Кумулятивные снаряды: как они работают на самом деле

О кумулятивах

Впервые подобные боеприпасы были использованы нацистской Германией в 1941 году. Тогда в СССР не ожидали использования подобных снарядов, так как их принцип действия хоть и был известным, но на вооружении их еще не было. Ключевой особенностью подобных снарядов было то, что они обладали высокой бронепробиваемостью за счет наличия взрывателей мгновенного действия и кумулятивной выемкой. Проблема, с которой столкнулись впервые, заключалась в том, что снаряд по время полета вращался. Это приводило к рассеиванию кумулятивной стрелы и, как следствие, пониженной бронепробиваемости. Чтобы исключить негативный эффект, было предложено применять гладкоствольные пушки.

Кумулятивный эффект

На картинке — наглядная иллюстрация кумулятивного эффекта, или эффекта Манро: падающая в воду капля пробивает углубление в поверхности, которое затем «схлопывается», выбрасывая вверх струйку воды. Когда дети играют и бьют по воде ладонью, чтобы обрызгать друг друга, они тоже создают кумулятивные струи. Термин «кумуляция» происходит от латинского cumulatio — «скопление» или cumulo — «накапливаю» и означает увеличение или усиление какого-либо эффекта за счет сложения или накопления однородных с ним эффектов. В физике этот термин характеризует кратковременные процессы (как правило, это взрывы) и подразумевает усиление их в определенном месте или в направлении действия.

Представьте себе заряд взрывчатого вещества, находящийся в однородной, плотной среде — допустим, в жидкости. В какой-то момент происходит его взрыв, то есть чрезвычайно быстрое выделение запасенной веществом энергии. Продукты взрыва имеют очень высокую температуру, большую плотность и находятся под огромным давлением, они резко сжимают окружающую среду, создавая скачок уплотнения. Этот скачок распространяется по среде со сверхзвуковой скоростью, образуя так называемую «взрывную волну». Если заряд взорвался в небольшой области (точечный взрыв), то волна имеет сферическую форму. Частицы, которым она передает энергию, приобретают скорости, направленные от центра взрыва, и модули этих скоростей для равноудаленных частиц одинаковы. Следовательно, и плотность кинетической энергии во всех направлениях от центра одинакова.

Теперь представьте, что тем или иным способом нам удалось перераспределить энергию взрыва в пространстве, сделав так, чтобы плотность кинетической энергии в одном направлении была значительно больше, чем в остальных. Таким образом, скорость частиц в этом направлении возрастет, и возникнет струя. Именно этот эффект концентрации энергии в одном направлении и называется кумулятивным, а возникающая при этом струя — кумулятивной струей. Конечно, кумулятивные струи могут возникать не только при взрывах

Важно создать такие условия, когда плотность кинетической энергии движущейся среды быстро возрастает в небольшом объеме. И если этот объем не сферически-симметричен, то возникнет струя

Схема кумулятивного эффекта. Изображение с сайта ru.wikipedia.org

Исследователи взрывчатых веществ выяснили, что если в снаряде сделать полое углубление, то разрушительную энергию можно сконцентрировать на небольшом участке. В 1792 году горный инженер Франц фон Баадер провел подобные эксперименты с использованием дымного пороха, однако по-настоящему успешными эти эксперименты стали с появлением высокобризантных веществ. Уже в XIX веке кумулятивный эффект повторно исследовал и подробно описал в своих работах американец Чарльз Манро (Charles Edward Munro). В 1938 году Франц Томанэк (Franz Rudolf Thomanek) в Германии и Генри Мохоупт (Henry Mohaupt) в Швейцарии независимо друг от друга открыли эффект увеличения пробивной способности снаряда, в котором сделано конусное углубление, облицованное металлической воронкой. Эти перспективные разработки не замедлили получить применение у военных — в минно-взрывном деле и в артиллерии. Кумулятивные боеприпасы впервые использовали в боевых условиях 10 мая 1940 года при штурме форта Эбен-Эмаль (Бельгия).

С началом Великой Отечественной войны советские танкисты встретились с кумулятивным оружием немецкой армии — гранатами и снарядами. Поражая бронированные машины, такие снаряды оставляли характерные оплавленные отверстия и были названы «бронепрожигающими». Весной 1942 года на Софринском полигоне испытали снаряд, разработанный на основе немецкого трофея, и затем первый кумулятивный снаряд был принят на вооружение советской армии. В 1949 году советский математик и механик Михаил Алексеевич Лаврентьев становится лауреатом Сталинской премии за создание теории кумулятивных струй.

