кумулятивные заряды - сибирский государственный университет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»
(ФГБОУ ВПО «СГГА»)
И.В. Минин, О.В. Минин
КУМУЛЯТИВНЫЕ ЗАРЯДЫ
Монография
Новосибирск
СГГА
2013
УДК 623.541
ББК 68.8
М618
Рецензенты: доктор технических наук, зав. кафедрой специальных устройств
и технологий СГГА В.С. Айрапетян
кандидат технических наук, зав. кафедрой технологии оптического производства СГГА М.М. Кузнецов
Минин, И.В.
М618 Кумулятивные заряды [Текст] : монография / И.В. Минин, О.В. Минин. –
Новосибирск : СГГА, 2013. – 200 с.
ISBN 978-5-87693-654-7
В монографии в систематизированном виде изложен комплекс вопросов, связанных с историей разработки и основными этапами развития кумулятивных зарядов, применением их в различных устройствах. Рассмотрены устройства, принципы действия кумулятивных зарядов, физические
аспекты проблемы вращения кумулятивных и гиперкумулятивных зарядов.
Рассмотрены вопросы численного моделирования кумулятивных зарядов.
Монография ориентирована на специалистов в области изучения
взрывных явлений и кумуляции энергии, а также может быть полезна студентам, обучающимся по направлению 170100 «Оружие и системы вооружения», специальности 170103 «Средства поражения и боеприпасы» и аспирантам.
Работа рекомендована к изданию Ученым советом Института оптики
и оптических технологий.
Печатается по решению редакционно-издательского совета СГГА
УДК 623.541
ББК 68.8
ISBN 978-5-87693-654-7
© ФГБОУ ВПО «СГГА», 2013
ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование боеприпасов, повышение могущества является
важной задачей любого государства. Решение этой задачи в современных
условиях, когда боеспособность вооруженных сил все больше зависит от
научно-технического уровня, требует непрерывного совершенствования
военной техники, ведущего к необходимости кардинального повышения
уровня подготовки специалистов, занятых исследованиями, разработкой
и эксплуатацией вооружений. Это утверждение сдерживается отсутствием
современной научно-технической и учебной литературы.
Явления кумуляции, при которых происходит концентрация энергии
в точке, на прямой или на плоскости, представляет несомненный интерес
для физиков. Явления кумуляции имеют весьма разнообразный характер.
Примером сходящейся кумуляции является плоский или осесимметричный кумулятивный заряд. Впервые кумулятивные снаряды были широко
применены как бронебойное средство во время Великой Отечественной
войны (Второй мировой войны). Эти снаряды пробивали броню металлической струей, выбрасываемой ими вперед при взрыве.
В настоящее время считается, что возможности кумулятивных зарядов уже все исчерпаны и требуются новые, инновационные подходы для
решения задачи повышения эффективности кумулятивных зарядов, применяемых как в гражданской промышленности, так и в военной. На взгляд
авторов, выходом из данной ситуации может быть изучение и применение
гиперкумулятивных зарядов, работающих на других физических принципах (отличных от классических, заложенных теорией Лаврентьева) и имеющих значительно большее количество параметров для оптимизации, применение облицовок из материалов с анизотропными свойствами.
3
В монографии в систематизированном виде на современном уровне
представлена информация по истории появления и совершенствования
кумулятивных зарядов, перспективам их развития. Детально рассмотрены
следующие вопросы:
 кумулятивные заряды, первые 150 лет;
 проблема вращения в кумулятивных зарядах;
 физические аспекты проблемы вращения кумулятивных и гиперкумулятивных зарядов.
4
Глава 1. КУМУЛЯТИВНЫЕ ЗАРЯДЫ, ПЕРВЫЕ 150 ЛЕТ
Термин «кумуляция» происходит от латинского cumulatio – «скопление» или cumulo – «накапливаю» и дословно означает увеличение или
усиление какого-либо эффекта за счет сложения или накопления нескольких однородных с ним эффектов.
Под кумуляцией мы будем понимать явление при взрыве, заключающееся в повышенном действии взрыва, которое достигается направлением
масс, приведенных в движение взрывом, в сторону общей оси. Кумулятивное действие взрывчатого вещества (ВВ) осуществляется при помощи
выемки, сделанной в основании заряда ВВ [1].
Если на стальную плиту поставить два цилиндрических заряда ВВ
одинакового размера, причем один заряд сплошной, а другой – с выемкой
в нижней части, например, конической, то при взрыве сплошной заряд
даст на плите вмятину, а заряд с выемкой, меньший по весу, пробьет плиту насквозь. Такое сосредоточенное действие взрыва объясняется тем, что
продукты детонации ВВ, движущиеся от поверхности конуса, встречаются
на его оси симметрии и образуют мощную тонкую кумулятивную струю,
движущуюся с огромной скоростью и пробивающую стальную плиту.
Качественным скачком, обусловившим широкое применение кумулятивного эффекта, явилось использование металлической облицовки кумулятивной выемки с изотропными механическими свойствами. При взрыве
заряда с кумулятивной выемкой без кумулятивной облицовки образуется
газовая струя, а с металлической – металлическая кумулятивная струя.
Кумулятивная струя формируется из материала внутренней поверхности облицовки и песта (низкоскоростные фрагменты кумулятивной
струи, не участвующие в процессе перфорации) – из внешней поверхности
облицовки, направленной вдоль оси симметрии кумулятивной выемки.
5
При этом масса формируемой кумулятивной струи, как правило, не
превышает 10–20 % массы кумулятивной облицовки. А ее максимальная
скорость составляет порядка 10–15 км/с. Кроме того, скорость кумулятивной струи возрастает с уменьшением угла раскрытия кумулятивной облицовки и с одновременным увеличением размеров и массы песта и уменьшением массы кумулятивной струи.
Особенности действия кумулятивных зарядов (КЗ) предопределяют
целесообразность их использования при решении конкретных задач в военном деле, в горнодобывающей, нефтегазовой, металлургической и ряде
других отраслей промышленности [1–3]. Кумулятивный эффект используется в гигантских направленных взрывах, с помощью которых в считанные секунды создаются плотины и иные сооружения. При этом наиболее
широкое применение нашли такие технологии, как перфорация нефтяных
и газовых скважин, предусматривающая вскрытие продуктивного пласта
через спущенную или зацементированную обсадную колонну; проделывание отверстий в плитах и конструкциях из различных материалов; проведение аварийных или ремонтно-спасательных работ в скважинах на
больших глубинах, дробления и перемещения горных пород.
Помимо сосредоточенных КЗ, пробивающих отверстие в преграде,
широкое применение нашли удлиненные КЗ с плоской симметрией, служащие для взрывной резки и разделки материалов и различных конструкций [2]. Кумулятивные заряды являются эффективным средством взрывного дробления и рыхления крепких пород и дробления массивных металлических объектов при получении вторичного металла.
В различных системах разделения и вскрытия могут применяться кумулятивные удлиненные заряды малых размеров, решающие «ювелирные» задачи. Так, в системах спасения для резки высокопрочной синтетической ткани типа «кевлар» толщиной 1,5 мм применяется удлиненный
КЗ в алюминиевой оболочке диаметром 1,6 мм и линейной плотностью
ВВ 1,6 г/м [3].
6
Наконец, нельзя не упомянуть и о применении кумулятивного эффекта в научных исследованиях. Например, явление кумуляции используется
для метания частиц вещества со скоростями, достигающими 100 км/c [4],
для создания сверхмощных магнитных полей и т. д.
Известно, что кумулятивный эффект увеличивается при установке
кумулятивного заряда на определенном расстоянии от преграды. Глубина
пробития зависит от формы заряда и кумулятивной выемки, размеров заряда, состава ВВ, геометрии и свойств кумулятивной облицовки, от технологических факторов, вращается или нет кумулятивный заряд и т. д.
В кумулятивных зарядах достигаемая глубина пробития, в зависимости от расстояния между зарядом и преградой, сначала увеличивается
с увеличением этого расстояния, а затем медленно убывает (рис. 1).
Рис. 1. Форма и глубина кратера в зависимости от величины
фокусного расстояния (расстояния между КЗ и преградой)
КЗ с металлической облицовкой
Достигаемая глубина перфорации преграды, а также ее изменение
в зависимости от величины расстояния между КЗ и преградой существенно зависят от материала, из которого изготовлена кумулятивная облицов7
ка [1, 5]. Тяжелые пластичные металлы, в частности гранецентрированные
металлы с кубической решеткой группы меди, и некоторые сплавы при
больших фокусных расстояниях обладают высокой поражающей способностью. Они образуют сплошные струи, плотность которых не более чем
на 10 % ниже плотности материала кумулятивной облицовки, и которые
при большом удлинении, примерно в 10 раз по сравнению с исходной
длиной, не разрываются и сохраняют высокую плотность. Другие металлы, такие, например, как железо, цинк, на начальных стадиях образуют
сплошные кумулятивные струи, которые, в отличие от описанных выше,
при растяжении разрываются намного раньше. В КЗ с облицовками из таких металлов максимум перфорации преграды достигается при меньших
расстояниях до преграды и имеет меньшую величину, чем для более пластичных материалов. Хрупкие материалы, такие, в частности, как вольфрам, титан, а также металлы с высокой пористостью, получаемые спеканием, вообще не образуют сплошных струй. Они формируют «дискретные»
струи, состоящие из отдельных частиц.
Несмотря на давнюю историю, к настоящему времени КЗ, применяемый в военном деле, мало изменился. Развитие новых типов противотанковых средств, таких как подкалиберные снаряды, не привело к уменьшению роли кумулятивных боеприпасов, а их потенциальные возможности
еще далеко не исчерпаны.
Вопросы истории эффекта кумуляции и его применения в военном
деле осложнены тем обстоятельством, что до сих пор многие вопросы находятся под грифом «секретно». Поэтому во многих странах многие открытия происходили практически одновременно, но независимо друг от
друга [1, 6].
Первый этап развития КЗ начался более 150 лет назад. Было обнаружено кумулятивное действие зарядов. Во многих работах, например [7–11],
ссылаются на приоритет открытия кумулятивного эффекта (cavity effect)
F.X. Von Baader (рис. 2) в 1792 г. Он интересовался вопросами практического усовершенствования мин и предложил коническую и грибообразную выемку в заряде ВВ, для увеличения взрывного эффекта и экономии
8
пороха. Такие заряды F.X. Von Baader описал в Минном журнале и применил на практике в Норвегии. Однако, W.P. Walters и J.A. Zukas в работе [12],
считают, что открытие F.X. Von Baader является спорным, так как в его
экспериментах нельзя было достичь детонации взрывчатого вещества.
В 1867 г. в России впервые в мире
был применен динамит для производства промышленных взрывных работ
при разработке золотоносных россыпей в Якутии. В середине XIX столетия русские исследователи провели
большую теоретическую работу по
вопросу расчета величины зарядов ВВ.
Их работы имели большое значение для дальнейшего развития теории
и практики взрывного дела. Предложенные в 1871 г. видным русским теоретиком и практиком минноподрывного дела военным инженером генералРис. 2. Franz Xaver von Baader
лейтенантом Михаилом Матвеевичем (March 27, 1765 – May 23, 1841)
Боресковым формулы для расчета величины зарядов ВВ оказались настолько практичными, что используются
по настоящее время [13, 14]. Русский военный инженер генерал М. М. Боресков (рис. 3) открыл кумулятивный эффект и использовал его в саперном деле, при разрушении твердых пород [1, 13–15]. В 1864 г. он впервые
применил заряд с выемкой для проведения саперных работ.
Горные инженеры знали, что силу взрыва заряда ВВ можно сосредоточить на небольшой площадке, если расположить его так, чтобы в нем
против этой площадки имелась выемка (кумулятивная выемка).
Российский академик Н.Н. Зинин и полковник артиллерии В.Ф. Петрушевский установили, что некоторые сорта динамитов не взрываются от
пламени. Поэтому для усиления воздействия на ВВ они впервые применили
9
в качестве инициатора небольшой заряд черного пороха, от которого
взрывались все сорта динамитов [14].
Заряд-детонатор был усовершенствован капитаном Д. М. Андриевским. В 1865 г. для полноты взрывания ВВ он применил специальный запал, который представлял собой бумажную гильзу в виде усеченного конуса с закрепленным в ней электровоспламенителем, снаряженную порохом (рис. 4). На торце было сделано
углубление, заполненное железными
опилками [1, 14, 15]. Порох здесь
поджигался платиновой нитью, раскаливаемой током. Без пороха и железных опилок этот запал представлял
Рис. 3. Генерал-лейтенант
собой элементарный электрический
М.М. Боресков использовал
фонарик с коническим отражателем.
кумулятивный эффект в саперЭто был не только первый в мировой
ном деле в 1864 г.
практике электродетонатор, это был
первый, хотя и неосознанный, случай
практического использования эффекта кумуляции.
Михаил Матвеевич Боресков
(1829–1898 гг.) [1] в 1849 г. был произведен в чин инженера-прапорщика.
Рис. 4. Промежуточный зарядПрошел Крымскую и Турецкую камдетонатор Д.И. Андриевского:
пании. С 1884 г. – председатель ко1 – железные опилки, 2 – порох
миссии по применению воздухоплавания, голубиной почты и сторожевых вышек в военных целях. В том же
году был произведен в чин генерал-лейтенанта. Действительный член
10
императорского Русского технического общества со дня его основания
и с 1891 г. – почетный член общества.
Однако, в странах западной Европы приоритет открытия исследования зарядов ВВ
с выемками (1883 г.) обычно связывают с именем Max Von Foerster (рис. 5) [16, 17], рис. 6.
В 1883 г. Max Von Foerster возглавлял
фабрику Wolf & Co. по производству нитроцеллюлозы в Германии и сообщил о своих
экспериментах со спрессованной нитроцеллюлозой. Он исследовал заряды с цилиндрической выемкой. Историю исследования Max
Von Foerster описал в своей работе Heinz Рис. 5. Max Von Foerster
Freiwald в Германии в сентябре 1941 г. [18].
Рис. 6. Эксперименты Max Von Foerster, описанные в 1883 г.
11
В США приоритет исследований
зарядов ВВ с выемкой (1888 г.) обычно связывают с именем профессора
Charlles Monroe (рис. 7), служащегохимика на военной морской торпедной
базе в Ньюпорте, Rhole Island [19].
Monroe обнаружил и описал в 1888 г.
заряд ВВ с выемкой и связанные с этим
эффекты [20–24]. Он удачно продемонстрировал этот эффект (рис. 8).
В 1888 г. профессор Challes
E. Munroe, экспериментируя с взрывРис. 7. Charles Monroe Sheldon
чатыми веществами, обратил внимание
(1857–1946)
на удивительное явление. Заряд пироксилина «USN 1884», обозначавшей место и время его изготовления, Challes E. Munroe подорвал рядом с тяжелой
плитой брони. Как он и ожидал, ущерб, нанесенный бронированной плите,
был незначительным, но надписи оказались «вырезанными» на металле.
Это странное явление могло быть объяснено только тем, что взрывчатый
заряд не прилегал плотно к металлу в местах, где были вырезаны буквы
и цифры. Challes E. Munroe заключил, что наличие выемок на поверхности
взрывчатого вещества и было причиной этого явления. Чтобы проверить
свою догадку, он взял связку динамитных шашек и крепко связал их вместе, а несколько центральных шашек втянул внутрь на 2 см. Полученный
заряд легко пробил отверстие в толстой стенке банковского сейфа.
