8.1 Физическая сущность кумулятивного действия

Термин «кумуляция» происходит от латинского cumulatio, что означает «скопление» или cumulo — накапливаю. Дословно это слово означает увеличение или усиление какого-либо эффек­та за счет наложения или накопления нескольких однородных по своей природе эффектов. На практике кумуляцией (кумуля­тивным эффектом) называется явление концентрации энергии взрыва заряда ВВ в заданном направлении. Это направление определяется специально выполненной в заряде кумулятивной выемкой.

Открытие кумулятивного эффекта взрыва принадлежит рус­скому военному инженеру М М. Борескову, который в 1864 г. па практике показал сильное разрушительное действие мин с кумулятивной выемкой в саперных работах. В 1865 г. появился первый капсюль-детонатор с конической кумулятивной выем­кой, обладающий повышенной инициирующей способностью.

Первые систематические исследования кумулятивного эф­фекта были проведены в 1923—1926 гг. профессором М. Я. Су­харевским, который установил зависимость пробивного действия кумулятивных зарядов без облицовки от формы выемки и ряда других факторов. Он впервые высказал гипотезу о физической сущности кумулятивного эффекта, которая заключается в кон­центрации энергии взрыва в определенном направлении.

Серьезные экспериментальные и теоретические исследования кумуляции принадлежат русским ученым — академику М. А. Лаврентьеву и профессору Г. И. Покровскому. Кумулятивные заряды занимают особое место в военной тех­нике. 1914 г. был получен первый патент па разработку куму­лятивного снаряда для поражения бронированной техники. Од­нако широкое практическое применение кумулятивные заряды получили лишь в период второй мировой войны .в боеприпасах, предназначенных для поражения объек:гов различных типов, особенно бронированных целей и инженерных сооружений.

Рассмотрим кумулятивное действие на примере взрыва ци­линдрических зарядов с выемкой и без нее, установленных над стальной плитой конечной толшины (рисунок 8.1). Подрыв заряд л без выемки оставит на ней небольшую вмятину.

Рисунок 8.1. Действие цилиндрических зарядов с выемкой и без нес на сталь­ную плиту:

1 - точка инициирования; 2 - заряд ВВ; 3 - облицовка кумулятивной выемки; 4 – стальная плита

Если заряд начать поднимать над плитой, то глубина вмятины очень быстро уменьшается до нуля. Тот же заряд, который имеет коническую выемку, при подрыве формирует кратер с некоторой глубиной L. С увеличением высоты подрыва h заряда над плитой глуби­на кратера L сначала резко растет, а затем постепенно пада­ет. Если же стенку выемки заряда облицевать металлическим покрытием, то глубина кратера в плите после подрыва заряда заметно увеличится. По мере удаления такого заряда от сталь­ной плиты глубина кратера будет быстро увеличиваться и на некотором расстоянии в плите образуется сквозное отверстие. Дальнейшее увеличение расстояния между зарядом и броней приведет к уменьшению глубины кратера.

Проделанные выше наблюдения позволяют сделать три важ­ных вывода. Во-первых, наличие в заряде выемки приводит к значительному увеличению пробивного действия заряда, то есть к кумуляции энергии взрыва в сторону выемки. Во-вторых, су­ществует некоторое расстояние от кумулятивного заряда до брони, на котором пробивное действие заряда максимальное. В третьих, наличие на. поверхности выемки заряда, металличе­ской облицовки существенно увеличивает пробивное действие.