На чем основано столь мощное действие кумулятивных зарядов? За счет углубления в виде воронки, которая при взрыве «схлопывается», как пробитая каплей поверхность воды, создается газовая струя из продуктов взрыва. Если воронка покрыта металлической облицовкой, струя получается из расплавленного металла высокой температуры. Поражение достигается действием струи небольшого диаметра на участок порядка 80 мм (см. видео). При опредленном расстоянии до цели эта струя имеет мощнейшее бронебойное действие, благодаря которому кумулятивный эффект и получил свою печальную известность.

Демонстрация кумулятивного эффекта на примере разных типов снарядов

Фото с сайта popmech.ru.

Андрей Алубаев

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.

История создания

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.

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.

Медицина

Как было известно ранее, кумулятивный эффект — это то, что достигается путем многократного воздействия определенных факторов. Например, при повторном введении в организм конкретной дозы лекарственного вещества или яда воздействие усиливается. Это происходит потому, что в организме происходит накопление препарата и действие суммируется. Точно также будет и с последующими введенными дозами медикамента.

Также при достижении кумулятивного эффекта в медицине организм может вырабатывать толерантность. Это значит, что снижается чувствительность к вводимому препарату. Однако повышать дозу не рекомендуется из-за возможности развития интоксикации.

Защита

Противокумулятивный экран появился как ответ на создание кумулятивного боеприпаса перед Второй мировой войной в Германии. Во время войны советские танкисты приваривали к броне специальные сетчатые экраны фабричного производства (ошибочно интерпретированные на Западе как панцирные кровати), тонкие листы железа и жести для защиты от немецкого носимого противотанкового оружия с кумулятивным боеприпасом типа «Фаустпатрон», «Панцерфауст» и т. п. Широкого применения противокумулятивные экраны тогда не нашли, так как по результатам советских испытаний 1945 года показали себя неэффективными против последних версий фаустпатронов (с типичных дистанций городского боя броня все равно пробивалась, хотя диаметр пробоины и уменьшался). Корпуса немецких танков «Тигр» покрывались, для предотвращения прикрепления к ним ручных магнитных мин, специальным составом циммеритом. Те же меры были приняты в отношении немецких танков «Пантера» и САУ последнего периода Второй мировой войны. Однако такие мины использовались лишь в немецкой армии и не использовались её противниками, и в то же время нанесение такого покрытия было делом хлопотным и трудоемким, так что в 1944 г., через год применения, от него отказались. Ещё во время ВОВ было замечено, что поражение танка зачастую меньше, если поражающий танк снаряд попадает в навешенные поверх брони танка взрывчатые вещества. Поначалу такие наблюдения считались хотя и достойными доверия, но практически неприменимыми, поскольку в ряде случаев страдал не только противотанковый снаряд, но и сама броня. Однако сама тема не была закрыта, и первые образцы динамической защиты были разработаны в СССР в конце 1950-х годов НИИ Стали под руководством академика Богдана Войцеховского (Ленинская премия 1965 года); в середине 60-х годов аналогичные разработки провели в ФРГ инженер-исследователь Манфред Хельд (Manfred Held

) — концерн MBB-Schrobenhausen. По ряду причин, таких, как достаточный уровень защиты советской БТВТ к моменту создания динамической защиты, её производство не начиналось до середины 80-х годов. Впервые динамическая защита, созданная на основе германского опыта, была установлена на танках Израиля во время Ливанской войны 1982 г.

Особенности конструкции фугасных боеприпасов

Фугасное действие снарядов требует задержки срабатывания взрывателя, поэтому все взрывные соединения, применяемые для фугасных снарядов, должны быть нечувствительны к ударам. Это в полной мере относится и к обычным снарядам, так как в противном случае их просто разорвет в канале пушки.

Боеприпасы имеют ограниченный срок годности. В тоже время в них используются очень стойкие химические взрывчатые соединения, спрятанные в герметичный корпус. Срок годности по нормативам специально занижен в разы. Это сделано для надежности, так как просроченный снаряд становится более чувствителен к ударам, и вероятность его разрыва в канале пушки увеличивается. Теоретически, стрельба просроченными снарядами возможна, но обращаться с ними нужно очень аккуратно, и при выстреле в зоне поражения не должно быть людей.

Базовые снаряды

Занимательная механика. Бронепробитие.

Бронебойные снаряды

Бронебойные снаряды — основной тип снарядов, которыми может стрелять практически любое орудие. Этот снаряд наносит урон только в случае пробития брони противника. Также он может повредить модули или экипаж, если попадет в нужное место. В случае, когда пробивной мощи снаряда недостаточно, он не пробьет броню и не нанесет урона. Если снаряд попадает в броню под слишком острым углом, то он рикошетит и также не наносит урона.

