Танковая эволюция
Первые танки представляли собой медлительные подвижные артиллерийские батареи (иногда с несколькими орудиями), защищенные противопульным бронированием. Это были аналоги бронепоездов, с той разницей, что двигаться они могли не по рельсам, а по пересеченной местности и, само собой разумеется, по дорогам. Эволюция технических решений привела к новым способам применения бронетехники, она стала мобильнее и переняла часть функций кавалерии. Наиболее передовыми достижениями могла похвалиться советская инженерная школа, которая уже к концу тридцатых годов XX века пришла к общей концепции, определяющей облик современного танка. Все остальные страны до конца войны продолжали строить боевые машины по устаревшей схеме, с передней трансмиссией, узкими гусеницами, клепаными корпусами и карбюраторными двигателями. Несколько больших по сравнению с Великобританией и США успехов добилась нацистская Германия. Инженеры, строившие «Тигры» и «Пантеры» сделали ряд попыток увеличить стойкость своих машин, применив наклонное бронирование. Ширину гусениц немцам тоже пришлось изменить согласно условиям Восточного фронта. Длинноствольные орудия стали еще одним признаком, приближающим характеристики танков Вермахта к современным стандартам. На этом прогресс в стане наших врагов остановился.
Где используется
Собственно сам кумулятивный эффект наблюдали, наверное, все без исключения люди. Возникает он, к примеру, при падении капли в воду. В этом случае на поверхности последней образуются воронка и тонкая струя, направленная вверх.
Использоваться кумулятивный эффект может, к примеру, в исследовательских целях. Создавая его искусственно, ученые ищут пути достижения высоких скоростей веществ — до 90 км/с. Также этот эффект используется в промышленности — в основном в горных разработках. Но наибольшее применение он, конечно же, нашел в военном деле. Боеприпасы, работающие на таком принципе, используются разными странами с начала прошлого века.
Кумулятивный снаряд
– артиллерийский снаряд основного назначения, в к-ром для поражения цели используется заряд кумулятивного действия (см. Кумулятивный эффект). Кумулятивный снаряд предназначен для стрельбы по бронированным целям (танкам, БМП, БТР и т. п.), а также по железобетонным фортификац. сооружениям. В СССР первые эксперименты с кумулятивными снарядами проводились в 1934 С.Н.Дядичевым. Опытные кумулятивные снаряды использовались в 1938 во время гражд. войны в Испании. Во 2-й мировой войне кумулятивные снаряды широко применялись всеми воюющими армиями. Первый отечеств. образец кумулятивного снаряда, принятый на вооружение Сов. Армии в янв. 1942, был разработан под руководством К.К.Снитко. Во время Великой Отечеств, войны К. с. иногда называли «броненрожигающим» или «термитным». Кумулятивный снаряд (см. рис.) состоит из корпуса, разрывного заряда, кумулятивной выемки, взрывателя и трассёра. В качестве разрывного заряда используются бризантные ВВ, обладающие высокой скоростью детонации (гексоген и др., а также их смеси и сплавы с тротилом в различных пропорциях). Бронепробиваемость кумулятивного снаряда зависит от формы, размеров и материала облицовки кумулятивной выемки, массы и свойств разрывного заряда, времени срабатывания детонационной цепи (конструкции взрывателя), скорости вращения снаряда, угла встречи его с преградой, характеристик брони. Вращение кумулятивного снарядаприводит к рассеиванию кумулятивной струи под действием центробежной силы и снижению её бронспробиваемости. Поэтому у некоторых кумулятивных снарядов нарезных орудий для исключения вращения предусматривается проворот кумулятивного узла или ведущего пояска относительно корпуса снаряда. Другой путь повышения бронепробиваемости кумулятивного снаряда — применение гладкоствольных орудий. Для стабилизации в полёте невращающиеся кумулятивные снаряды имеют калиберное или надкалиберное оперение; последнее раскрывается после выхода снаряда из канала ствола. Такие устройства способствуют повышению эффективности кумулятивного снаряда, но усложняют конструкцию. Бронепробиваемость вращающихся кумулятивных снарядов обычно около двух калибров, невращающихся — порядка четырёх и более. К сер. 70-х гг. К. с. широко применяются дли стрельбы из арт. орудии различ. типов (в т.ч. танковых и безоткатных). Лит.: Латухин А. Н. Противотанковое во- оруженно. M , 1974, Артиллерия и ракеты. М., 1968.