Рассмотрим физическую сущность явления кумуляции на примере взрыва цилиндрического заряда с конической выемкой без облицовки (рисунок 8.2). Проводя из точки инициирования О взрывные лучи 0А и 0А^/ к точкам поверхности выемки, легко установить, что продукты взрыва со всех точек этой поверхнос­ти разлетаются в направлении к оси заряда и соударяются друг с другом. В результате этого про­исходит их уплотнение и образу­ется газовый поток, направленный вдоль оси заряда, который носит название газовой кумулятивной струи. Наименьшее сечение струи называется кумулятивным

Рисунок 8.2. Схема разлета продуктов детона­ции с конической поверхности выемки заряда

Рисунок 8.3. Характер распределения матери­ала облицовки в

ку­мулятивной струе и песте:

1 — .заряд ВВ; 2 - облицовка; 3 - пест; 4 - кумулятивная струя

фокусом заряда без облицов­ки, а расстояние - от основания выемки до фокуса фоку­сным расстоянием . В фокусе имеет место наибольшее уп­лотнение продуктов взрыва, давление которых достигает мил­лиона атмосфер, температура 6-7 тысяч градусов, а скорость движения — до 15 км/с и более. Эги значения параметров про­дуктов детонации намного превосходят параметры во фронте детонационной волны. На расстояниях, больших фокусного, га­зовая струя быстро рассеивается вследствие радиального расширения сжатых до большого давления продуктов взрыва и резко тормозится. Покрытие поверхности кумулятивной выемки металлической облицовкой определенной толщины существенно усиливает кумулятивный эффект. Под воздействием продуктов взрыва металлическая облицовка выемки обжимается и уско­ряется к ее оси. Обжатие облицовки происходит последователь­но, начиная с ее вершины, при этом метание металла в различ­ных сечениях происходит почти по нормали к образующей обли­цовки. Скорость обжатия облицовки так велика, что силы внут­реннего трения и вязкости в металле оказываются пренебрежи­мо малыми по сравнению с инерционными массовыми силами. В результате этого металл облицовки, находящийся в твердом состоянии, ведет себя практически как несжимаемая жидкость.

По мере приближения к оси облицовки кумулятивной выем­ки происходит увеличение толщины поперечного сечения обжа­той облицовки. Таким образом, металлическая облицовка, имея вначале форму воронки, как бы схлопывается, стекаясь к оси выемки. При схлопывании облицовки вдоль ее оси частицы ме­талла внутренней поверхности облицовки выплескиваются в сторону основания выемки с очень большой скоростью, образуя тонкую металлическую струю. Основная же часть материала облицовки образует в хвостовой части струи сравнительно мед­ленно движущийся утолщенный металлический стержень — так называемый пест. Точками на рисунке 8.3 условно показано распре­деление металла облицовки в кумулятивной струе и песте. Так из металла в точках 5 и 6 облицовки образуются головная часть струи 5` и хвостовая часть песта 6'. Металл из точек 1 2, 9 и 10 облицовки переходит соответственно в хвост струи (точки 1', 9') и голову песта (точки 2<sup>`</sup>, 10'). Распределение металла обли­цовки между кумулятивной струей и пестом связано с теку­честью металла. Этот факт подтвержден опытным путем, в ко­тором на внутреннюю или наружную поверхности стального ко­нуса гальваническим путем наносился тонкий слой меди. После взрыва такого заряда медь обнаруживалась соответственно либо только в струе, либо только в песте, что являлось подтвержде­нием характера распределения металла облицовки.

Процесс обжатия металлической облицовки, образование пес­та и кумулятивной струи показан на рисунке 8.4.

Рисунок 8.4 Стадии процесса формировании кумулятивной струн и песта: 1- заряд ВВ; .2- металлическая облицовка; 3 - детонационная вол­на; 4 – пест; 5 - кумулятивная струя; 6 — баллистическая волна

До определенного момента времени пест и струя составляют единое целое, однако, вследствие существенной разницы в ско­ростях их движения на некотором расстоянии от заряда они разделяются. Так как плотность металла облицовки существенно больше, чем плотность продуктов детонации заряда, а его коэффициент объемного расширения в сравнении с газообразными, продукта взрыва очень мал. то, следовательно, устойчивость и даль­ность эффективного действия металлической кумулятивной струн значительно выше, чем газовой.

В образовании кумулятивной струи принимает участие не вся масса заряда ВВ, а только та ее часть, продукты взрыва кото­рой разлетаются в сторону кумулятивной выемки. Эта масса называется активной частью кумулятивного заряда, и ее можно определить при гипотезе о мгновенной детонации.