Одна из его работ была опубликована в США в 1894 г. [23]. В работе
[24], oпубликованной в 1900 г., C.E. Monroe говорил о разрушении сейфа
с толщиной металлической стенки около 120 мм с помощью заряда с выемкой из девяти шашек динамита, общим весом около 4 кг. При этом было
обнаружено отверстие в стенке сейфа диаметром 76 мм. Выемка в ВВ была облицована эластичным материалом – белой жестью, с целью сохране12
ния формы выемки в ВВ. Подрыв однородного заряда ВВ такого эффекта
не дает. Согласно истории зарядов с выемкой, приведенной в работе [18],
описание этого эксперимента C.E. Monroe было приведено в 1894 г.
Рис. 8. Эксперимент C.E. Monroe с кумулятивным зарядом
из шашек динамита, 1900 г.
Другими словами C.E. Monroe обнаружил, что если заряду ВВ придать соответствующую форму, то возможно с меньшим по массе зарядом
получать больший по величине кратер в мишени.
Этот эффект известен в Англии и США как эффект Monroe, а в Германии – как эффект Неймана, по имени Э. Неймана, изучившего кумулятивный эффект, и Monroe, написавшего о нем несколькими годами позже
[9]. Пустотелые облицовочные заряды назывались по разному: полые заряды, кумулятивные или профилированные заряды и заряды Monroe.
13
В патентах, полученных в Германии Westfalische Annhaltische
Sprengstoff A.G. (WASAG) в 1910 г. и в Англии в 1911 г. [25, 26], описан
заряд ВВ с выемкой конической или другой подходящей формы, причем
выемка может быть облицована металлом. Облицовка тонким слоем металла кумулятивной выемки в заряде ВВ предполагалась для защиты от
разрушения заряда ВВ при ударе о преграду и не предназначалась для получения металлических кумулятивных струй. Предлагаемый заряд предполагалось использовать в минах, головных частях торпед, артиллерийских снарядах и т. д. (рис. 9).
Рис. 9. Иллюстрация из патента WASAG, 1911 г.
14
В Англии в 1913 г. исследовалась возможность применения зарядов
ВВ с полостью для боевых частей торпед [7]. Проводимые исследования
H. M. S. Vernon подтвердили выводы WASAG о концентрации силы взрыва
в заряде ВВ с выемкой и наличие эффекта направленного действия взрыва.
С 1911 по 1935 г. было опубликовано множество работ, посвященных
кумулятивному эффекту и его возможному применению для мин и детонаторов [6, 25–43]. Например, на рис. 10 [27] показаны заряды ВВ с различными формами выемок, а в работе [28] описан детонатор с использованием эффекта газовой кумуляции.
Рис. 10. Рисунки зарядов ВВ с различными по форме выемками
из статьи Egon Von Neumann, 1914 г.
В 1915 г. англичанин Arthur Marshall опубликовал книгу [29] и статью
[30] в 1920 г., посвященные кумулятивному эффекту в заряде ВВ. По-видимому, статья, опубликованная в 1920 г., была первой попыткой описания
15
истории вопроса, посвященной кумулятивному эффекту в зарядах ВВ
с полостями. Приоритет открытия этого эффекта отдан Monroe, а не Von
Forster, или Egor Neumann, или М.М. Борескову и Д.И. Андриевскому.
В 1923–1926 гг. советский ученый, профессор М.Я. Сухаревский провел систематические исследования кумулятивного эффекта [31] (рис. 11).
Он работал с кумулятивными зарядами, имеющими выемку без металлической облицовки, и сумел найти зависимость бронебойного действия
таких зарядов от формы выемки и других факторов. Практическое применение эффекта кумуляции взрывной волны в то время казалось настолько проблематичным, что указанные работы были опубликованы
в открытой печати.
Рис. 11. Рисунок из работы М.Я. Сухаревского, 1926 г.
Зависимость формы кратера от формы кумулятивной выемки
16
В работах М.Я. Сухаревского была впервые высказана гипотеза о физической сущности кумулятивного эффекта, которая позднее получила
теоретическое обоснование в трудах А.Ф. Беляева, изучавшего эффект
столкновения в пространстве ударных волн, и Г.И. Покровского, установившего основные аналитические зависимости, определяющие взаимосвязь параметров газовой кумулятивной струи [3]. М.Я. Сухаревский
практически применил направленные взрывы при строительстве Днепровской плотины.
Любопытные сведения о работах М.Я. Сухаревского сообщает Г.И. Покровский [44]: «Среди документов, взятых нашими войсками в качестве
трофеев при штурме Берлина, мне попалась немецкая книга с пометкой
"Совершенно секретно" и приложенным к ней письмом Геринга. В письме
был указан особый режим использования и хранения этой книги, изданной еще в 1938 году. При более детальном прочтении стало ясно, что книга представляла собой перевод сведенных воедино статей советского профессора М.Я. Сухаревского, опубликованных в журналах "Техника и вооружение Красной Армии" за 1925-1926 годы. В статьях ученого содержалось обоснование действия кумулятивных зарядов».
В 1925 г. в США были опубликованы два патента [32] Charle P. Watson
от 1921 г., посвященные разработке взрывателя ударного действия, использующего эффект выемки параболической формы в заряде ВВ. Автор патента наблюдал усиление эффективности действия взрывателя при использовании выемки в заряде ВВ. Он также заметил, что только 1/5–1/6 часть
энергии заряда ВВ используется для формирования газовой кумулятивной
струи. Это важное изобретение было замечено многими историками, исследующими кумулятивный эффект [6].
Первая итальянская работа, посвященная кумулятивному эффекту,
была опубликована D. Lodati из Милана в 1931 г. [33].
В 1936 г. R.W. Wood исследовал вопрос получения высокоскоростных
тел из металлической кумулятивной облицовки с помощью взрыва [34]
(рис. 12).
17
Рис. 12. Заглавный лист статьи R.W. Wood, посвященной
взрывному формированию высокоскоростных тел, 1936 г.
Интересна история этого исследования. В 1935 г. произошла трагическая и необычайная смерть мисс Эмили Бриско в городе Балтимор. Когда
девушка открыла дверь печки, ее что-то ударило в грудь и все услышали
звук, похожий на слабый выстрел из пистолета. Для расследования этой
смерти, по настоянию семьи девушки, был привлечен Роберт Вуд. Он рас18
сказывал: «Когда я пришел в городскую лабораторию, химик показал мне
таинственный кусок металла, извлеченный из тела девушки. Я заявил химику, что, очевидно, это медь». У Р. Вуда возникло предположение, что
этот кусочек металла является частью детонатора или динамитного капсюля, случайно попавшего в печь с углем. По внешнему виду это был
имеющий грушевидную форму кусочек металла, напоминавший пульку.
Р. Вуд провел несколько опытов с детонаторами, в частности, подорвал их
напротив дубового бруса, а затем извлек из него пульку, проникшую на
глубину около 4 дюймов. Затем аналогичные опыты были проведены им
с улавливанием «пульки» в воде. Исследование детонатора показало, что
при взрыве, благодаря наличию углубления на донышке медной трубки
детонатора, образуется «пуля», летящая со скоростью, в три раза превышающей скорость винтовочной пули. В дальнейшем механизм формирования таких высокоскоростных металлических тел был исследован Р. Вудом
с помощью специальных улавливателей, представляющих собой трубу,
набитую ватой с перегородками через каждые два дюйма. Скорость сформированного высокоскоростного тела составляла около 6 000 футов в секунду. До экспериментов Р. Вуда образование цельных металлических
«пуль» из донышка трубки медного детонатора никем не было обнаружено и исследовано.
Исследования функционирования капсюля детонатора привели к обнаружению механизма формирования высокоскоростного тела из металлической облицовки, значительно позднее ставшего известным в России
как «ударное ядро».
В 1937 г. английские изобретатели Payman и Woodhead [35] описали
наблюдение кумулятивной газовой струи из заряда ВВ с выемкой, используемого в детонаторе (рис. 13).
Второй этап развития простых кумулятивных зарядов связан с использованием металлических облицовок с изотропными механическими
свойствами, в зарядах ВВ с выемкой, приблизительно до 1945 г.
19
Рис. 13. Рисунок из работы Payman и Woodhead по экспериментальному
наблюдению кумулятивной газовой струи, 1935 г.
По-видимому, первые заряды с кумулятивными облицовками были
независимо исследованы Franz Rudolf Thomanek в Германии [18, 45–47]
и Henry Hans Mohaupt в США [48–51].
Интерес немцев к кумулятивному эффекту был достаточно высок.
В период c 1926 по 1929 г. Carl Cranz и Hubert Schardin изучали эффект
Маха [46]. В 1937 г. Hubert Schardin выдвинул идею о расширении возможности эффекта кумулятивной выемки в заряде ВВ. Изобретение кумулятивных зарядов с металлическими облицовками было сделано, по видимому, Henry Hans Mohaupt в 1935 г. в Цюрихе, где он обнаружил направ20
ленное движение металлических частей облицовки со скоростью, превышающей скорость осколков. Эксперименты проводились со стальными
облицовками конической формы и углом раствора, изменяющимся от 22
до 45 градусов. В опытах изучалась величина глубины перфорации в мишени от формы кумулятивного заряда.
В 1966 г. Henry
Hans Mohaupt написал,
что в период с 1935
по 1939 г. была исследована кумулятивная
граната
калибром
100 мм. Однако, Henry
Hans Mohaupt не мог
получить металлическую
кумулятивную
струю [6], так как
по оси симметрии кумулятивного
заряда
располагался трубчатый взрыватель [48]
(рис. 14).
Henry Hans Mohaupt запатентовал артиллерийские кумуляРис. 14. Иллюстрация к патенту Henry Hans
тивные
боеприпасы
Mohaupt, 1939–1941 гг.
с биметаллическими
кумулятивными облицовками для артиллерии (рис. 15, 16). В этих патентах была описана биметаллическая кумулятивная облицовка, состоящая из
полусферической части и конической части.
21
Рис. 15. Иллюстрация к патенту Henry Hans Mohaupt, октябрь 1941 г.
Работы по созданию кумулятивных боеприпасов с металлическими
облицовками в Германии были начаты 28 ноября 1935 г., когда еще молодой ученый Franz Rudolf Thomanek был вызван в Берлин на аудиенцию
к Гитлеру. Документальные записи, опубликованные в журнале Military
History Feature в 1996 г. свидетельствуют, что Гитлер сказал: «Возможно,
это предложение (предложение Franz Rudolf Thomanek) решит проблемы.
Я всегда хотел дать каждому солдату дешевое и легкое оружие, способное
поражать танк. Возможно, этот же принцип можно использовать в бомбах
22
и торпедах». Работы над кумулятивными боеприпасами были начаты
в технической академии Люфтваффе.
Рис. 16. Иллюстрация к патенту Henry Hans Mohaupt, октябрь 1942 г.
Доктор Franz Rudolf Thomanek исследовал заряд с кумулятивной
облицовкой в феврале 1938 г. По его сообщению в 1960 г. [6], в своих
23
экспериментах по изучению эффекта кумуляции он использовал в качестве
первого материала кумулятивной облицовки стекло. Однако такие материалы, как медь и сталь, давали более хорошие результаты. В первых
опытах наблюдалось перфорация мишени на глубину два калибра. Эксперименты показали важность таких параметров, как толщина кумулятивной
облицовки и точность ее изготовления. Изучались кумулятивные облицовки полусферической формы [46].
F.R. Thomanek исследовал кумулятивные заряды с облицовками с расширяющимися и сужающимися по толщине стенками в 1940 г., провел
эксперименты с кумулятивными облицовками «бутылочной» и рупорной
формами в 1941 г. [6].
По утверждению автора работы [6], Franz Rudolf Thomanek исследовал кумулятивные облицовки из цинка с компенсацией вращения в 1943 г.
В этих же работах он впервые упомянул «рифленые» кумулятивные облицовки для компенсации эффекта вращения кумулятивных боеприпасов. Такие кумулятивные заряды были описаны значительно позднее –
в 1968 г. [52].
В Германии было изготовлено около 50 000 кумулятивных зарядов
с облицовками из цинка, так как во время войны был дефицит меди, вся
медь отдавалась на нужды военно-морского флота.
Впервые Thomanek и Brandmeyer получили патент на кумулятивный
боеприпас 9 декабря 1939 г. и интернациональный патент [47], который
был закреплен в Венгрии в 1943 г.
Franz Rudolf Thomanek создал и открыл компанию по совершенствованию и изготовлению военных кумулятивных зарядов для нужд Рейха.
Его компания изготовила более 5 миллионов различных боеприпасов,
включая артиллерийские кумулятивные снаряды, кумулятивные гранаты,
мины и т. д.
В конце 1939 г. профессор D. E. Matthias написал в Английское Воздушное Министерство о возможности изобретения комбинированного боеприпаса – кумулятивной гранаты, пробивающей 40 мм брони, пролетая
около 100 метров [7]. В 1939 г. Matthias, Mohaupt и Kauders [6, 7] предло24
жили для Французкого патента усовершенствование кумулятивного боеприпаса, за счет введения в заряд ВВ кумулятивной облицовки. При этом
они считали, что кумулятивная металлическая облицовка служит для увеличения эффективности заряда ВВ с выемкой, а не источником получения
металлической кумулятивной струи. Это нововведение отмечено во
Французском патенте от 9 ноября 1939 г. и австралийском патенте от августа 1941 г. [48] (см. рис. 14). На рис. 14 показан кумулятивный боеприпас
с расположением детонаторов, несколько смещенных от оси симметрии
заряда и несколько кумулятивных облицовок, расположенных по радиусу
снаряда, и один основной центральный кумулятивный заряд с металлической облицовкой.
В США кумулятивные боеприпасы начинают свою историю с 18 октября 1940 г., когда Henry Mohaupt [53] продемонстрировал для армии
США кумулятивную гранату. Henry Mohaupt – швейцарский изобретатель, известен на Западе как автор идеи кумулятивной облицовки в форме
полого конуса [53]. Демонстрация нового типа боеприпаса прошла успешно. Это была граната с кумулятивной боевой частью калибром 60 мм.
Граната с ракетной пусковой установкой вскоре получила в армии
США название Базука (Bazooka). Это наименование произошло из-за
внешнего сходства боеприпаса и конструкции, используемой в популярном в то время комиксе Bob Burn, герой которого изготовил музыкальный
инструмент, названный Bazooka и состоящий из соединенных между собой газовых труб и металлической воронки. Снаряд Базука – противотанковая ракета с кумулятивной боевой частью. Действует боеприпас следующим образом. Когда баллистический колпачок (оживало) встречает
поверхность преграды, удар вызывает инерционное смещение ударного
взрывателя и происходит детонация заряда ВВ. При сжатии и метании на
оси симметрии заряда частей металлической облицовки возникает кумулятивная струя, которая пробивает преграду [54–55].
Первым боеприпасом, основанным на технологии Henry Mohaupt, была 60 мм граната М9А1, рис. 17, 18 [6, 8, 50].
25
Рис. 17. Иллюстрация к патенту Bluckington. Боевая часть кумулятивной
реактивной гранаты Базука c конической облицовкой, август 1942 г.