Кумулятивный снаряд: принцип действия
В боевой части заряда делается воронкообразное углубление, которое облицовывается слоем металла толщиной в один или несколько миллиметров. Данная воронка повернута широким краем к мишени.
После детонации, которая происходит у острого края воронки, взрывная волна распространяется к боковым стенкам конуса и схлопывает их к оси боеприпаса. При взрыве создается огромное давление, которое превращает металл облицовки в квазижидость и под огромным давлением перемещает ее вперед вдоль оси снаряда. Таким образом образуется струя металла, которая движется вперед с гиперзвуковой скоростью (10 км/с).
Следует отметить, что при этом металл облицовки не плавится в традиционном понимании этого слова, а деформируется (превращается в жидкость) под огромным давлением.
Когда струя металла входит в броню, прочность последней не имеет никакого значения. Важна ее плотность и толщина. Пробивная способность кумулятивной струи зависит от ее длины, плотности материала облицовки и материала брони. Максимальное проникающее действие возникает при взрыве боеприпаса на определенном расстоянии от брони (оно называется фокусным).
Взаимодействие брони и кумулятивной струи происходит по законам гидродинамики, то есть давление столь велико, что самая крепкая танковая броня при попадании на нее струи ведет себя как жидкость. Обычно кумулятивный боеприпас может пробить броню, толщина которой составляет от пяти до восьми его калибров. При облицовке из обедненного урана бронебойное действие увеличивается до десяти калибров.
Трудное положение на Восточном фронте
Следует отметить и тот факт, что в начале войны немцам было крайне затруднительно бороться с советской бронетехникой. Все средние, и тем более тяжелые танки, состоявшие на вооружении Красной Армии, имели надежное противоснарядное бронирование, к тому же наклонное. Калибра башенных орудий, если они были (а Т-1, например, вооружался только пулеметом), не хватало, чтобы поразить Т-34 или КВ. С нашими танками могла бороться только штурмовая авиация, полевая или зенитная артиллерия, стреляющая, как правило, болванками. Эффективность применения возрастала, если заряд был кумулятивный. Подкалиберный снаряд также обладал сильной бронебойностью, но он в производстве оказался слишком сложным и требовал высоких затрат, а Германии, воевавшей кроме Восточного фронта и на море, и в Африке, приходилось экономить.
Кумулятивная струя
| Фоторазвертка движения. |
Условия формирования кумулятивной струи определяются микроструктурой металла облицовки и способностью его структурных составляющих к пластической деформации.
| Фоторазвертка движения. |
Путем улавливания кумулятивной струи в некоторых неплотных средах и последующего металлографического анализа установлено, что в процессе формирования струи не происходит плавления металла. Однако температура струи при этом может достигать 900 – 1000 С.
Процесс проникания кумулятивной струи в любую среду разделяется на начальную ударно-волновую стадию и стадию установившегося проникания.
Теория образования кумулятивных струй и их действия, предложенная М. А. Лаврентьевым и Г. И. Покровским ( около 1944 г.), просто и наглядно объясняет главные черты этого явления. Струя образуется при косом столкновении пластин, показанном на рис. 1, а. Авторы теории выбрали удачное и простое приближение, сделавшее все расчеты элементарными: материал пластин считается несжимаемой жидкостью. Во многих случаях такое приближение оказывается хорошим.
Механизм образования кумулятивной струи следующий. При взрыве вещества в виде цилиндрического заряда происходит почти мгновенное превращение его в газообразные продукты, которые разлетаются во все стороны в направлениях, перпендикулярных поверхности заряда. Если углубление в заряде облицовано тонким слоем металла, то при детонации заряда вдоль его оси образуется кумулятивная струя, состоящая не только из газообразных продуктов, но и из размягченного металла, который выделяется из металлической облицовки.
В создании кумулятивной струи участвует так называемая активная часть кумулятивного заряда, т.е. часть ВВ, непосредственно прилегающая к кумулятивной выемке и характеризующаяся распространением продуктов детонации в направлении кумулятивной струи. Продукты детонации остальной – пассивной части кумулятивного заряда разлетаются в стороны, полезной работы не производят и – как правило, оказывают вредное воздействие на окружающие элементы конструкции и среду. Доля активной части заряда может быть увеличена путем помещения заряда в массивную оболочку из плотного и прочного материала.