Подкалиберные снаряды

Подкалиберные снаряды — основной тип снарядов для большинства средних танков 10 уровня, некоторых средних танков 9 уровня и лёгких T71, M41 Walker Bulldog, а так же и M4A1 Revalorisé, ИС-5, ИС-3 с МЗ, T26E5. Принцип действия аналогичен бронебойным. Отличаются повышенной бронепробиваемостью и более высокой скоростью полета снаряда, но сильнее теряют в пробитии с расстоянием и имеют меньшую нормализацию (сильнее теряют эффективность при стрельбе под углом к броне).

Кумулятивные снаряды

Обычные кумулятивные снаряды встречаются на нескольких машинах в игре для топового орудия легкого танка T49 и ПТ-САУ Ikv 103. Эффект пробития достигается не за счёт кинетической энергии снаряда (как у ББ или БП), а за счёт энергии кумулятивной струи, образующейся при подрыве взрывчатого вещества определённой формы на некотором расстоянии от брони. На них не распространяется правило нормализации, трех калибров и они не теряют бронепробитие с расстоянием, но быстро теряет бронепробитие при попадании в экран.

Осколочно-фугасные снаряды

Осколочно-фугасные снаряды — имеют самый большой потенциальный урон, но незначительную бронепробиваемость. Если снаряд пробил броню, он взрывается внутри танка, нанося максимальный урон и дополнительный урон модулям или экипажу от взрыва. Осколочно-фугасному снаряду необязательно пробивать броню цели — при непробитии он взорвется на броне танка, нанеся меньший урон, чем при пробитии. Урон в этом случае зависит от толщины брони — чем толще броня, тем больший урон от взрыва она гасит. Наклон брони на урон не влияет.
ОФ-снаряды могут пробивать экраны, внешние модули и разрушаемые объекты. Однако после пробития объекта бронепробиваемость ОФ-снарядов будет уменьшаться на величину, равную толщине препятствия, умноженной на специальный коэффициент.

Будет два разных коэффициента потери бронепробиваемости: ×1 для разрушаемых объектов и ×3 для экранов, гусениц, колёс и внешних модулей.

Типы осколочных поражающих элементов

В качестве осколочных поражающих элементов в боеприпасах используется металл. Самый дешевый вариант для крупнокалиберной артиллерии использует чугун и сталь. Так называемая рубашка и корпус снаряда одновременно разрывается от действия ВВ и превращается в осколки. Ручные осколочные гранаты используют алюминий. Там важен малый вес боеприпаса. Специализированные противопехотные снаряды имеют стальные шарики. Наконец, самый экзотический и дорогой вариант — вольфрамовые шарики, стальные дротики и другие поражающие элементы. Эта конструкция используется в зенитных ракетах, а также в специализированных снарядах для поражения радиолокационных станций.

Снаряды САУ

Артиллерия и фугасы: важные изменения 2021 года. Гайд-парк

После Обновления 1.13 снаряды САУ были существенно изменены. Теперь для артиллерии доступны три типа снарядов. У каждого из них своё предназначение, траектория и скорость полёта

Стандартный ОФ снаряд с оглушением

самый простой в использовании боеприпас. Такой снаряд наносит невысокий урон и может оглушить экипажи нескольких целей одним выстрелом. У него самая низкая скорость из всех трёх типов снарядов, но зато комфортная навесная траектория. С помощью него проще поразить цели, находящиеся за небольшими холмами и другими препятствиями.

Альтернативный ОФ снаряд без оглушения

оптимальный выбор для стрельбы по машинам с лёгким и средним бронированием. Обладает более высокой скоростью, но его траектория немного настильнее. В отличие от стандартных боеприпасов, альтернативные снаряды могут выводить из строя внутренние модули и членов экипажа. У них также выше бронепробиваемость и урон.

Тактические снаряды

отличается настильной траекторией и самым высоким показателем бронепробиваемости. Его скорость полёта также выше, чем у остальных типов снарядов, поэтому им можно стрелять без большого упреждения.

Кумулятивная струя

Условия формирования кумулятивной струи определяются микроструктурой металла облицовки и способностью его структурных составляющих к пластической деформации.
 

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.
 

Экономика

Кумулятивный эффект в данной сфере называют также финансовым. Он достигается путем накопления и сосредоточения материальных средств и, как в остальных определениях, имеет «взрывной» характер.

Рассмотрим пример с точки зрения наращивания народного хозяйства страны. Правительство обязано принимать определенные решения по улучшению благосостояния нации. Ведь чем люди богаче, тем более капиталоемким становится производство. Затем растет спрос, предложение и потребление продуктов отечественного производителя. Все эти факторы повышают экономическую активность страны, создавая кумулятивный эффект в экономике. Завершающим «выбросом» станет то, что, когда данная держава выйдет на мировой рынок, она сможет, основываясь на краткосрочных решениях, обеспечить продолжительное функционирование данного процесса.