Заметим, что немецкие Panzerschreck и Panzerfaust (рис. 18, 19а)
[6, 56] были сконструированы, когда уже была известна Базука [50]. Первые 600 Bazooka были отправлены в Северную Африку в сентябре 1942 г.
и английские войска успешно поражали 50-миллиметровую броню германских Pzkw-III.
26
Рис. 18. Базука
a)
б)
в)
Рис. 19а. Боевые части немецкой кумулятивной реактивной гранаты:
а) «Puppchen»; б) «Panzershreck»; в) «Panzerfauct», 1942 г.
Высокая эффективность безоткатного противотанкового оружия
ближнего боя была подтверждена опытом боевого применения немецких
гранатометов, известных под названием «Фаустпатрон» в конце Второй
мировой войны. В частности, анализ боевой операции по взятию Берлина
показал, что 70 % советских танков было уничтожено огнем гранатометов.
Дальность стрельбы гранатометов «Фаустпатрон» не превышала 1 550 м,
27
однако, этого было достаточно для ведения уличных боев. Результаты испытания пробивания брони с помощью «Фаустпатрона» приведены на
рис. 19б.
Рис. 19б. Результаты испытания пробивания
миной «Фаустпатрон» брони танка
Примерно в это же время в немецком противотанковом ружье PzB39
в качестве боеприпасов использовался надкалиберный кумулятивный патрон [57] с конической кумулятивной облицовкой, обладающей высокой
эффективностью на дальностях до 125 м против легко бронированных целей (рис. 19в).
Впервые инженерные боеприпасы, принцип действия которых основан на кумулятивном эффекте, были применены, по-видимому, в 1940 г.
в ночь с 10 на 11 мая.
Отряд немецких планеров приземлился в форте Ebеn Emaеl [58], имея
на вооружении заряды ВВ с полусферической выемкой, облицованной металлом, для разрушения укреплений дотов, имеющих толщину стальных
28
стен до 400 мм (рис. 20). Разработку инженерных зарядов приписывают
Wulfken [58]. Заряды ВВ имели вес до 50 кг, выемка в заряде была облицована тонким металлическим слоем.
Рис. 19в. Немецкое противотанковое ружье PzB39
с кумулятивным боеприпасом
Рис. 20. Схема действия кумулятивного инженерного боеприпаса,
впервые примененного в мае 1940 г. в форте Ebеn Emaеl
29
Каждая группа немецких десантников атаковала свою цель – против
артиллерийских башен и укрытий использовались кумулятивные заряды
весом от 12,5 до 50 кг. Кумулятивный заряд, взорванный на крыше бронебашни, пробил большую дыру, через которую немецкие десантники бросали ручные гранаты.
В Советской Армии, по описанию Г.И. Покровского [59], имелись
аналогичные заряды, например, КЗ-1 с толщиной кумулятивной железной
облицовки около 4 мм и весом взрывчатого вещества 9 кг. Заряд устанавливался на специальных ножках, так как имел значительное фокусное расстояние и мог пробивать слой железобетона толщиной 1,2 м. Основные
характеристики КЗ-1 приведены в табл. 1.
Таблица 1
Масса, кг
Масса ВВ (ТГ-50), кг
Диаметр, мм
Высота при вытянутых
ножках, мм
Эффективность
По броне
По железобетону
По кирпичной кладке
14,7
9
350
570
Глубина пробития, мм
300
1 300
2 000
Диаметр пробоины, мм
10–15
40–70
80–100
Максимальная пробивная способность достигалась при удалении заряда от преграды на расстояние 350 мм (диаметр заряда). При уменьшении расстояния пробивная способность резко падала, а при увеличении на
50–100 мм существенно не изменялась. Обращает на себя внимание схожесть конструкции и геометрических размеров немецких и советских зарядов (рис. 21).
Специальным случаем применения кумулятивных зарядов является
использование их для пробивания бетона, железобетона и твердых горных
пород. Для этого использовались простые толовые шашки (400 г), в торце
которых вырезались от руки при помощи железного шаблона параболические выемки глубиной, равной половине диаметра основания [59].
30
а)
б)
Рис. 21. Немецкий кумулятивный инженерный боеприпас типа НI-5 (а),
1942 г. и советский боеприпас типа КЗ-2 (б)
В октябре 1941 г. в НИИ-6 (СССР) инженер М.Я. Васильев начал
исследовать возможности практического использования кумулятивного
эффекта при конструировании боеприпасов [60, 61]. Он спроектировал
первый в СССР 76-мм кумулятивный снаряд с конусной кумулятивной
выемкой, облицованной стальной облицовкой [60, 61]. При испытаниях
в стационарных условиях получили надежное пробивание бронеплиты
толщиной 100 мм по нормали и 60 мм при установке под углом 30 градусов от нормали. В 1942 г. кумулятивный снаряд был принят на вооружение
в боекомплект 76-мм полковой пушки образца 1927 г. и с мая 1942 г. изготовлялся серийно в течение всей войны. За годы войны промышленность
боеприпасов поставила фронту около 1,1 млн. 76-мм кумулятивных бронебойных снарядов [60, 61].
В 1942 г. группой конструкторов и ученых в составе И.П. Дзюбы,
Н.П. Казейкина, И.П. Кучеренко, В.Я. Матюшкина и А.А. Гринберга были
разработаны кумулятивные противотанковые снаряды к 122-мм и 152-мм
гаубицам [61]. 122-мм кумулятивный снаряд комплектовался взрывателем
мгновенного действия В-229. Снаряд был принят на вооружение и запущен в массовое производство в начале 1943 г. До конца войны было
31
произведено более 100 тыс. 122-мм кумулятивных снарядов. Снаряд пробивал броню толщиной до 150 мм по нормали, поражал любые бронированные цели, в том числе и новейшие тяжелые немецкие танки «Тигр»
и «Пантера». Снаряд применялся в битве на Курской дуге.
Наиболее широкое применение в боевой практике нашли противотанковые бронебойные кумулятивные снаряды. Такие снаряды появились
в массовых количествах в первой половине 1942 г. Известны снаряды такого типа, начиная с калибра 75 мм.
Обычно взрыватели таких снарядов расположены в головной части
и срабатывают от непосредственного соприкосновения с преградой. При
этом взрыватель посылает «луч огня» внутрь снаряда. Достигая (по соответствующей трубке) донной части снаряда, этот луч вызывает детонацию
вспомогательного заряда. Днище стального корпуса снаряда играет роль
зеркала, отражающего волну детонации. В результате этого детонация
идет в обратную сторону – к головной части снаряда и вызывает кумулятивный эффект [59].
Существенным конструктивным недостатком подобных снарядов является трубка, прорезающая заряд по его оси и уменьшающая активную
часть заряда, что ведет к уменьшению его бронебойного действия.
Немецкий военный историк Вольфганг Флейшер в своей книге
«Deutsche Landminen 1935–1945» писал о противотанковой летающей мине и привел некоторые характеристики, а также ее рисунок (рис. 22) [62].
При этом он ссылался на боевое донесение командира 98-го горнопехотного полка (Gebirgsjaegerregiments 98) 1-й горнопехотной дивизии
(1.Gebirgsjaegerdivision) от сентября 1941 г., которая в это время дралась
в ногайских степях восточнее Днепра. Командир полка указывал на значительные потери от русских мин и, в частности, от мин ОЗМ-152 и ЛМГ.
Мина появилась не ранее конца 1941 г. – первой половины 1942 г.
Изобретателем мины ЛМГ является генерал-майор И.П. Галицкий [62].
Мина имеет кумулятивный заряд и пробивает броню до 100 мм. Вес мины
10 кг, вес заряда ВВ 2,8 кг, дальность полета мины до 25 м на высоте 1 м.
32
Рис. 22. Противотанковая летающая мина ЛМГ
Мина представляет собой жестяной корпус, внутри которого находится заряд тротила, имеющий в передней части кумулятивную выемку.
Спереди к корпусу присоединена конической формы пустотелая головная
часть, сзади конический поддон, к которому привинчен хвостовик в виде
пустотелой цилиндрической трубки с четырьмя перовыми стабилизаторами. Взрыватель инерционного действия помещается в хвостовой части
корпуса и состоит из корпуса, ударника с жалом, предохранительной пружины, отжимающей ударник от капсюля-детонатора, капсюля-детонатора,
промежуточного детонатора и предохранительной чеки. Взрыватель
встроен в мину и является ее составной не извлекаемой частью. Только
предохранительная чека возвышается над хвостовиком.
Массовое применение кумулятивных снарядов в Великой Отечественной войне Советским Союзом, по-видимому, началось на Курской дуге.
Как отмечалось в книге К.С. Москаленко «На Юго-Западном направлении. 1943–1945. Воспоминания командарма», «новые танки "Тигр" имели
мощную лобовую броню, которую не пробивали бронебойные снаряды
нашей войсковой артиллерии калибра 45, 57, 76 и 85 мм на дистанции
33
свыше 50 метров. Непосредственно перед самой битвой наши артиллеристы получили подкалиберные снаряды для 45, 57 и 76-мм пушек и кумулятивные (бронепрожигающие) снаряды для 76-мм полковых пушек
и 122-мм гаубиц. Роль этих снарядов, подоспевших в срок для уничтожения "Тигров" и "Фердинандов", невозможно переоценить».
Следует отметить, что термин «бронепрожигающий» применялся к кумулятивным снарядам в то время достаточно широко. Это было связано
с двумя причинами. Во-первых, физика работы и воздействия кумулятивного снаряда на преграду тогда еще была изучена крайне слабо. Вовторых, боеприпас именно термитный и именно бронепрожигающий начали разрабатывать в конце 1941 г. в ОТБ НКВД, ВИА им. Куйбышева,
МВТУ им. Баумана, НИИ-13, НИИ-6. Наиболее известны боеприпасы Савина-Старкова (НИИ-6) и Буханкина (НИИ-13) [56]. Принцип их действия
основан на направленном проплавлении брони струей шлаков термитной
смеси, выбрасываемой пороховым зарядом. Но скорость прожигания была
мала и для снаряда не годилась. Далее все работы в этом направлении были
связаны с созданием ручных гранат, например, гранаты РПБГ-42 с эффективностью до 50 мм брони. Но разработанные кумулятивные гранаты оказались проще в изготовлении и обладали более высокой эффективностью.
В мае 1943 г. на вооружение советских войск поступил новый кумулятивный снаряд БП-460А, который позволил СУ-122 эффективно поражать вражеские танки на дальних дистанциях.
Кумулятивный снаряд сталистого чугуна БП-460А [56] для 122-мм
гаубицы М-30 образца 1938 г. состоял из корпуса с ведущим пояском,
привинтной головки, металлической кумулятивной воронки, картонной
трубки, содержателя с детонатором и капсюлем-детонатором, разрывного
заряда и деревянного вкладыша (рис. 23).
Пушка и гаубица указанных калибров придают снарядам сравнительно небольшую начальную скорость, при которой кумулятивный эффект
выражен наиболее сильно (специальные исследования показали, что
большая скорость снаряда и его вращение снижают эффективность кумулятивных боеприпасов).
34
В секретном на тот момент времени отчете английских специалистов [62],
составленном сразу после
войны, отмечалось, что советские кумулятивные снаряды были созданы на основе немецких боеприпасов.
Германские кумулятивные снаряды калибра 75 мм
типа Jgr.38 HL/A и Jgr.38
HL/B (рис. 24), обеспечивали пробитие соответственно 75 и 90 мм.
а)
б)
Рис. 23. Немецкий кумулятивный снаряд (a)
и советский кумулятивный снаряд БП460А калибра 122 мм (б), 1943 г.
Рис. 24. Немецкие кумулятивные снаряды калибра 75 мм
35
Советские 76-мм кумулятивные снаряды Великой Отечественной
войны с конической облицовкой БП-350, БП-350М показаны на рис. 25.
Рис. 25. Советские 76-мм кумулятивные снаряды
Великой Отечественной войны БП-350, БП-350М
В конце 1941 г. советские войска под Москвой применили винтовочные кумулятивные противотанковые гранаты [56].
Танки противника уничтожались не только артиллерией, но и авиацией. Практика боев показала, что обычные фугасные или осколочные бомбы могут поразить танк лишь при прямом попадании в него. Например,
бомба массой 100 кг способна своими осколками пробить броню танка
36
толщиной 30 мм, если взрыв ее произошел на расстоянии не более 5 метров от танка. Но таких бомб штурмовик ИЛ-2 – самолет, специально
предназначенный для борьбы с танками и иной техники, – мог взять не
более четырех.
Задача создания небольших кумулятивных бомб [56] (они получили
название ПТАБов – противотанковых авиационных бомб) блестяще была
решена изобретателем И.А. Ларионовым. Вот что он сам говорил об этом:
«Замечательные боевые качества нашего самолета ИЛ-2 навели меня на
мысль о создании средства для поражения танков. Штурмовик С. Ильюшина имел 4 кассеты для мелких авиабомб и мог сбрасывать их с небольшой высоты, вплоть до 25 метров. Чем больше бомб в кассетах, тем выше
вероятность прямого попадания. Кумулятивный заряд очень подходил для
этой цели. Ну а корпус – его можно было выполнить из тонкой жести,
ведь принцип действия не предполагал применения осколков. Бомба из
жестянки… Такое предложение у некоторых специалистов вызвало явное
недоверие. Тем более что кумулятивные заряды были новинкой и в 1942 году в боеприпасах еще не применялись. Но командование ВВС поверило
мне и оказало столь необходимую в новом деле помощь. Решение ГКО об
изготовлении ПТАБов было принято в срочном порядке по инициативе
И. Сталина, хотя приемная комиссия не успела составить акта о результатах испытаний. Верховный Главнокомандующий запретил применять новые бомбы до особого распоряжения. Как только началось танковое сражение под Курском (5 июля 1943 года), тысячи ПТАБов посыпались на
бронированные силы гитлеровцев. Штурмовики ИЛ-2 брали по 312 бомб,
78 штук в каждую из четырех кассет».
ПТАБ-2.5-1.5 (рис. 26), весом 1,5 кг в габаритах стоящей на вооружении ВВС авиабомбы 2,5 кг пробивала броню в 70 мм. Для сравнения,
крыша «Тигра» имела толщину 28 мм, а «Пантеры» – 16 мм.
Максимальное бронепробиваемое действие противотанковой авиабомбы достигается при условии, что в момент взрыва кумулятивный заряд
бомбы находится на определенном расстоянии от брони, которое называется фокусным. Взрыв кумулятивного заряда на фокусном расстоянии
37
обеспечивается соответствующими размерами головки авиабомбы. Испытания кумулятивных авиабомб были проведены с декабря 1942 г. по 21 апреля
1943 г., а 14 апреля 1943 г. был подписан акт об испытании ПТАБ-2.5-1.5.
К 15 мая 1943 года было изготовлено 800 000 авиабомб, всего за годы
войны – 12 370 000 штук ПТАБ-2.5-1.5.
Рис. 26. Противотанковая авиационная бомба ПТАБ-2.5-1.5, 1942 г.:
1 – взрывчатое вещество; 2 – кумулятивная облицовка
В 1943 г. почти одновременно на вооружении Советской Армии и германского вермахта появляются ручные противотанковые гранаты: РПГ-43
(эффективность 75 мм) и PWM-1(L) (эффективность 130–150 мм).