В этом случае кумулятивная струя не образуется. Следовательно, смачиваемость стенок пробирки жидкостью является существенным условием опыта.
Поскольку в действительности кумулятивная струя в движении растягивается и затем фрагментируется, расчет длины пробиваемого ею канала существенно усложняется.
Рассмотрим механизм образования кумулятивной струи и проникновении ее в преграду. При взрыве цилиндрического заряда взрывчатого вещества происходит почти мгновенное превращение его в газообразные продукты, разлетающиеся во все стороны по направлениям, перпендикулярным к поверхности заряда. Сущность эффекта кумуляции заключается в том, что при наличии выемки в заряде газообразные продукты детонации части заряда, называемой активной частью, двигаясь к оси заряда, концентрируются в мощный поток, называемый кумулятивной струей.
С – длина кумулятивной струи, для большинства зарядов численно равная длине образующей кумулятивной выемки.
Лаврентьев рассчитал параметры кумулятивной струи для зарядов с конической формой выемок и близкой к ней с учетом этих факторов.
Теория бронепробивного действия кумулятивной струи впервые была разработана Лаврентьевым. Он исходил из предположения, что при соударении струи с броней развиваются высокие давления, при которых можно пренебречь прочностным сопротивлением металла и рассматривать броню как идеальную несжимаемую жидкость. В соответствии с этим Лаврентьев подробно рассмотрел следующую задачу.
Рассмотрим сначала движение кумулятивной струи в воздухе. Очевидно, что на сравнительно небольших расстояниях от заряда ( до нескольких метров), которые и представляют практический интерес, сопротивлением воздуха можно пренебречь и рассматривать движение струи в вакууме.
Интересные факты
- Первоначально кумулятивные снаряды назывались бронепрожигающими, так как считалось (исходя из формы пробитой воронки), что они именно прожигают броню. В реальности же при подрыве заряда температура облицовки достигает всего лишь 200—600 °C, что значительно ниже температуры её плавления.
- Распространено мнение, что при попадании кумулятивной струи в танк или иную броневую цель находящиеся внутри погибают от баротравмы при резком повышении давления в замкнутом объеме после пробития брони, и это одна из причин, почему десант БМП предпочитает ездить снаружи, на верхнем листе, а не внутри машины, а также поэтому некоторые танкисты предпочитают езду с открытыми люками, для сброса давления. В реальности же всё наоборот: расширяющиеся газы сдетонировавшего кумулятивного заряда не могут проникнуть за пробитую броню в образовавшееся небольшое отверстие, а вот открытые люки приводят к «затеканию» ударной волны и поражению экипажа.
Принцип работы кумулятивного снаряда
Во время Великой Отечественной войны был разработан кумулятивный снаряд, принцип действия которого основывался на направленном взрыве. В нем установлена металлическая конусная воронка, которая имеет толщину стенок до одного сантиметра. Широкий край воронки повернут напрямую к мишени. После столкновения взрывателя с объектом создается давление, которое идет по конусу в центр снаряда.
10 км
в секунду, такую скорость имеет высвобождаемая снарядом обратная струя
После чего снаряд высвобождает под огромным давлением в обратную сторону металлическую струю, которая имеет скорость до 10 км в секунду. Высвобождаемая снарядом металлическая струя начинает входить в броню или в любой другой объект на высокой скорости, при этом игнорируя толщину объекта воздействия. Именно таков принцип работы кумулятивного снаряда.
Кумулятивный снаряд в разрезе
Что такое кумулятивный снаряд? Если описать все более просто, то при воздействии кумулятивного снаряда броня под давлением превращается в жидкость.
Сравнение снарядов различного типа
Действие кумулятивной снаряда напрямую зависит от размера, используемого материала и объекта воздействия. Пробитие таких снарядов может превышать их калибр от пяти до десяти раз.
Преимущества и недостатки кумулятивных боеприпасов
Подобные боеприпасы имеют как сильные стороны, так и недостатки. К их несомненным достоинствам можно отнести следующее:
- высокая бронебойность;
- бронепробиваемость не зависит от скорости боеприпаса;
- мощное заброневое действие.