Для примера рассмотрим цилиндрический заряд бесконечном высоты с выемкой конической формы (рисунок 8.5).

Рисунок 8.5. Схема образовании активной части

кумулятивного заряд

В таком заряде волны разрежения, которые определяют разлет продуктов де­тонации заряда ВВ, движутся в глубь заряда со всех его поверх­ностен одновременно и с одинаковой скоростью С. На рисунке. 8.5a, показано текущее положение фронтов волн разряжения в неко­торый момент времени. Ясно, что геометрическим местом точек их пересечения является линия АВ и ВС (рисунок 8.5,6). Каждая точка D, принадлежащая этой кривой, находится на равном удалении от соответствующих поверхностей заряда. Таким об­разом, активная часть заряда ограничена объемом с сечением АВСО, примыкающим непосредственно к выемке. Поскольку волны разрежения, движущиеся от вершины выемки О и боко­вой поверхности заряда, к моменту их встречи проходят одина­ковые расстояния, равные радиусу заряда , то высота активной части будет равна

где h - высота выемки.

Из рисунка 8.5,в видно, что у зарядов большой высоты явля­ется постоянной величиной и не будет изменяться при уменьше­нии высоты заряда до некоторого предельного значения

Дальнейшее уменьшение высоты заряда приводит к уменьшению массы активной части заряда (рисунок 4.5,г). Однако при уменьшении высоты заряда масса активной части сокра­щается медленнее, чем масса всего заряда. Это обстоятельство позволяет в кумулятивных зарядах без заметного уменьшения кумулятивного эффекта иногда использовать заряды высотой

Из рисунка 8.5 следует также, что погонная масса активной ча­сти заряда ВВ в сечениях у вершины металлической облицовки больше, чем у ее основания. Поэтому головные элементы куму­лятивной струи, образующиеся из вершины облицовки, имеют большую скорость, чем хвостовые, которые формируются из ме­талла, примыкающего к основанию облицовки. Благодаря гра­диенту скоростей, направленному вдоль струи, кумулятивная металлическая струя в процессе движения растягивается. В ре­зультате начальная длина кумулятивной струн, примерно рав­ная длине образующей кумулятивной облицовки, может увели­читься в несколько раз без разрушения целостности струи. Та­кое большое растяжение струи объясняется тем, что на началь­ной стадии движения струи инерционные силы уравновешива­ются силами сцепления между частицами металла. С этой точ­ки зрения высокая пластичность металла является положитель­ным фактором. При достижении некоторой предельной степени растяжения, зависящей от материала облицовки и скорости струи, последняя разрушается на отдельные элементы.

Для кумулятивных зарядов скорость головной части струи достигает 10—11 км/с, а хвостовом части — 2—3 км/с. Масса кумулятивном струи в среднем составляет 6—2О°/о от массы об­лицовки, а диаметр в самой толстой ее хвостовой части не пре­вышает 10— 15% от диаметра основания облицовки. Пест дви­жется со скоростью 500—1000 м с. Диаметр песта, как прави­ло, постоянным по его длине, составляет примерно 25—30°/« ди­аметра основания облицовки.

Путем улавливания кумулятивной струи в некоторых не­плотных средах и последующего металлографического анализа установлено, что в процессе пластических деформаций облицов­ки, связанных с формированием струи, температура ее может достигать 900—100°С, однако плавления металла облицовкч при этом не происходит. Специальные металлографические ис­следования струи и песта в различных сечениях позволяют об­наружить вытягивание и ориентацию структур-ных составляю­щих металла в осевом направлении. Более жесткая ориентация и вытянутость микроструктур увеличиваются по мере прибли­жения к оси песта. Этот факт является косвенным подтверж­дением того, что в процессе схлопывания облицовки и образо­вания струм и песта металл течет, причем его внутренние слои имеют большую скорость по сравнению с наружными.