В 1942 г. в КБ-30 (СССР) конструктор Н.П. Беляков начал разрабатывать кумулятивную гранату направленного действия [3, 61]. 16 апреля
1943 г. эта граната прошла полигонные испытания, а в период с 22 по
28 апреля – войсковые. Она была принята на вооружение Красной Армии
под индексом РПГ-43 в качестве гранаты для борьбы с бронированными
целями, имеющими броню толщиной до 70 мм. Гранату РПГ-43 быстро
освоили в массовом производстве и уже к лету 1943 г. она стала поступать
в войсковые части в больших количествах.
В Московском филиале НИИ-6 конструкторы М.З. Полевиков,
Л.Б. Иоффе и Н.С. Жидких при участии Г.В. Хрусталева, А.Н. Осина
и Е.И. Пыховой в короткие сроки разработали ручную противотанковую
38
кумулятивную гранату РПГ-6. Граната имела массу 1 100 г при массе заряда 580 г.
В сентябре 1943 г. были проведены войсковые испытания РПГ-6 на
трофейной артиллерийской штурмовой установке «фердинанд» с толщиной бортовой брони 85 мм и лобовой – 200 мм. Бронепробиваемость РПГ-6
достигала 120 мм. В конце октября 1943 г. постановлением ГКО ручная
противотанковая граната РПГ-6 была принята на вооружение Красной
Армии [60, 61].
Немецкие ученые предложили много идей военного использования
эффекта кумуляции в торпедах [6, 63] (рис. 27, а) и сдвоенных, тандемных
зарядах [6, 64] (рис. 27, б). Однако последние не были реализованы.
а)
б)
Рис. 27. Модель боевой кумулятивной части торпеды, 1945 г. (а)
и схема кумулятивного тандемного боеприпаса, 1947 г. (б)
39
Самые большие кумулятивные заряды были разработаны в Германии
в проекте «Mistel» или в устройстве «Beethoven Apparatus» [65]. Этот проект завершился установкой самолетов типа BS-109 и FW-190 на большой
бомбардировщик JU-88, на котором в носовой части размещался кумулятивный заряд (рис. 28). Пилот-истребитель наводит самолет-заряд на цель,
взводит взрыватель, отцепляет «летающую торпеду» и возвращается на базу.
Рис. 28. «Крылатая кумулятивная ракета» MISTEL
В носовой части бомбардировщика располагался кумулятивный заряд, калибром 2 м с низкой 120-градусной облицовкой (рис. 29). Вес головной части составлял 3 500 кг, вес взрывчатого вещества – 1 720 кг. Ку40
мулятивная облицовка имела толщину 30 мм и изготавливалась из алюминия. Автор работы [6] предполагает, что облицовка могла быть изготовлена из тонкого стального листа. Там же говорится об исследовании
стальной кумулятивной облицовки весом 1 000 кг с теоретической величиной пробития 7,5 метра (около 3,7 калибра), экспериментальная величина пробития составила 18,5 метра (9 калибров).
Рис. 29. Принцип действия MISTEL
Первые испытания таких кумулятивных зарядов против французских
военных кораблей прошли в 1943 г.
Технология разработок кумулятивных боеприпасов немецким правительством была передана ее союзникам в Великой Отечественной войне –
Италии и Японии в начале войны. Это подтверждает, например, противокорабельный кумулятивный заряд SAKURA, для оснащения самолетов
камикадзе, рис. 30, 31 [65, 66] и японская мина Lunge – «Самоубийца»
(рис. 32), созданная в 1944 г. [67].
41
Рис. 30. Конструкция кумулятивного заряда «Сакура», 1946 г.
Рис. 31. Бомбардировщик «Hiryu» с боевой частью «Сакура» для камикадзе
Рис. 32. Японская кумулятивная мина «Самоубийца», 1944 г.
42
Мина Lunge представляла собой кумулятивный заряд, размещенный
на длинной деревянной ручке. Оператор, используя тактику штыка, направлял заряд в броню танков. Полная длина мины, включая ручку, –
198 см, длина рукоятки – 150 см, диаметр кумулятивного заряда – 295 мм,
эффективность по стали – 152 мм. В мине использовался заряд ВВ в стальном корпусе с конической кумулятивной облицовкой.
Основные технические характеристики «Сакуры» приведены в табл. 2.
Таблица 2
Характеристики
Диаметр заряда, м
Длина заряда, м
Диаметр кумулятивной облицовки, м
Размер отверстия в кумулятивной облицовке, мм
Материал кумулятивной облицовки
Толщина кумулятивной облицовки, мм
Вес ВВ, кг
Толщина стального корпуса, мм
Общий вес заряда, кг
Аналогичную конструкцию имела кумулятивная мина HAFT-H3
(рис. 33) производства
Германии. Она состояла из
корпуса с рукояткой, заряда ВВ с кумулятивной облицовкой и крепления. Закрепление мины осуществлялось с помощью магнитного треножника [69].
Тип 1
1,6
1,1
1,4
260
Сталь
4
1 700
7
2 908
Тип 2
1,2
1,0
1,0
200
Сталь
4
500
4
1 300
Рис. 33. Показ принципа действия HAFT-H3
оберлейтенантом Конопка перед Курской
битвой. Фотография взята из альбома
фотографий «Великая Германия»
43
В конце войны в Германии был разработан кумулятивный снаряд с конической облицовкой калибра 380 мм для «Panzersturmmorser» (рис. 34, 35).
Рис. 34. Схема кумулятивного боеприпаса калибра 380 мм
с конической облицовкой
Рис. 35. «Panzersturmmorser»
44
В середине 40-х гг. ХХ в. исследовалось повышение эффективности
кумулятивных зарядов за счет применения специального сопла [59].
Пробиваемая кумулятивной струей толщина слоя металла или иного
материала будет при прочих неизменных условиях тем больше, чем сильнее сжата кумулятивная струя, чем выше ее плотность. Получение эффекта кумуляции и необходимо для такого сжатия.
Чтобы еще сильнее усилить такое сжатие, можно применить особого
типа сопла – диафрагмы, напоминающие по внутреннему профилю спрыски брандспойтов. Именно такие сопла-диафрагмы можно видеть в некоторых последних образцах германских кумулятивных снарядов и, в частности, в бронебойной мине, называемой «Faustpatrone».
Эксперименты, выполненные в Институте «Водгео» инженером
И.С. Федоровым с кумулятивными зарядами со стальным соплом и конической кумулятивной облицовкой из цинка, показали [59], что если выходное отверстие сопла составляло около 0,25 D диаметра заряда, то получалось увеличение глубины пробоины в стали от 50 % вблизи сопла
и до 175 % на расстоянии 15 мм от сопла. На
расстоянии 25 мм от сопла глубина пробоины
возрастала на 90 % по сравнению с глубиной
пробоин, получаемых без сопла на тех же расстояниях. Один из вариантов такого кумулятивного заряда показан на рис. 36.
В конце 60-х гг. исследования применения
фокусирующих сопел для кумулятивных зарядов было продолжено академиком АТН РФ,
профессором В.Ф. Мининым. Им был обнаружен эффект устойчивого движения кумулятивных струй в криволинейных трубках различного по форме сечения [68].
Военно-морской флот США проводил интенсивные исследования кумулятивного эффекРис. 36. Кумулятивный
та. ВМФ США исследовали и развили [6, 70]
заряд с соплом, 1944 г.
45
торпедные боевые части с кумулятивными зарядами калибром 457 мм
(рис. 37), противолодочные кумулятивные бомбы калибром 152 мм (рис. 38)
с углом раствора конической стальной кумулятивной облицовки 45 градусов, толщиной стенок 4,7 мм и калибром 88,9 мм (рис. 39).
Рис. 37. Схема кумулятивной боевой части торпеды, 1945/46 г.
Рис. 38. Кумулятивная бомба для борьбы с подводными лодками, 1945 г.
46
Рис. 39. Схема кумулятивного заряда, предназначенного для борьбы
с подводными лодками, 1945 г.
Кумулятивная боевая часть торпеды калибром 533,4 мм имела 60-градусную стальную кумулятивную облицовку. Это был самый большой кумулятивный заряд армии США во время Великой Отечественной войны.
Впервые в Великой Отечественной
войне СССР кумулятивный заряд с металлической облицовкой был использован
в противотанковой (противоднищевой)
мине ТМК-2 [71] (рис. 40). Масса мины
составляла 12 кг, масса ВВ (тротил) – 6 кг
и ТГ50 – 6,5 кг. Кумулятивная струя при
взрыве мины способна пробить 60 мм брони при снаряжении ее тротилом и 110 мм
составом ТГ50. Использовалась стальная Рис. 40. Кумулятивная мина
кумулятивная облицовка в виде сегмента
ТКМ-2
47
сферы, для формирования требуемой формы детонационного фронта волны использовалась линза из дерева.
В годы Великой Отечественной войны практически одновременно
были разработаны основные положения теории кумулятивных зарядов
с металлической облицовкой и опубликованы Биркгофом (Birkhoff, 1948 г.)
[72] и М.А. Лаврентьевым (1957 г.) [73] для стационарного случая с использованием модели несжимаемой жидкости. Основное допущение теории – это представление материала кумулятивной облицовки в виде идеальной несжимаемой жидкости.
Гидродинамическая теория объясняет, что кумулятивная струя образуется при обжатии облицовки из ее внутренней поверхности и обладает
существенной скоростью, тогда как наружная поверхность образует пест
(участок кумулятивной струи, не участвующий в перфорации мишени),
движущийся с гораздо меньшей скоростью. При этом схлопывание облицовки на оси симметрии заряда происходит под углами менее 180 градусов.
В настоящее время известно несколько теорий, объясняющих формирование кумулятивной струи из облицовки кумулятивной выемки, например [74, 75], теория пластической деформации, теория сферического схождения кумулятивных струй в одной точке, теория образования кумулятивной струи при разрушении облицовки на мельчайшие частички и т. д.
После окончания Великой Отечественной войны кумулятивные заряды продолжали усовершенствоваться и исследоваться практически во всех
странах мира.
Третий этап развития кумулятивных зарядов связан с их совершенствованием, развитием производства прецизионных взрывных устройств с кумулятивными зарядами, использованием металлических облицовок с изотропными механическими свойствами и малым размером зерна, однородных взрывчатых веществ и т. д.
В США разрабатывались кумулятивные ракеты класса «воздухвоздух» калибром 70 мм, ракеты класса «воздух – земля» калибром 127 мм
и противолодочные кумулятивные боеприпасы калибром 324 мм [6].
48
23 августа 1950 г. в США R.J. Eichelberger с коллегами был запатентован специальный кумулятивный заряд для боеприпасов, стабилизированных в полете вращением [76]. Данный патент стал доступен лишь
10 апреля 1973 г. В предложенном кумулятивном заряде использовалась
специальная «рифленая» кумулятивная металлическая облицовка (рис. 41).
Хотя такой кумулятивный заряд и уменьшал в некоторой степени эффект
вращения, эффективность таких боеприпасов составляла всего порядка
двух калибров.
Рис. 41. Кумулятивная «рифленая» облицовка для боеприпасов,
стабилизируемых вращением
Использование другого подхода к решению этой проблемы позволило
академику АТН РФ В.Ф. Минину в середине 1970-х гг. получить величину бронепробития для кумулятивных снарядов, стабилизируемых вращением, более 4 калибров [68]. Этот уровень не превзойден до сегодняшнего дня.
49
В 1950 г. была построена, под руководством G.C. Thorner, главой Naval Ordnance Test Stantion Explosive Ordnance Branch (NOTS), противотанковая кумулятивная ракета калибром 165 мм, имеющая кодовое название
RAM [6]. Боевая часть имела калибр 168,3 мм. Кумулятивная облицовка
представляла собой стальной конус с углом раствора 60 градусов. На рис. 42
показан эскиз противотанковой ракеты RAM.
Рис. 42. Схема кумулятивной противотанковой ракеты RAM, 1950 г.
G.C. Thorner проводил эксперименты с многоступенчатыми кумулятивными зарядами в 1949 г., разработка «линз» для кумулятивных зарядов
была начата в конце 40-х гг. (рис. 43).
В начале 1950-х гг. в США начались исследования дальнобойных
элементов, сформированных взрывом. Эксперименты проводились с зарядами, формирующими поражающий элемент, обладающий поражающей
эффективностью на дальностях более 100 м (240 калибров кумулятивной
облицовки) и скоростью 2–4 км/с [6].
50
Рис. 43. Иллюстрация к патенту S.A. Moses [6].
Кумулятивные заряды с «линзами». 1949 г.
Исследовались заряды с диаметрами кумулятивных облицовок от
101,6 до 381 мм, с облицовками из алюминия в виде конуса раствором
120 градусов и толщиной стенки 38 мм.
Были разработаны специальные конструкции из кумулятивных зарядов, создающих одновременно нескольких кумулятивных струй (от 4
до 180) [6]. При этом кумулятивные облицовки располагались на цилиндрической или полусферической поверхностях. На рис. 44 показана схема
устройства, состоящего из 9 кумулятивных зарядов с коническими алюминиевыми облицовками, расположенными в линию по окружности, и результат их функционирования.
51
Рис. 44. Схема кумулятивного заряда с 9 кумулятивными облицовками,
расположенными по окружности, и результат его функционирования, 1952 г.
Были разработаны аналогичные устройства, состоящие из 45 зарядов,
по 5 рядов из 9 зарядов и 5 точками для инициирования устройства вдоль
его оси симметрии, а также кумулятивные заряды, формирующие 96 элементов, сформированных взрывом и расположенных на полусфере диаметром 457 мм [6]. Заряды были калибром 38 мм с толщиной алюминиевой
облицовки 3,2 мм. Длина видимого следа, возникающего при движении
поражающих элементов в воздухе, составляла около 30 м.
52
Аналогичные конструкции используются и в современных боевых
частях, например, в боевой части противокорабельной ракеты «Корморан-2»
[77] (рис. 45).
Рис. 45. Схема боевой части противокорабельной ракеты «Корморан-2»
Результаты испытаний противокорабельной ракеты «Корморан-2»
показаны на рис. 46.
Эффекты, связанные с движением поражающих элементов, сформированных взрывом, в различных газах (аргон, кислород, гелий и т. д.) и на
высотах более 50 000 м были рассмотрены в 1953 г. в работе [78].
53
Рис. 46. Испытания противокорабельной ракеты «Корморан-2»
Большое значение в деле интенсификации добычи нефти и газа приобретает разработка новых методов вскрытия пластов, т. е. методов создания путей сообщения ствола скважины с пластом – образованием сетки
отверстий в обсадных трубах, затрубных цементных кольцах и породе
пласта. Через эти отверстия нефть или газ поступает из пласта в скважину.
Процесс образования таких отверстий называется перфорацией скважин.
В 1943 г. Ю.А. Колодяжный предложил способ вскрытия пласта путем простреливания скважин кумулятивными зарядами в индивидуальных
оболочках [74].