У калиберных и подкалиберных снарядов бронепробиваемость напрямую связана с их скоростью, чем она выше, тем лучше. Именно поэтому для их применения используются артиллерийские системы. Для кумулятивных боеприпасов скорость не играет роли: кумулятивная струя образуется при любой скорости столкновения с мишенью. Поэтому кумулятивная боевая часть – идеальное средство для гранатометов, безоткатных орудий и противотанковых ракет, бомб и мин. Более того, слишком высокая скорость снаряда не дает образоваться кумулятивной струе.
Попадание кумулятивного снаряда или гранаты в танк часто приводит к взрыву боекомплекта машины и полностью выводит ее из строя. Экипаж при этом практически не имеет шансов на спасение.
Кумулятивные боеприпасы имеют весьма высокую бронебойность. Некоторые современные ПТРК пробивают гомогенную броню с толщиной более 1000 мм.
Недостатки кумулятивных боеприпасов:
- довольно высокая сложность изготовления;
- сложность применения для артиллерийских систем;
- уязвимость перед динамической защитой.
Снаряды нарезных орудий стабилизируются в полёте за счет вращения. Однако центробежная сила, которая возникает при этом, разрушает кумулятивную струю. Придуманы разные «хитрости», для того чтобы обойти эту проблему. Например, в некоторых французских боеприпасах вращается только корпус снаряда, а его кумулятивная часть устанавливается на подшипниках и остается неподвижной. Но практически все решения этой проблемы значительно усложняют боеприпас.
Боеприпасы для гладкоствольных орудий, наоборот, имеют слишком высокую скорость, которая недостаточна для фокусирования кумулятивной струи.
Именно поэтому боеприпасы с кумулятивные боевые части более характерны для низкоскоростных или неподвижных боеприпасов (противотанковые мины).
Против подобных боеприпасов существует довольно простая защита – кумулятивная струя рассеивается с помощью небольшого контрвзрыва, который происходит на поверхности машины. Это так называемая динамическая защита, сегодня этот способ применяется очень широко.
Чтобы пробить динамическую защиту используется тандемная кумулятивная боевая часть, которая состоит из двух зарядов: первый устраняет динамическую защиту, а второй – пробивает основную броню.
Сегодня существуют кумулятивные боеприпасы с двумя и тремя зарядами.
Кумулятивные боеприпасы и их поражающие факторы
Основная статья: Кумулятивные боеприпасы
H 50 (Hohlladung 50 kg) — один из первых серийных кумулятивных зарядов. Применялся для разрушения оборонительных укреплений во время Второй мировой войны.
Несмотря на относительно слабое заброневое действие, кумулятивная граната при попадании в башню, как правило, убивает одного или более членов экипажа бронемашины, может вывести из строя вооружение, подорвать боекомплект. Попадание в моторное отделение делало машину неподвижной мишенью, а если на пути кумулятивной струи встречались топливопроводы, происходило воспламенение топлива.
Виктор Мураховский отмечает, что широко распространен миф о том, что кумулятивные заряды поражают избыточным давлением и температурой, но это не соответствует действительности. Поражение защищённой цели достигается действием короткой кумулятивной струи небольшого диаметра, создающей давление в несколько тонн на квадратный сантиметр (что превышает предел текучести металлов) и пробивающей небольшое отверстие около 8 мм в броне. Весь наблюдаемый визуально взрыв кумулятивного заряда происходит до брони и избыточное давление и температура не могут проникнуть через небольшое отверстие и не являются основными поражающими факторами. Устанавливаемые внутри танков датчики давления и температуры не фиксируют существенного фугасного или термического воздействия после пробивания брони кумулятивной струей. Основной поражающий фактор кумулятивного заряда – это отрываемые осколки и капли брони. При попадании на боекомплект танка осколков и капель от пробитой брони возможно его воспламенение и детонация с разрушением бронемашины. Если кумулятивная струя и капли брони не поражают людей и пожаро-/взрывоопасное оборудование танка, то в целом прямое попадание даже мощного кумулятивного заряда может не вывести из строя танк.
Тяжёлые ПТУР (типа 9М120 «Атака», «Хеллфайр») при попадании в бронированные машины лёгкого класса с противопульной защитой своим синергетическим действием могут уничтожить не только экипаж, но и частично или полностью разрушить машины. С другой стороны, воздействие большинства носимых ПТС на ББМ (при отсутствии детонации боеприпасов ББМ) не столь критично — здесь наблюдается обычный эффект заброневого действия кумулятивной струи, а поражения экипажа избыточным давлением не происходит.
