что на наконечнике выдвижного щупа TOW 2 и TOW 2A установлен 40-мм предварительный кумулятивный заряд. Обычно передний заряд несколько меньше заднего, поскольку он предназначен главным образом для разрушения блоков или элементов ДЗ. Примеры тандемных кумулятивных боевых частей – патенты США 7363862 и US 5561261. Американская противотанковая ракета "Хеллфайр" – одна из немногих, сумевших реализовать сложную инженерную задачу: разместить два кумулятивных заряда одинакового диаметра в одной боевой части. Недавно российская оружейная компания представила 125-мм танковый снаряд с двумя кумулятивными зарядами одинакового диаметра, расположенными один за другим, но со смещением заднего заряда, чтобы его кумулятивная струя не мешала струе переднего заряда. Причина использования тандемных зарядов одинакового диаметра в "Хеллфайре" и российских 125-мм боеприпасах заключается не в увеличении бронепробиваемости, а в усилении поражающего действия за броней.

Компрессор Войтенко

В 1964 году советский ученый предложил адаптировать кумулятивный заряд, изначально разработанный для пробивания толстых стальных бронеплит, для ускорения ударных волн. Полученное устройство, отдаленно напоминающее аэродинамическую трубу, называется компрессором Войтенко. Компрессор Войтенко первоначально разделяет испытуемый газ и кумулятивный заряд гибкой стальной пластиной. При детонации заряда большая часть его энергии фокусируется на стальной пластине, приводя ее в движение и сжимая испытуемый газ перед ней. Лаборатория Эймса реализовала эту идею в саморазрушающейся ударной трубе. Кумулятивный заряд весом 66 фунтов ускорил газ в стеклянной трубе диаметром 3 см и длиной 2 метра. Скорость образовавшейся ударной волны составила 220 000 футов в секунду (67 км/с). Аппарат, подвергшийся детонации, был полностью уничтожен, но до этого были получены полезные данные. В типичном компрессоре Войтенко кумулятивный заряд ускоряет водород, который, в свою очередь, разгоняет тонкий диск до скорости около 40 км/с. Небольшая модификация концепции компрессора Войтенко – сверхсжатая детонация, устройство, использующее сжимаемое жидкое или твердое топливо в стальной камере сжатия вместо традиционной газовой смеси. Дальнейшим развитием этой технологии является взрывная алмазная ячейка, использующая несколько встречных кумулятивных струй, направленных на единое стальное топливо в оболочке, например, водород. Топливо, используемое в этих устройствах, в сочетании с реакциями вторичного горения и длительным импульсом взрыва, создает условия, аналогичные тем, что возникают при использовании топливно-воздушных и термобарических взрывчатых веществ.

Ядерные заряды

Предлагаемая ядерная двигательная система проекта "Орион" потребовала бы разработки ядерных кумулятивных зарядов для реактивного ускорения космических аппаратов. Кумулятивные эффекты, создаваемые ядерными взрывами, обсуждались теоретически, но не известно, чтобы они были когда-либо реализованы на практике. Например, один из первых конструкторов ядерного оружия, Тед Тейлор, был процитирован следующим образом, говоря о кумулятивных зарядах: "Правильно сформированное делящееся устройство мощностью в один килотонну может проделать отверстие диаметром 3 метра в твердой породе на глубину 305 метров". Также, в 1960-х годах, по-видимому, был предложен ядерный кумулятивный проникатель для системы противоракетной обороны на конечном участке траектории.

Примеры в СМИ

В программе "Вооружение будущего" канала Discovery был представлен "Кракатау" – простой кумулятивный боеприпас, разработанный компанией Alford Technologies для использования в специальных операциях. Боеприпас состоял из простой пластиковой оболочки, медного конуса и заряда пластикового взрывчатого вещества. Это устройство эффективно пробивало стальные листы на расстоянии нескольких метров.