В кумулятивных перфораторах обычно применяют кумулятивные заряды малых размеров и веса, но обладающие высокой пробивной способностью. По форме перфорационный канал на всем протяжении должен
иметь по возможности относительно большой диаметр. При подрыве кумулятивных перфораторов не должны образовываться пест или крупные
металлические осколки, которые могут закупорить перфорационное отверстие. В кумулятивных перфораторах используют конусообразные об54
лицовки с углом раствора 60–75 градусов из алюминия, стали, латуни, меди, биметаллические облицовки и т. д. [74].
Позднее были предложены сдвоенные кумулятивные заряды последовательного действия для использования перфорации скважин, но они не
были реализованы (Патенты США № 2984307 Charles H. Barnes, Cutting
Apparatus от 16 мая 1961 г. и № 3358780 A.A. Venghiattis, Cumulative
shaped charges от 19 декабря 1967 г.), рис. 47.
Рис. 47. Перфораторы со сдвоенными зарядами последовательного действия
Коломенским конструкторским бюро машиностроения, первым в СССР,
был сдан на вооружение ПТРК (противотанковый ракетный комплекс)
«Шмель» с кумулятивной боевой частью. В 1960 г. на показе ЦК КПСС
и Правительству во главе с первым секретарем ЦК КПСС Н.С. Хрущевым
на полигоне Капустин яр комплекс «Шмель» показал высокие результаты.
В 1959-60 гг. появилась первая в СССР серийная ПТУР 3М6 «Шмель»
с колоколообразной кумулятивной облицовкой [79] (рис. 48).
55
Рис. 48. Схема противотанковой ракеты «Шмель»
с кумулятивной боевой частью, 1960 г.:
1 – взрыватель; 2 – боевая часть; 3 – источник тока; 4 – катушка; 5 – розетка
бортового разъема; 6 – блок управления; 7 – двигательная установка;
8 – электромагнит курса и тангажа; 9 – электромагнит крена
В следующем изделии – ПТРК «Малютка» [79, 80] (рис. 49) – удалось
значительно упростить конструкцию, увеличить дальность стрельбы до
3 км, поднять бронепробиваемость. Появилась возможность размещать
«Малютку» на разных носителях – БРДМ-1, БМП, танках, вертолетах МИ-8,
кроме того, комплекс стал носимым.
Рис. 49. Схема ПТРК «Малютка»
56
Во время арабо-израильской войны в 1973 г. с помощью «Малютки»
был уничтожен практически весь израильский танковый парк – порядка
800 машин.
Модернизация БЧ ПТУР «Малютка», находящейся на вооружении
более 40 стран мира, позволило увеличить бронепробитие с 460 до 850 мм
[79, 81] В ПТУР «Малютка-2» заменена моноблочная БЧ на тандемную
с прецизионным кумулятивным зарядом (рис. 50). При этом первый (предзаряд) размещен в специальном штоке в головной части ракеты и предназначен для вскрытия динамической или реактивной брони. Основные характеристики ПТРК «Малютка» и «Малютка-2» приведены в табл. 3.
Рис. 50. Фотография ПТРК «Малютка-2»
с тандемной кумулятивной боевой частью
Таблица 3
Характеристика
«Малютка»
«Малютка-2»
Калибр, мм
125
125
Длина, мм
860
975
Бронепробиваемость, мм
460
800
Скорость полета, м/с
115
130
57
В 1962 г. в США было предложено создание кассетного кумулятивного заряда для
ракетной заградительной системы HAMMER
[6]. Кассетные боеприпасы HAMMER (рис. 51)
имели диаметр 40 мм, вес 60 грамм, при эффективности 75 мм. После закрытия программы фирма Aerojet Ordnance разработала
гранату на этом принципе М42 HERD с тремя
модификациями: М42 и М46 для артиллерии
и ХМ77 для ракетных систем.
В прототипе гранаты М42 использовалась линза для получения требуемого детоРис. 51. Модель кумулянационного фронта. Это позволило получить
тивного заряда HAMMER
кратер значительного диаметра при приемс медной кумулятивной
лемой глубине пробития. Однако, при приняоблицовкой типа конустии М42 (рис. 52, 53) на вооружение, армия
полусфера, калибр
США потребовала увеличить осколочное
38,1 мм, 1962 г.
действие этого боеприпаса, поэтому для увеличения массы ВВ в заряде линза была исключена. Вследствие этого диаметр кратера уменьшился. Эффективность заряда М42 по монолитной
преграде составляет 69,8 мм, при длине заряда 88,9 мм.
Рис. 52. Схема кумулятивной боевой части М42/М46, 1962 г.
58
Рис. 53. Результаты испытания кумулятивного заряда для М42, 1961 г.
С августа 1977 г. в США принят на вооружение модифицированный
вариант заряда М42, получившего индекс М8 [6]. В снаряде М915/М916
калибра 155 мм используются 42 суббоеприпаса типа М8. В снаряде
М483А1 калибра 155 мм содержится 88 суббоеприпаса М42.
В начале 1960-х гг., под руководством доктора Zernov в Aerojet Ordnance Division [6], был разработан высокоэффективный кумулятивный заряд, предназначенный для боевой части противотанковой ракеты DART
(рис. 54). На этом рисунке представлена схема его испытания.
При диаметре кумулятивного заряда, равном 203,2 мм, и с 90-градусной алюминиевой кумулятивной облицовкой, с «линзой» из синтетической пены была достигнута максимальная скорость кумулятивной струи
12 км/с, с уменьшенным фокусным расстоянием.
Боевая кумулятивная часть противотанковой ракеты Maverick, калибром 254 мм и весом 56,6 кг, была разработана в США группой DTL
в 1967–1970 гг. [6]. Разработанный кумулятивный заряд пробивал более
2 м в грунте. В кумулятивном заряде использовалась медная кумулятивная облицовка полусферической формы, сопряженная с 50-градусной
59
конической алюминиевой облицовкой (рис. 55). Это был прототип тандемного заряда, состоящего из цилиндрической и конической облицовок.
Позднее кумулятивный заряд был заменен на кумулятивный заряд с облицовкой рупорной формы (рис. 56).
Рис. 54. Кумулятивный заряд для противотанковой ракеты DART
и схема его испытаний
В 1966–1969 гг. были разработаны специальные кумулятивные заряды для исследования действия мощного ультрафиолетового излучения
60
на различные материалы,
их интенсивное испарение
и разлет [82, 84]. Световое
излучение возникало при
движении газовой кумулятивной струи в различных
газах. Были достигнуты достаточно высокие параметры:
плотность потока излучения
на мишени 15–20 МВт/см2,
длительность
облучения
20–30 мкс, интегральная
энергия на мишени достигала 130 Дж/см2 при общей
площади 100 см2 [84].
Рис. 55. Схема первого варианта кумулятивного заряда для ракеты «Мейверик» и схема его испытаний, 1969 г.
Рис. 56. Схема кумулятивного заряда для ракеты «Мейверик»
61
Кумулятивные заряды с цилиндрическими и коническими выемками
использовались для получения сильных ударных волн в плотном газе [83].
С их помощью удавалось получить ударные волны со скоростями около
16–20 км/с.
Высокоскоростная газовая кумулятивная струя может быть использована как источник мощного видимого и ультрафиолетового излучения во
взрывных источниках света [84]. Например, кумулятивный заряд с семью
коническими кумулятивными выемками создавал в аргоне ударную волну
со средней скоростью 11 км/с. А заряд, изготовленный без кумулятивных
выемок и имевший в 1,3 раза больший вес, создавал ударную волну со
средней скоростью 8 км/с. Отмечено [81], что в некоторых экспериментах
газ в ударной волне нагревался до температуры выше 100 000 К.
Кумулятивный заряд можно построить, отказавшись от предположения, что металлическая кумулятивная облицовка должна иметь только или
коническую, или клиновидную форму.
В конце 60-х гг. ХХ в., профессором
В.Ф. Мининым (рис. 57а) было впервые
в мире показано, что кумулятивный заряд
можно создать, поместив в цилиндрическую шашку ВВ металлическую трубку
(кумулятивную облицовку) (рис. 57б),
толщина стенки которой увеличивается
в направлении распространения фронта
детонационной волны, или использовать
цилиндрическую кумулятивную облицовку с постоянной толщиной стенки, поместив ее в коническую шашку ВВ [68, 85].
Рис. 57а. Минин Владилен
На такой кумулятивный заряд было полуФедорович (1932 г.), акадечено авторское свидетельство СССР на
мик АТН РФ, профессор,
изобретение с приоритетом от 18 июня
лауреат Государственной
1970 г.
премии СССР
62
Рис. 57б. Рентгенограммы образования кумулятивных струй
из цилиндрических зарядов, 1970 г.
В.Ф. Минин показал, что если фазовая скорость точки соударения
элементов кумулятивной облицовки на оси симметрии меньше начальной
скорости звука в окрестности области соударения, то возмущения могут
уходить вперед по облицовке и соударение метаемого материала облицовки
63
на оси симметрии заряда будет происходить с образованием кумулятивной струи. Величина пробития в таких зарядах составляла около 4 калибров заряда в «обычных» условиях.
В 1973 г. был запатентован кумулятивный боеприпас, стабилизированный вращением [86]. Кумулятивный заряд содержит коническую
кумулятивную облицовку с углом раствора не менее 120 градусов, на
вершину которой падает существенно плоский детонационный фронт.
Кумулятивная облицовка изготовлена из пластически деформируемого
металла, способного воспринимать высокие растягивающие напряжения,
например, меди или чистого железа (ARMCO). Для снаряда калибром
105 мм, углом раствора конической кумулятивной облицовки 140 градусов с толщиной стенки 7 мм и диаметром облицовки 75 мм, при внутреннем диаметре корпуса 94 мм, длиной кумулятивного заряда 150 мм и скорости вращения снаряда 300 об/с, были получены следующие результаты:
глубина бронепробития – 160 мм (1,5 калибра), диаметр входного отверстия – 30 мм, диаметр выходного отверстия – 20 мм, глубина бронепробития без вращения – 170 мм.
Существенное снижение бронепробития кумулятивных боеприпасов
при их вращении привело к тому, что в большинстве стран мира отказались от стабилизации боеприпасов за счет их вращения.
Кумулятивный французский 105 мм вращающийся снаряд «Obus G»,
принятый на вооружение в начале 70-х гг., предназначен для стрельбы из
пушки CN-105-F1 танка AMX-30, принятого на вооружение Франции в середине 60-х гг.. Кумулятивная боевая часть снаряда установлена на подшипниках для исключения влияния эффекта вращения на бронепробивное
действие [87] (рис. 58).
В боевой части снаряда использовался «обычный» кумулятивный заряд. Это единственный кумулятивный снаряд для нарезных танковых пушек, состоящий на вооружении. Основные тактико-технические характеристики снаряда «Obus G» приведены в табл. 4. Основной недостаток –
высокая стоимость.
64
Рис. 58. Кумулятивный боеприпас «Obus G»,
стабилизированный вращением
Таблица 4
Начальная скорость, м/с
Вес боевой части, кг
Пробитие по нормали, мм
Пробитие под углом 65 градусов, мм
1 000
10,95
360
150
При испытаниях по 152 мм листу брони, установленного под углом
60 градусов на расстояниях 1 500, 2 100 и 3 100 м, средний диаметр входного отверстия был равен 21,5 мм, выходного – 17,3 мм.
В середине 70-х гг., для американской 35 мм авиационной пушки
GAV-8 был разработан кумулятивный снаряд с плоской кумулятивной воронкой (FCSC), на который фирма General Electric (USA) приобрела лицензию. При массе 360 г, начальной скорости снаряда 100 м/с и тангенсальной скорости 115 м/с (около 70 000 об/мин) кумулятивный снаряд
обеспечивал бронепробитие до 70 мм (два калибра) [88].
В 1970–1974 гг. В.Ф. Мининым были предложены и исследованы кумулятивные заряды с анизотропными лайнерами – кумулятивными облицовками с анизотропными механическими свойствами материала вдоль
образующей поверхности облицовки [89, 90], позволяющими увеличить
максимальную скорость формируемой кумулятивной струи, стабильность
перфорации и упростить технологию их изготовления.
65
Известно, что применение в качестве инертного материала кумулятивных облицовок металла с однородной мелкозернистой структурой для
повышения его пластичности обеспечивает «изотропные» механические
свойства материала, но не позволяет использовать предельные свойства
используемого металла, что приводит к уменьшению предельной получаемой длины кумулятивной струи и ее максимальной скорости и, как
следствие, уменьшает эффективность перфорации. Для обеспечения максимальной пластичности материала и изотропности механических свойств
материала, зерна применяемых в кумулятивных облицовках материалов
делают максимально мелкими, до величины несколько микрон, что повышает сложность их изготовления и стоимость устройства.
Известно, что механические свойства материала (скорость звука, пластичность, прочность и т. д.) различны для различных ориентаций кристаллов ее составляющих. Так, например, у меди анизотропия модуля упругости достигает почти 300 %. Под действием взрывного течения материала кумулятивной облицовки кристаллы превращаются в нитевидные,
длина которых зависит от их размеров, а свойства – от их кристаллографического направления.
Было предложено для увеличения глубины и диаметра перфорируемого отверстия, за счет увеличения пластичности материала кумулятивной облицовки перфоратора, материал кумулятивной облицовки подвергать направленной кристаллизации [89]. Например, для меди, алюминия
и других материалов, широко используемых в кумулятивных перфораторах, необходимо, чтобы использовались металлы со сформированной одинаковой кристаллографической направленностью зерен с равномерной
столбчатой структурой, расположенные по нормали к образующей поверхности кумулятивной облицовки [90].
Основные механические свойства кристаллов, такие как пластичность,
скорость звука, сжимаемость и т. д., являются тензорными и векторными
величинами и различны в разных кристаллографических направлениях.
Величина этого различия может быть значительной для гранецентрированных металлов с кубической решеткой. Например, скорость звука в меди
66
в зависимости от кристаллографической направленности зерен изменяется
от 2,8 км/с (направление <001>) до 4,7 км/с (направление <111>). Таким
образом, максимальная скорость кумулятивной струи и ее длина могут
изменяться в зависимости от кристаллографической направленности зерен
материала кумулятивной облицовки.
В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что, например, для меди пластичность в зависимости от кристаллографической направленности зерен может быть увеличена в 1,5 раза.
При сформированной текстуре и микроструктуре материала кумулятивной облицовки перфоратора пластичность, скорость звука и другие
механические параметры материала становятся больше в направлении по
нормали к поверхности кумулятивной облицовки, чем вдоль ее образующей. Это позволяет формировать кумулятивную струю с большей максимальной скоростью в 1,25–1,5 раза в зависимости от используемого
инертного материала кумулятивной облицовки (медь и медные сплавы,
алюминий и алюминиевые сплавы, железо, тантал и т. д.) [89, 90].
Результаты экспериментальных исследований показали, что при этом
формируемая кумулятивная струя обеспечивает перфорационный канал
с большими диаметром в 2–3 раза и глубиной в 1,2–1,5 раза, при увеличении в 2–3 раза стабильности величины перфорации.
В процессе взрывной деформации материала кумулятивной облицовки
и при дальнейшем его инерционном течении за фронтом ударной волны
в среде происходят процессы, стремящиеся к установлению термодинамического равновесия. Зерна материала кумулятивной облицовки, находящиеся в благоприятном для них кристаллографическом направлении,
растягиваются, превращаясь в длинные нити, а в менее благоприятном
кристаллографическом направлении растягиваются меньше. Зерна материала кумулятивной облицовки находящиеся в неблагоприятном кристаллографическом направлении, могут длительное время не деформироваться.