См. также Кумулятивно-осколочный снаряд
Механизм действия кумулятивного заряда
Кумулятивная струя
После взрыва капсюля-детонатора заряда, возникает детонационная волна, которая перемещается вдоль оси заряда.
Волна, распространяясь к облицовке поверхности конуса, схлопывает её в радиальном направлении, при этом в результате соударения частей облицовки давление в ней резко возрастает. Давление продуктов взрыва, достигающее порядка 1010Па (105 кгс/см²), значительно превосходит предел текучести металла, поэтому движение металлической облицовки под действием продуктов взрыва подобно течению жидкости, которое, однако, обусловлено не плавлением, а пластической деформацией.
Аналогично жидкости, металл облицовки формирует две зоны: большой по массе (порядка 70—90 %) медленно двигающийся «пест» и меньшую по массе (порядка 10—30 %) тонкую (порядка толщины облицовки) гиперзвуковую металлическую струю, перемещающуюся вдоль оси симметрии заряда, скорость которой зависит от скорости детонации взрывчатого вещества и геометрии воронки. При использовании воронок с малыми углами при вершине возможно получить крайне высокие скорости, но при этом возрастают требования к качеству изготовления облицовки, так как повышается вероятность преждевременного разрушения струи. В современных боеприпасах используются воронки со сложной геометрией (экспоненциальные, ступенчатые и др.) с углами в диапазоне от 30 до 60°; скорость кумулятивной струи при этом достигает 10 км/с.
| Процесс запрессовки медной облицовочной юбки, она же в виде готового изделия и внутри снаряженного боеприпаса в разрезе |
Поскольку при встрече кумулятивной струи с бронёй развивается очень высокое давление, на один-два порядка превосходящее предел прочности металлов, то струя взаимодействует с бронёй в соответствии с законами гидродинамики, то есть при соударении они ведут себя как идеальные жидкости. Прочность брони в её традиционном понимании в этом случае практически не играет роли, а на первое место выходят показатели плотности и толщины бронирования.
Теоретическая пробивная способность кумулятивных снарядов пропорциональна длине кумулятивной струи и квадратному корню отношения плотности облицовки конуса (воронки) к плотности брони. Практическая глубина проникновения кумулятивной струи в монолитную броню у существующих боеприпасов варьируется в диапазоне от 1,5 до 4 калибров.
При схлопывании конической оболочки скорости отдельных частей струи оказываются различными, и струя в полёте растягивается. Поэтому небольшое увеличение промежутка между зарядом и мишенью увеличивает глубину пробивания за счёт удлинения струи. Однако при значительных расстояниях между зарядом и мишенью непрерывность струи нарушается, что снижает бронебойный эффект. Наибольший эффект достигается на так называемом «фокусном расстоянии», на котором струя максимально растянута, но ещё не разорвана на отдельные фрагменты. Для выдерживания этой дистанции используют различные типы наконечников соответствующей длины.
При перемещении в твёрдой среде градиентно разорванная кумулятивная струя самоцентрируется, а диаметр трека по мере удаления от точки фокуса уменьшается. При движении разорванной на фрагменты кумулятивной струи в жидкостях и газах каждый фрагмент перемещается по собственной траектории, а диаметр трека по мере удаления от точки фокуса увеличивается. Этим объясняется резкое снижение пробивной способности высокоградиентных кумулятивных струй при использовании противокумулятивных экранов.
Использование заряда с кумулятивной выемкой без металлической облицовки снижает кумулятивный эффект, так как вместо металлической струи действует струя газообразных продуктов взрыва; однако при этом достигается значительно более сильное заброневое действие.
Ударное ядро
Основная статья: Ударное ядро
Ударное ядро — компактная металлическая форма, напоминающая пест, образующаяся в результате сжатия металлической облицовки кумулятивного заряда продуктами его детонации.