Процесс установления термодинамического равновесия при взрывной
деформации материала кумулятивной облицовки происходит также и с поворотом зерен, из которых она состоит, стремящихся выровнять свои
67
скорости течения с соседними зернами. В конечном итоге, в процессе
взрывной деформации материала кумулятивной облицовки, материал кумулятивной облицовки превращается в среду с анизотропными механическими свойствами, состоящую из нитевидных зерен разной длины и с разными свойствами, зависящими от первоначальной ориентации зерна.
В предложенном В.Ф. Мининым кумулятивном заряде с анизотропным лайнером [89, 90] в материале кумулятивной облицовке все зерна
располагаются в заданном направлении эффективной деформации при
кумулятивном процессе. В материале с такой текстурой за фронтом ударной волны существует состояние, близкое к термодинамическому равновесию. Все зерна одинаково вытягиваются, превращаясь в длинные нити.
В такой среде практически нет ограничения на величины размеров зерен.
При деформации материала, состоящего из больших зерен, получают более длинные нитевидные зерна, обладающие аномальными, полезными
свойствами в выбранном направлении. При этом уменьшается вторая
вязкость материала кумулятивной облицовки, характерная для неравновесных процессов, увеличивается масса материала, переходящего в кумулятивную струю, связанную как с процессом ее образования, так и с уменьшением затраты энергии на нагрев материала, уменьшением потерь механической энергии при формировании кумулятивной струи.
При использовании кумулятивной облицовки с анизотропными механическими свойствами, в которой все кристаллы ориентированы в направлении течения материала, пластичность материала становится максимальной, возрастает длина кумулятивной струи и глубина перфорируемого
отверстия. При этом эффективность такой кумулятивной облицовки не зависит от размеров зерен материала и повышается стабильность и эффективность перфорации.
Кумулятивная струя, состоящая из таких столбчатых кристаллов
с различными механическими свойствами, имеет возможность аномального растяжения, что и является причиной высокой эффективности перфорации скважин.
68
Проведенные экспериментальные исследования на медных кумулятивных облицовках двух видов, которые отличались друг от друга только
тем, что у одних направление <001> было реализовано нормально к образующей, а у других – вдоль оси симметрии кумулятивной облицовки, показали, что глубина перфорации по стальной мишени кумулятивной облицовки первого вида почти в 2 раза выше, чем второго [89].
Экспериментально установлено, что перфораторы с металлическими
кумулятивными облицовками с одинаковой кристаллографической направленностью зерен со столбчатой структурой, расположенных по нормали к образующей поверхности кумулятивной облицовки, имеют более
высокую эффективность, чем перфораторы с кумулятивными облицовками с однородной мелкозернистой структурой.
Были проведены испытания двух обычных «классических» кумулятивных перфораторов, с медными кумулятивными облицовками и величиной кристаллов материала порядка несколько миллиметров. В первом
случае, столбчатые кристаллы меди были расположены перпендикулярно
к образующей поверхности кумулятивной облицовки, а во втором – параллельно оси симметрии заряда.
Величина перфорации стальной преграды кумулятивным перфоратором в первом случае была в 2 раза больше, чем во втором случае, и на
30 % больше отработанного кумулятивного перфоратора с изотропной
мелкозернистой кумулятивной облицовкой [89, 90].
Для кумулятивных перфораторов с анизотропной алюминиевой кумулятивной облицовкой была получена глубина перфорации, сравнимая
с глубиной перфорации кумулятивного перфоратора с изотропной медной
кумулятивной облицовкой, но объемом перфорируемого отверстия в несколько раз большим.
Например, у перфораторов с алюминиевыми кумулятивными облицовками с одинаковой кристаллографической направленностью зерен со
столбчатой структурой и размером зерна более 10 мм, глубина перфорации мишени на 25 % выше, чем у аналогичных перфораторов с однородной мелкозернистой структурой и размером зерна 80 мкм.
69
Экспериментальные исследования кумулятивного перфоратора с кумулятивной облицовкой из хрупкого алюминиевого сплава – силумина –
показали, что эффективность перфорации мишени сравнялась с эффективностью перфорации мишени такого же перфоратора с кумулятивной
облицовкой из чистого алюминия с изотропными механическими свойствами [90]. При этом качество кумулятивного заряда оказалось таким, что
на оси песта было обнаружено сквозное отверстие диаметром около 1 мм
(при заряде диаметром 50 мм).
Экспериментальные исследования кумулятивных перфораторов калибром 30 мм с конической кумулятивной облицовкой из рафинированного
железа, например, марки 0.05 ЖР-ВП показали, что предельное удлинение
кумулятивной струи составляло 11–13,5 раз, что сравнимо с характеристиками высокопластичных материалов, таких как медь, и эффективность
перфорации не снижается по сравнению с перфораторами с медной кумулятивной облицовкой [89].
Для получения кумулятивной облицовки с кристаллами, расположенными преимущественно перпендикулярными образующей поверхности
кумулятивной облицовки, и со столбчатым строением зерен, можно использовать известные способы [89]. Например, способ резкого охлаждения жидкого металла «жидкой штамповкой» с интенсивным охлаждением
внутренней формы кристаллизатора жидкостью, способ перекристаллизации уже готовых механически обработанных кумулятивных облицовок,
способ разогрева готовых кумулятивных облицовок в радиопрозрачной
форме токами высокой частоты с интенсивным охлаждением внутреннего
кристаллизатора и др.
Известно, что структура литой детали определяет физико-механические свойства материала и, в конечном счете, – эффективность перфорации
с помощью кумулятивных зарядов с литыми металлическими облицовками. Наличие значительного количества дефектов в виде пор, раковин, химической неоднородности приводит к тому, что предел прочности, ползучесть, пластичность, коррозионные и т. п. свойства ухудшаются.
70
Избежать такого рода дефектов можно за счет применения различных
способов литья намораживанием. Характерной чертой литья намораживанием является направленное затвердевание отливок от поверхности формы. При таком способе литья время кристаллизации значительно меньше
времени затвердевания всего металла. Считается, что в таких способах литья толщина корочки, затвердевшей к концу выдержки, намного меньше
поперечного размера сечения полости формы и, следовательно, корочка
росла в условиях обильного питания фронта кристаллизации и поэтому
в ней не должна образовываться усадочная пористость, а неметаллические
включения при соответствующей скорости кристаллизации должны оттесняться.
Для получения отливок необходимо соблюдение теплового режима
и режима взаимодействия отливки с формой. Например, исследования,
проведенные на алюминиевых сплавах, показали, что температура расплава при заливке и намораживании должна быть на 30–40 оС выше над ликвидусом [89], намороженной корочки – зависит от температуры расплава
и состава сплава.
При затвердевании отливки в форме в пристеночной зоне наблюдается область столбчатых кристаллов. В некоторых случаях эта область
может простираться до центра отливки, в зависимости от условий теплообмена. Увеличение температуры расплава увеличивает возможность образования столбчатых кристаллов. Чем больше скорость теплоотвода от
поверхности формы, тем больше склонность к транскристаллизации.
После намораживания меди в жидком состоянии структура медных
отливок имеет столбчатое строение. Для кислородсодержащей меди намораживание осуществляется при температуре 1 083 оС и ниже (интервал
кристаллизации 1 083–1 065 оС). Намораживание отливок осуществлялось
в остывающем расплаве на кристаллизатор, предварительно подогретый
до температуры 300 оС. По мере остывания расплава происходит переход
структуры от столбчатой к равноосной и измельчение равноосного зерна
с 7 до 1 микрона. На рис. 59 показана структура меди после намораживания в жидком состоянии (а) и после намораживания при температуре
71
кристаллизации (б) по мере остывания расплава. При этом размер равноосных зерен неодинаков по толщине отливки: у поверхности начала кристаллизации зерна мелкие и по мере нарастания отливки они укрупняются. В процессе намораживания происходит перераспределение примесей
и легирующих элементов в направлении роста толщины стенки отливки.
а)
б)
Рис. 59. Структура меди после намораживания в жидком состоянии (а)
и после намораживания при температуре кристаллизации (б)
по мере остывания расплава
Аналогичные зависимости сохраняются и для других металлов и сплавов: сплавов на основе алюминия Д16 и АЛ2, бронзы Бр. ОФ7-02, латуни
ЛК-75-05 и т. д.
Макроструктура отливок из меди исследовалась на образцах, взятых
из отливок, полученных намораживанием на конические кристаллизаторы, сделанные из стали Ст.3 и графита, при этом кристаллизаторы были
подогреты и не подогреты.
Макроструктура отливок, полученных намораживанием на кристаллизатор, имеющей форму конуса, сделанный из стали Ст.3, у которого
вершина была разогрета до температуры 600–700 оС, а основание конуса
имело температуру 100 оС, неоднородна. После намораживания при температуре 1 120 оС у основания конуса выросли крупные кристаллы. Их сечение по ширине достигает 5–10 мм. По мере увеличения температуры
72
(у вершины конуса) сечение столбчатых кристаллов уменьшается, хотя
они прорастают на всю толщину отливки (рис. 60).
Рис. 60. Макроструктура меди после намораживания на кристаллизатор
неравномерно подогретый: у вершины конуса до 600 оС,
у основания конуса 100 оС
На рис. 61 показана структура меди, полученной намораживанием на
графитовый кристаллизатор, подогретый до температуры 200 оС, при этом
сечение столбчатых зерен получается меньше, чем после намораживания
на стальной кристаллизатор.
Рис. 61. Макроструктура отливок из меди, полученных намораживанием
на кристаллизатор из графита
73
Изучение механических свойств (пластичность и прочность) литой
меди после намораживания рассмотрено в зависимости от ряда параметров: температуры расплава меди при намораживании, способа приготовления расплава, влияния теплофизических свойств материала кристаллизатора, скорости охлаждения, объема меди при намораживании.
В табл. 5 приведены результаты испытаний меди на прочность и пластичность образцов, вырезанных из отливок, которые были получены намораживанием при температурах от 1 120 до 1 083 оС, при этом расплав
меди предварительно разогревался до температуры 1 160–1 180 оС. Намораживание производилось на кристаллизаторы из стали Ст.3 и из графита.
Самая высокая пластичность меди достигнута после намораживания при
температуре 1 083 оС, а прочность – при температуре 1 110 оС.
Таблица 5
Температура Температура криВремя
Материал
в ,  , %
расплава, оС сталлизатора, оС намораживания, с кг/мм2
кристаллизатора
1 110
200–300
7
15,4 22,8
Графит
1 110
30–40
7
19,7 20,8
Графит
1 083
40–50
7
13,0 26,8
Графит
1 110
200–300
7
7,9
3,3
Ст.3
1 083
200–300
7
11,0 10,3
Ст.3
Для изготовления облицовок кумулятивных перфораторов может
быть использован технологический процесс (рис. 62), заключающийся
в получении отливок намораживанием на кристаллизатор из сплавов на
основе алюминия и меди, при котором кристаллизатор, подогретый до
температуры 0,15–0,8 Тпл сплава, погружают в расплав при температурах
между началом кристаллизации и началом объемного затвердевания сплава в тигле, выдерживают заданное время, затем кристаллизатор извлекают
с отливкой из расплава, снимают отливку с кристаллизатора и охлаждают
на воздухе или в воде, а для сплавов, не склонных к образованию трещин,
74
намораживание на кристаллизатор начинают в жидком состоянии при
температурах, не превышающих температуру плавления больше, чем на
40–50 оС, а также ниже ликвидуса, вплоть до начала объемного затвердевания сплава в тигле, затем извлекают кристаллизатор с отливкой из расплава
и охлаждают в воде [89].
Рис. 62. Схема получения медной заготовки путем намораживания
на кристаллизатор. Характеристика процесса: материал – медь Вайербасовская марки М1; температура расплава 1 083–1 100 оС; время намораживания 10–12 с; материал кристаллизатора Х18Н9Т; вес получаемой
заготовки 2,2–2,4 кг; охлаждение в воде; печь – индукционная
Таким образом, заготовки в виде полого конуса с небольшим припуском на мехобработку наращиваются из расплава на охлаждаемый кристаллизатор. В этом случае формирование структуры происходит следующим
образом: из зародышей кристаллов на поверхности кристаллизатора, число которых можно регулировать степенью переохлаждения, идет рост
в направлении теплосъема, т. е. по нормали поверхности кристаллизатора.
После удаления припуска с заготовки точением получаются облицовки
с радиально-направленной столбчатой структурой, которая обладает высокой симметрией свойств в любом сечении облицовки, нормальном к ее оси.
В результате экспериментальных исследований сравнивалась эффективность перфорации кумулятивных перфораторов с облицовкой,
75
полученной из меди марки М1, намораживанием на кристаллизатор из
сплава Х25Н18С2, подогретый до температуры 100 оС, и горячештампованные облицовки из прутка. Исследовались облицовки с углом раствора
30 градусов и толщиной стенки 2 мм. На рис. 63 показан общий вид заготовки и облицовки. Структура детали, полученной намораживанием,
имела столбчатое строение зерен, рост которых был перпендикулярен поверхности облицовки.
Рис. 63. Отливка, полученная намораживанием, и деталь,
выточенная из нее (облицовка кумулятивного перфоратора)
В результате экспериментальных исследований было установлено
[90], что эффективность перфорации кумулятивных перфораторов с облицовками из меди и алюминия превышает эффективность перфорации зарядов с точеными и горячештамповаными облицовками на 20–25 %
и обеспечивает стабильность перфорации в 2–3 раза выше.
Кроме того, наличие столбчатой структуры зерен, размер которых
в десятки и сотни раз превышает размер равноосного зерна горячепрессованной меди, и пластичности материала медной облицовки, полученной
намораживанием, менее пластичности материала медной облицовки, по76
лученной из горячепрессованного прутка, не влияет на эффективность
перфорации. Размер зерна в облицовке, полученной намораживанием, составлял 10 мм и более, а в облицовке, полученной точением, – 80 мкм.
С появлением новых типов защит бронетанковой техники «реактивной» или динамической брони стали исследоваться и разрабатываться кумулятивные боеприпасы, предназначенные для их преодоления. В 1976 г.
был предложен усовершенствованный кумулятивный снаряд, улучшающий боевую эффективность, в головной части которого был расположен
дополнительный кумулятивный заряд меньших размеров, срабатывающий
при ударе о броню [91]. Такой боеприпас, по замыслу авторов, должен
преодолевать динамическую броню.
В 1978 г. Karl-Wilhelm Bethmann запатентовал тандемный снаряд для
борьбы с объектами, защищенными многослойными экранами [92]. Снаряд представлял собой комбинацию подкалиберного и кумулятивного боеприпасов (рис. 64). Предполагалось, что сначала подкалиберный сердечник с каналом для прохождения кумулятивной струи будет пробивать
разнесенную преграду, а затем срабатывает кумулятивный заряд и пробивает основную броню.
Рис. 64. Иллюстрация к патенту Karl-Wilhelm Bethmann, 1978 г.
Комбинация кумулятивного заряда с подкалиберным боеприпасом
В 1980 г. в журнале (J. Appl. Phys. 51(12), 1980) была опубликована
работа сотрудников Lawrence Livermore Lab. M. van. Thiel и JoAnne
77
Levatin, где рассматривались кумулятивные заряды, позволяющие получить малоградиентные кумулятивные струи. В заряде использовалась
облицовка типа «полусфера – конус», ВВ типа «Окфол» и применялся
специальный отражатель для формирования аэродинамической юбки на
кумулятивной струе. В экспериментах угол раствора конической облицовки изменялся от 29 до 42 градусов. Стабильных в полете «безградиентых»
кумулятивных струй получить не удалось. Время жизни такого тела составляло всего 70–100 мкс. Типичная рентгенограмма такой кумулятивной
струи приведена на рис. 65.
Рис. 65. «Безградиентная» кумулятивная струя, 1980 г.
Позднее, в середине 80-х гг. стали разрабатываться кумулятивные заряды для получения квазибезградиентных кумулятивных струй. Ранее
единственной целью при конструировании кумулятивного заряда являлось достижение большого растяжения струи, обеспечивающего высокое
пробитие гомогенных металлических преград.
78
В 1977 г. были исследованы кумулятивные заряды с облицовками без
осевой симметрии, например, пирамидальной формы (рис. 66) [93].
Рис. 66. Пирамидальная кумулятивная облицовка
в кумулятивном заряде, 1977 г.
Продолжались исследования по созданию сдвоенных кумулятивных
зарядов с целью получения длинной кумулятивной струи (рис. 67) [94],
но реальные образцы боеприпасов не известны.
Рис. 67. Схема тандемного кумулятивного боеприпаса, 1978 г.
79
В 1980 г. были предложены многолайнерные кумулятивные заряды,
состоящие из вложенных друг в друга конических кумулятивных облицовок, при этом внешняя облицовка передает внутренней кумулятивной облицовке, служащей для формирования кумулятивной струи, энергию
взрывчатого вещества (рис. 68) [95]. Формирование кумулятивной струи
из внутренней кумулятивной облицовки происходит по классической схеме. Кумулятивный заряд предназначался для увеличения глубины перфорации мишени.
В конце 80-х – начале
90-х гг. стали разрабатываться кумулятивные заряды
с облицовками из композитных материалов: керамики
и порошковых материалов,
для получения кумулятивных
струй с большей скоростью и
разрушающимся пестом [96].
Соревнование
между
Рис. 68. Кумулятивный заряд с многолайтанковой броней и артилленерной кумулятивной облицовкой, 1980 г.
рией привело к тому, что
в последнее время стали получать распространение бронебойные снаряды,
стабилизируемые не вращением, а оперением. Во время Второй мировой
войны были наиболее распространены кумулятивные снаряды, стабилизируемые вращением. Однако вращающийся снаряд резко, в два и более
раза, снижает бронепробитие, что связано с механизмом образования кумулятивной струи из вращающейся воронки во время взрыва. Поэтому, с
целью усиления бронепробития в дальнейшем появились снаряды, стабилизируемые в полете аэродинамическими силами, – оперением. Они
сложнее вращающихся снарядов, но все же относительно дешевы. Исключение вращения позволяет полностью сохранить кумулятивный эффект.
Если такие снаряды выстреливаются из обычных нарезных стволов, веду80
щий поясок заменяется вращающимся пластмассовым пояском, который
не передает вращение на снаряд.
Оперенные кумулятивные снаряды имеют значительно меньший вес
и вследствие этого меньшую поперечную нагрузку, чем снаряды, стабилизируемые вращением, что ведет к очень большому снижению скорости
и увеличению времени полета и ухудшает вероятность попадания. Применение снарядов, стабилизируемых оперением, привело к некоторой потере
фугасно-осколочного эффекта.
Были многочисленные попытки увеличения кумулятивного эффекта
вращающихся снарядов. В НАТО устранение вращения кумулятивного
узла снаряда достигается заключением его вместе с тонкостенным снарядом в прочный стальной корпус, свободно вращающийся на двух роликовых подшипниках. При выстреле он получает необходимое для стабилизации вращение, в то время как более легкий внутренний корпус снаряда
с кумулятивным зарядом, баллистическим наконечником и взрывателем
вращается слабо (20–30 об/с). Это вращение нейтрализуется миниатюрной
турбиной, размещенной в носовой части снаряда и вращающейся под действием воздушного потока, так что пробивная способность снаряда не
уменьшается. Однако, такого рода усложнения могут создавать проблемы
в производстве, особенно при снабжении армии в особый период. Подобные снаряды были разработаны в испытательном центре Сан Луи в Эльзасе. Снаряд ОСС 105-61 для 105-мм французской пушки, установленной на
танке АМХ 30, имеет начальную скорость 1 000 м/с. Такой же снаряд
с несколько меньшим метательным зарядом и начальной скоростью 800 м/с
выстреливается из 105-мм пушки австрийского самоходного противотанкового орудия «Кирасир».
Недостаток таких снарядов – высокая стоимость производства. Кроме
того, они имеют разрывной заряд несколько меньшего веса и кумулятивную воронку меньшего диаметра.
В апреле 1976 г., впервые в мировой практике, под научным руководством профессора В.Ф. Минина был разработан принцип построения
и испытан с положительным результатом принципиально новый тип
81
тандемного кумулятивного снаряда, обеспечивающего сложение величин
пробития от каждого из зарядов [97, 98].
Основными путями повышения поражающего действия кумулятивных снарядов считают стабилизацию полета снарядов с помощью оперения, обеспечение независимого положения разрывного заряда с кумулятивной воронкой в полете от вращающегося корпуса снаряда, применение
сдвоенных, последовательно взрывающихся кумулятивных зарядов, когда
один заряд взрывается за другим, в результате чего увеличивается глубина
пробития брони и использование линз из
нейтральных материалов. Для получения
оптимального расстояния подрыва боеприпаса предполагается ввести неконтактные взрыватели с соответствующими
датчиками цели. Однако создание такого
рода снарядов встречает значительные
принципиальные и технические трудности, тем не менее, такого рода тандемный
кумулятивный снаряд калибра 125 мм
(рис. 69) [98] впервые был создан в России и прошел все необходимые армейские испытания. На рис. 70 приведен
Рис. 69. Опытный тандемный пример кратера в стали, пробитого опыткумулятивный снаряд
ным кумулятивным снарядом [98].
Рис. 70. Результат перфорации преграды опытным
тандемным кумулятивным снарядом
82
В настоящее время все известные тандемные кумулятивные заряды
используются исключительно как два независимых заряда, последовательно (с той или иной задержкой по времени) воздействующих на мишень. Исторически они были созданы как ответ на появление так называемой динамической защиты. В то же время первый тандемный кумулятивный снаряд был создан для увеличения суммарного бронепробития. На
сегодня единственным в мире тандемным кумулятивным боеприпасом,
позволяющим увеличить пробитие, является противотанковый снаряд, по
западной классификации 3ВК37. До сих пор в таких известных западных
справочниках, как Janes Ammunitions Handbook, Ninth Ed. 2000-2001
и 1995-96 issue of Janes Armour and Artillery Upgrades, приводятся противоречивые данные по принципу действия этого снаряда. Последовательность его работы следующая: срабатывает первый «носовой» заряд, инициирующий динамическую защиту, затем центральный и донный заряды.
Однако в предыдущих выпусках этих справочников была указана другая
последовательность работы снаряда: носовой заряд для инициирования
динамической защиты, донный и центральный заряды.
Опытный тандемный кумулятивный снаряд предназначен для поражения бронетанковой техники, оснащенной встроенными и навесными
блоками динамической защиты [98]. Снаряд совместим с гладкоствольными танковыми пушками калибра 125 мм (2А46М, 2А46М-1), системами
прицеливания и автоматами заряжания.
Основная особенность снаряда – тандемное расположение двух основных кумулятивных зарядов, что увеличивает бронепробитие при последовательном действии кумулятивных струй [98]. Основные тактикотехнические характеристики опытного кумулятивного снаряда приведены
в энциклопедии «Оружие и технологии России. ХХI век», изданной под
редакцией министра обороны РФ Сергея Иванова [98].
Полученные под руководством В.Ф. Минина результаты во многом
остаются рекордными и до настоящего времени и, несмотря на все усилия
различных коллективов стран мира, повторить и превысить достигнутый
тогда уровень разработок по большому счету так и не удалось до сих пор.
83
В 1980 г. начато серийное производство ПТАБ-1М. Кассетный кумулятивный противотанковый элемент ПТАБ-1М был разработан под непосредственным руководством В.Ф. Минина в Институте прикладной физики
(г. Новосибирск) [97]. Учитывая его высокую эффективность, ПТАБ-1М
был принят на вооружение в нескольких вариантах: в составе авиационной бомбы РБК-500, контейнера КМГУ и в составе боевой части (БЧ) неуправляемой ракеты большого калибра [97, 99-101]. Характерная особенность этой бомбы состоит в том, что достаточно высокий уровень бронепробития достигнут на коротких фокусных расстояниях. ПТАБ-1М эффективна для поражения танков со стороны верхней полусферы. При калибре 42 мм эффективность боеприпаса составляет не менее 200 мм.
Российская неуправляемая ракета системы С-8 с тандемной боевой
частью С-8Т, предназначенная для поражения боевой техники, оснащенной блоками динамической защиты (рис. 71), не имеет аналогов в мире
среди оружия аналогичного класса, является усовершенствованным вариантом ракеты С-8КОМ (рис. 71) и
была разработана под руководством
В.Ф. Минина, как и все ракеты этой
системы [99–101].
В 1984 г. были начаты ОКР неуправляемой ракеты С8-Т, первой
неуправляемой ракеты семейства
С-8 с тандемной кумулятивной боевой частью, способной преодолевать динамическую защиту [100].
Рис. 71. Неуправляемые авиационОсобенность конструкции боевой
ные ракеты семейства С-8
части С8-Т состоит в том, что кумулятивный заряд, расположенный в носовой части, имеет калибр, равный
калибру ракеты, что позволяет выводить из строя элементы динамической
защиты, закрытые броневым листом от пуль и осколков. При калибре ракеты 80 мм эффективность бронепробития не менее 400 мм.
84
В 1988–1992 гг. были предложены и изучены кумулятивные заряды
с медной облицовкой повышенной эффективности [102]. Теоретически
и экспериментально было показано, что при предварительном нагреве
(к моменту детонации) медной кумулятивной облицовки заряда до температур 250–300 оС глубина перфорации стальной преграды увеличивается
на 25–30 %.
Физической основой роста глубины перфорации при более высоком
уровне остаточной температуры кумулятивной струи на стадии удлинения
является увеличение предельного удлинения кумулятивной струи за счет
роста пластичности и снижения прочности, обеспечивающих повышение
устойчивости кумулятивной струи.
В конце 80-х гг. [103] авторами с коллегами был предложен принципиально новый способ формирования кумулятивных струй, получивший
далее название принципа принудительного струеобразования [104].
Реализация этого принципа позволяет регулировать градиент скорости вдоль кумулятивной струи, увеличить ее массу, скорость и импульс.
Кроме того, возможно создание беспестовых кумулятивных зарядов и целого ряда нового семейства кумулятивных зарядов с недостижимыми ранее свойствами и параметрами, в том числе и с биметаллическими облицовками (рис. 72) [105].
Природа принудительного
струеобразования заключается в
следующем (А.С. (СССР) №
1508939, В.Ф. Минин и др. Устройство для формирования
плазменного факела, 1987). При
воздействии импульса давления
на внешнюю поверхность конуса его стенки начинают двиРис. 72. Кумулятивные облицовки
гаться по нормали к поверхнодля зарядов, реализующих принцип
сти. В вершине конуса распопринудительного струеобразования
85
ложена специальная профилированная пластина, выполняющая роль
поршня и поджимающая схлопывающийся к оси симметрии материал боковых стенок (рис. 73). При наличии такого поршня центр разворота потока в начальный момент времени смещен от оси симметрии и большая
часть материала облицовки разворачивается к оси симметрии.
При этом еще до схлопывания
на оси материал облицовки конуса приобретает значительную
осевую составляющую компоненту скорости в направлении
движения струи. Существенно,
что схлопывание материала конуса на оси симметрии происходит под углами, не достижимыми в обычных кумулятивных зарядах (более 180 градусов), чем
а)
б)
достигается существенное увеРис. 73. Рентгенограммы кумулятивличение массы и импульса форных струй, сформированных из
мируемой кумулятивной струи.
«классической» конической алюмиПри этом возможно увеличить
ниевой облицовки (а) и аналогичной
максимальную скорость кумупо принципу принудительного
лятивной струи в 1,3 раза, а ее
струеобразования (б)
импульс – до 100 раз.
Другими словами, предложенный механизм принудительного струеобразования описывается задачей соударения струй без точки полного
торможения с образованием внутренней зоны постоянного давления – застойной зоны. Такая задача не имеет единственного решения, поскольку
свободным параметром в ней является давление внутри этой зоны или,
что эквивалентно, геометрические размеры этой зоны. Процесс формирования кумулятивной струи имеет нестационарный характер.
86
29 апреля 1974 г. В.Ф. Минин предложил идею кумулятивного заряда
с W-образной кумулятивной облицовкой (рис. 74а). В 1996 г. [106] такой
кумулятивный заряд был запатентован другими авторами. Кумулятивный
заряд представлен на рис. 74б и содержит корпус 2, заряд ВВ 3, кольцевую кумулятивную облицовку 1 V-образной формы и кольцевое инициирующее устройство 4.
Рис. 74а. Идея W образной кумулятивной облицовки, предложенной
В.Ф. Мининым, 1974 г.
Рис. 74б. Схема кумулятивного заряда
с кольцевой кумулятивной облицовкой
87
Принцип поэтапного действия предлагаемого устройства проиллюстрирован схемой (см. рис. 74б). Так, на первом этапе в результате срабатывания кольцевого инициирующего устройства 4 происходит формирование кольцевой кумулятивной струи 2 кумулятивной оболочки 3, сходящейся в некоторой точке F, расположение которой зависит от геометрических особенностей взрывного устройства.
На втором этапе (рис. 75) функционирования кумулятивной струи в
точке F формируют основную кумулятивную струю. При этом удается
существенно увеличить протяженность кумулятивной струи по сравнению
с протяженностью образующей конуса и ее скорость. Такой кумулятивный заряд обладает повышенной эффективностью, но требует прецизионного изготовления [3].
Рис. 75. Принципиальная схема функционирования кумулятивного заряда
с кольцевой кумулятивной облицовкой
При взрыве цилиндрического заряда мощного ВВ, на торце которого
расположена W-образная облицовка, в зависимости от соотношения гео88
метрических размеров облицовки, могут образовываться как обычные или
кольцевые, кумулятивные струи, так и компактные ударные элементы
[105]. W-образные облицовки можно разделить на два типа: 1) с образованием ударного элемента (УЭ) из периферийной, внешней части облицовки; 2) с образованием УЭ (часто трубчатого) из внутреннего конуса. При
этом другой конус является управляющим в процессе формирования УЭ.
После образования центрального элемента управляющий конус отстает от
УЭ и разрушается на осколки.
Скорость УЭ – 3-4 км/с, масса – не менее 50 % от начальной массы
облицовки, расстояние, пролетаемое УЭ без разрушения, – до 150 диаметров заряда. По скорости и относительной массе рассматриваемые УЭ занимают промежуточное место между безградиентными струями и «ударными ядрами».