Для образования ударного ядра кумулятивная выемка имеет тупой угол при вершине или форму сферического сегмента переменной толщины (у краёв толще, чем в центре). Под влиянием ударной волны происходит не схлопывание конуса, а выворачивание его «наизнанку». Полученный снаряд диаметром в четверть и длиной в один калибр (первоначальный диаметр выемки) разгоняется до скорости 2,5 км/с. Бронебойное действие ядра ниже, чем у кумулятивной струи, но зато сохраняется на расстоянии до 1000 калибров. В отличие от кумулятивной струи, состоящей лишь из 15 % массы облицовки, ударное ядро образуется из 100 % её массы.
История создания
| Дата | Событие |
| 1864 г. | Открытие кумулятивного эффекта, что позволило разработать принцип кумулятивного снаряда для производства боеприпасов |
| 1910 г. – 1926 г. | Исследование кумулятивного эффекта, создание кумулятивных снарядов и их испытание |
| 1935 г. | Создание первых удачных кумулятивных снарядов немецким ученым Францем Рудольфом |
| 1940 г. | Начало работ американских ученых по созданию кумулятивных снарядов и гранат. Использование кумулятивных снарядов немецкой армией |
| 1942 г. | Создание и принятие на вооружение СССР кумулятивных снарядов. Период, когда появились кумулятивные снаряды в артиллерии |
| 1950 г. | Создание учеными США первого снаряда с высокой стабилизацией и начало работ по совершенствованию кумулятивного оружия |
| 1960 г. | Разработка и испытание советских ученых сбалансированного кумулятивного снаряда |
| 1990 г. | Советские ученые создали первые кумулятивные боеприпасы тандемного вида с пробитием брони до 800 мм |
В 1864 году военный инженер М. Бересков (он стал первым, кто придумал кумулятивный снаряд) открыл кумулятивный эффект, после чего начал испытание и применение разработок в разрушении твердых объектов. Военные были поражены, как действует кумулятивный снаряд на бронированную технику. Именно с этого момента западные ученые начали исследование данного эффекта.
С 1910 по 1926 годы продолжались исследовательские работы и создание разнотипных кумулятивных снарядов и мин. Целью этих опытов было нахождение правильной формы и материла, которые в совместном использовании могли пробивать объекты, имевшие большую толщину бронирования.
В 1935 году молодой немецкий ученый начал работы по созданию кумулятивных артиллерийских снарядов, которые активно использовались в начальном этапе Второй Мировой войны. Увидев потенциал кумулятивных снарядов, советские ученые на примере немецких боеприпасов начали разработку и производство собственного оружия. В 1942 году кумулятивные советские снаряды начали использоваться на артиллерийском оружии калибра 76 и 122 мм.
Устройство кумулятивного снаряда Второй Мировой войны
В середине 1950 года ученые США запатентовали новый тип кумулятивного снаряда, который обладал высокой стабилизацией во время полета и имел уникальную металлическую облицовку. В этом же году новый тип снарядов был принят на вооружение США.
В 1960 году создали уникальный кумулятивный снаряд имеющий новую структуру и материалы, которые во много раз превосходили кумулятивные снаряды Второй мировой войны. С этого момента были начаты упорные работы по улучшению уже имевшихся разработок.
В 1990 году был создан кумулятивный тандемный снаряд калибра 130 мм и имевший пробитие 800 мм.
Схема устройства кумулятивного снаряда
Кумулятивный снаряд состоит из частей:
- взрыватель;
- головка;
- кумулятивная воронка;
- кольцо;
- разрывной заряд;
- капсюль детонатор;
- фиксатор;
- трассер;
- стабилизатор;
- корпус;
- лопасть.
Болванка треснула по танку
Совершенствование броневой защиты, а также применение ее наклонного расположения снизило эффективность сплошного бронебойного снаряда. Попадая на скошенную плоскость, он чаще всего рикошетил, хотя в силу своих особенностей иногда оказывался способен на так называемую нормализацию. Она состояла в том, что после первого касания наконечника вектор движения несколько менялся (до пяти градусов), а угол удара о броню становился более тупым. Это приводило к более эффективному распределению нагрузки на участок поражаемой защиты, и даже если броня не пробивалась насквозь, с внутренней ее стороны образовывалась своеобразная воронка, а кусочки металла летели внутрь машины с высокой скоростью, калеча и убивая экипаж. К тому же не следует сбрасывать со счетов и компрессионное воздействие, иными словами, сильное и быстрое изменение давления (по своей сущности, мощный удар воздушной волны).