На рис. 76, a представлена общая схема заряда с такой облицовкой.
Его модификацией является заряд с эпсилон-облицовкой, изображенный
на рис. 76, б.
а)
б)
Рис. 76. Кумулятивные заряды: 1 – заряд взрывчатого вещества;
2 – облицовка кумулятивной выемки; 3 – детонатор
Опыты с W-образными облицовками показали возможность получения массивных струй без образования песта (рис. 77), кольцевых струй
89
(рис. 78) и компактных ударных элементов со скоростью 1,5–5,0 км/с
(рис. 79), эффективно действующих на больших фокусных расстояниях.
Рис. 77. Массивная медная кумулятивная струя
Рис. 78. Кольцевая кумулятивная струя
Рис. 79. Формирование компактного элемента из W-образной облицовки;
М – специальная метка (металлическое кольцо)
90
Подобные заряды имеют большее количество свободных параметров
для их оптимизации и их предельные характеристики еще не изучены.
В 2003 г. было сообщено об исследованиях, проводимых в 2002 г.,
больших кумулятивных зарядов с конической облицовкой с углами раствора от 60 до 100 градусов калибром 711 мм и длиной 724 мм [107].
В качестве материала кумулятивной облицовки исследовались алюминий
(6061-Т6), медь и вольфрам. Кумулятивный заряд исследовался с целью
получения в преграде отверстий больших диаметра и глубины. Планировалось использовать подобные заряды в боевых частях крылатых ракет. В
результате исследований были
получены отверстия в преграде
диаметром 305–380 мм и глубиной более 4,5 м. На рис. 80
приведена схема кумулятивного заряда с конической облицовкой из меди; на рис. 81а –
внешний вид облицовки.
Рис. 80. Схема кумулятивного заряда с
конической облицовкой калибра 711 мм
Рис. 81а. Внешний вид кумулятивной медной облицовки
91
На рис. 81б приведен внешний вид кумулятивного заряда большого
диаметра.
Рис. 81б. Внешний вид кумулятивного заряда калибра 711 мм
В России в 2007 г. был запатентован кумулятивный заряд с рельефными неосесимметричными коническими облицовками [108, 109] для кумулятивных перфораторов, например, PGR 89-MVH-01 (рис. 82, 83). Кумулятивный заряд основан на новом виде кумуляции – кумуляции при
больших упругих деформациях неоднородной оболочки, вследствие развития специально задаваемых начальных возмущений. При этом возможно создание кумулятивных зарядов, не образующих пест. Фактически,
в кумулятивном заряде перфоратора используется тонкая кумулятивная
облицовка с ребрами жесткости, не образующая песта. Для этого толщина
кумулятивной облицовки составляет 1,20–1,65 % от диаметра ее основания. Облицовка изготавливается из особо чистой первичной листовой
меди на штамповочном оборудовании. Кумулятивный заряд с рельефной
облицовкой позволяет формировать в преграде оптимальную (цилиндрическую) форму кратера. Такие заряды обеспечивают увеличение объема
канала в 2–2,5 раза при той же массе ВВ, за счет увеличения диаметра
кратера. Например, при пробитии стальной мишени были получены диаметр входного отверстия 45 мм при глубине канала 45 мм.
92
Рис. 82. Рельефная облицовка кумулятивного заряда
Рассмотрение известных кумулятивных зарядов позволяет
сделать вывод, что все они основаны на методе формирования
кумулятивных струй, заключающемся в инициировании бескорпусного или расположенного
в корпусе заряда взрывчатого Рис. 83. Размещение ЗПК 89-MVH-01
вещества цилиндрической, конив корпусе перфоратора
ческой или иной формы, с расположенном в торце заряда с противоположной стороны инициирования
заряда выемкой, облицованной металлом с однородной изотропной мелкозернистой структурой или иным инертным материалом, дальнейшем
метании, ускорении, сжатии и последовательном развороте сторон кумулятивной облицовки продуктами детонации с углом схождения на ось
симметрии заряда менее 180 градусов и последующем соударении частей
материала кумулятивной облицовки на оси симметрии заряда под углом
схождения материала облицовки меньшим 180 градусов с формированием
кумулятивной струи из материала внутренней поверхности облицовки
и песта – из внешней поверхности облицовки, направленной вдоль оси
симметрии кумулятивной выемки.
93
К недостаткам данного способа формирования кумулятивных струй
относится то, что масса формируемой кумулятивной струи не превышает
10–20 % массы кумулятивной облицовки. Кроме того, ограничена максимальная скорость кумулятивной струи, что ведет к уменьшению диаметра
перфорируемого отверстия, а ограниченная длина формируемой кумулятивной струи уменьшает глубину перфорируемого отверстия.
Из гидродинамического приближения принципа работы кумулятивного заряда следует, что скорость формируемой кумулятивной струи возрастает с уменьшением угла раскрытия кумулятивной облицовки и с одновременным увеличением размеров и массы песта. Низкоскоростные
фрагменты кумулятивной струи закупоривают перфорируемое отверстие,
что приводит к резкому ухудшению эффективности перфорации.
В конце 90-х гг. ХХ в., академиком В.Ф. Мининым (Россия) был
предложен и исследован новый метод формирования кумулятивных струй
с большой массой в кумулятивных зарядах, который позднее был запатентован [90]. Новый принцип формирования кумулятивных струй в дальнейшем получил название гиперкумулятивного.
В отличие от известного метода формирования кумулятивной струи
из кумулятивной облицовки, в новом методе, в процессе метания и сжатия
кумулятивной облицовки, дополнительно воздействуют на кумулятивную
облицовку за счет принудительного взаимодействия кумулятивной облицовки с одним или несколькими дополнительными телами. Далее – их
соударения и скольжения частей материала кумулятивной облицовки относительно дополнительного тела с одновременным разворотом частей
материала кумулятивной облицовки на угол схождения на ось симметрии
заряда более 180 градусов и не превышающей 360 градусов. При дальнейшем соударении частей материала кумулятивной облицовки на оси
симметрии заряда под углом более 180 градусов и не превышающем
360 градусов происходит формирование высокоскоростной массивной
кумулятивной струи.
94
В результате разворота метаемых частей кумулятивной облицовки, за
счет принудительного взаимодействия с дополнительным телом и скольжения материала кумулятивной облицовки по дополнительному телу увеличивается угол схождения сжимающегося материала кумулятивной облицовки на ось симметрии заряда более 180 градусов. Таким образом,
реализуется эффект образования кумулятивной струи большой массы
и высокой скорости ее головной части, при меньшей массе песта или его
полном отсутствии.
Разворот метаемых частей кумулятивной облицовки на больший угол
обеспечивает более продолжительное время нагружения материала кумулятивной облицовки динамической нагрузкой и поддерживает более высокий уровень внутренней энергии материала.
Кроме того, еще до схождения частей материала кумулятивной облицовки на ось симметрии заряда он может приобрести значительную осевую
составляющую скорости, направленную по движению формируемой кумулятивной струи, причем разворот метаемых частей кумулятивной облицовки на угол более 180 градусов происходит вне оси симметрии заряда.
В результате этого повышается максимальная скорость кумулятивной струи
без ее разрушения и, как следствие, – ее перфорационная эффективность.
Возможность скольжения частей материала кумулятивной облицовки
по поверхности дополнительного тела с дальнейшим формированием кумулятивной струи подтверждена многочисленными проведенными физическими и вычислительными экспериментами.
При угле схождения частей материала кумулятивной облицовки на
ось симметрии заряда, равном 180 градусам, масса песта практически равна массе кумулятивной струи. При угле схождения частей материала кумулятивной облицовки на ось симметрии заряда менее 180 градусов, масса песта может превышать массу кумулятивной струи в 4–5 раз. Производя соударение частей материала кумулятивной облицовки на оси симметрии заряда под углом более 180 градусов, обеспечивается режим, при
котором формируется высокоскоростная кумулятивная струя с массой
и диаметром больше, чем масса и диаметр песта.
95
В проведенных теоретических и экспериментальных исследованиях
было установлено, что при этом масса кумулятивной струи может составлять 80–100 % массы кумулятивной облицовки, при сохранении или превышении максимальной скорости кумулятивной струи, характерной для
«классических» кумулятивных зарядов.
При угле схождения частей материала кумулятивной облицовки на
ось симметрии заряда, равном и более 360 градусам, не происходит соударение материала кумулятивной облицовки на оси симметрии заряда с последующим формированием кумулятивной струи.
Дополнительное тело, например, может быть изготовлено из инертного материала с плотностью не менее плотности материала кумулятивной
облицовки и размещено симметрично относительно оси симметрии кумулятивного заряда на вершине кумулятивной облицовки с усеченной формой поверхности со стороны ее меньшего или равного основания, расположенного со стороны инициирования заряда. Дополнительное тело ускоряют продуктами детонации взрывчатого вещества, которое воздействует
на материал кумулятивной облицовки в процессе ее сжатия и метания с увеличением ее осевой составляющей скорости метания в направлении движения формируемой кумулятивной струи.
На рис. 84а изображена схема развития последовательного процесса
формирования высокоскоростной кумулятивной струи с большим диаметром. Дополнительное тело выполняется в форме пластины. При этом пластина дополнительного тела может выполняться с прогибом по высоте
в центральной части, быть выпуклой или вогнутой в сторону заряда. При
взаимодействии дополнительного тела с продуктами детонации заряда
взрывчатого вещества, дополнительное тело ускоряется в падающей детонационной волне и приобретает осевую скорость в направлении формирования кумулятивной струи ранее, чем материал кумулятивной облицовки
начнет приобретать осевую и радиальную составляющие скорости. В процессе взаимодействия дополнительного тела с кумулятивной облицовкой,
материалу кумулятивной облицовки принудительно придается дополни96
тельная осевая составляющая скорости метания в направлении формирования кумулятивной струи. Сжимающийся материал кумулятивной облицовки скользит по поверхности дополнительного тела и принудительно
взаимодействует с дополнительным телом. В результате этого взаимодействия достигается увеличение угла разворота и схождения материала
кумулятивной облицовки на ось симметрии заряда более 180 градусов
с увеличением ее осевой составляющей скорости метания в направлении
движения формируемой кумулятивной струи. Далее происходит соударение частей материала кумулятивной облицовки на оси симметрии заряда
под углом более 180 градусов с формированием высокоскоростной, массивной кумулятивной струи.
Рис. 84а. Схема процесса последовательного формирования высокоскоростной кумулятивной струи с дополнительным телом в виде пластины
При плотности материала дополнительного тела менее плотности материала кумулятивной облицовки происходит разрушение материала дополнительного тела материалом кумулятивной облицовки в процессе струеобразования, нарушается условие скольжения материала кумулятивной
облицовки по поверхности дополнительного тела, что приводит к разрушению формируемой кумулятивной струи.
97
Дополнительное тело в форме пластины может выполняться из двух
или более чередующихся частей: одна часть – из материала с плотностью
не менее плотности материала кумулятивной облицовки, которая размещается на вершине кумулятивной облицовки; другая часть – из материала
с плотностью, меньшей плотности материала первой части дополнительного тела, которую сопрягают с внешним диаметром первого дополнительного тела. При этом части дополнительного тела выполняют разделенными на разгонный промежуток по оси симметрии заряда.
При использовании многослойных сред возможно достижение максимальной осевой скорости метания дополнительного тела за счет более
эффективного преобразования импульса продуктов детонации заряда ВВ
и передачи его кумулятивной облицовке. Максимальная скорость метания
первой части дополнительного тела ограничивается условием формирования кумулятивной струи из материала дополнительного тела. В этом случае происходит разрушение дополнительного тела и формируемой кумулятивной струи из материала кумулятивной облицовки. В результате взаимодействия дополнительного тела и кумулятивной облицовки, скольжения материала кумулятивной облицовки в процессе его взрывного сжатия
по поверхности дополнительного тела достигается еще больший угол схождения частей материала кумулятивной облицовки на ось симметрии заряда
и более высокая скорость метания материала кумулятивной облицовки.
Для увеличения эффективности передачи импульса давления от продуктов детонации ВВ к кумулятивной облицовке могут использоваться
различные известные методы и устройства. Например, метод увеличения
передаваемого импульса при взрывных процессах с использованием слоистых структур с различной формой поверхности из чередующихся тел из
«легкого» и «тяжелого» материалов, толщина которых уменьшается в направлении движения ударной волны [90]. Также может использоваться метод многоступенчатого разгона пластин и оболочек до больших скоростей
[90]. Этим методом возможно ускорить пластину или оболочку до скоростей, близких к скорости детонации и выше. Или же может использоваться
метод увеличения передаваемого импульса ударных волн в слоистой системе с уменьшающейся (увеличивающейся) акустической жесткостью [90].
98
Использование нескольких дополнительных тел в форме слоистой
системы позволяет более эффективно преобразовать максимальный импульс продуктов детонации и передать его сжимающейся кумулятивной
облицовке, увеличивая угол схождения материала кумулятивной облицовки более 180 градусов и скорость метания кумулятивной облицовки на
ось симметрии заряда с дальнейшим формированием массивной высокоскоростной кумулятивной струи.
На рис. 84б приведена постановка задачи формирования кумулятивной струи в режиме гиперкумуляции в кумулятивном заряде с усеченной
конической кумулятивной облицовкой. Кумулятивный заряд имел диаметр 44 мм по корпусу. Корпус заряда железный толщиной 2 мм и длиной
46 мм. Использовался заряд ВВ цилиндрической формы, в качестве ВВ
применялся флегматизированный гексоген с плотностью 1,66 г/см3. Алюминиевая равнотолщинная коническая облицовка с усеченной формой поверхности имела угол раствора 50 градусов, толщину облицовки 0,5 мм
(1,25 % диаметра основания облицовки), диаметр малого основания 16 мм,
диаметр большого основания 40 мм. Дно облицовки выполнено из железа
диаметром 16 мм и с толщиной стенки, равной 1 мм. В качестве детонатора использовался алюминиевый диск, ударяющий по ВВ со скоростью
3 км/с и создающий детонационную волну с плоским волновым фронтом.
На рис. 84в показаны поля течений материалов в момент времени,
равный 3 микросекундам, после начала детонации и распределения осевой
(Vz) и радиальной (Vr) скоростей. Детонационная волна сжимает облицовку, ее малое основание сжимается и скользит по дну (будем называть его
толкателем), угол схождения материала кумулятивной облицовки на ось
симметрии заряда увеличивается, приближаясь к 180 градусам. Форма
дна изменяется, дно становится выпуклым по направлению к основанию
заряда, еще более увеличивая угол схождения материала облицовки на
ось симметрии заряда. Радиальная скорость сжатия конца облицовки,
указанная координатами, составляет 1,434 км/с, а осевая скорость метания
3,259 км/с.
99
1
2
3
4
5
6
Рис. 84б. Постановка задачи:
1 – детонатор; 2 – продукты детонации ВВ; 3 – заряд ВВ; 4 – толкатель-дно;
5 – кумулятивная облицовка; 6 – корпус. Показаны изоуровни давления
1
2
Рис. 84в. Форма течения материалов кумулятивной облицовки и толкателя
и распределения осевой (Vz) и радиальной (Vr) скоростей на момент
времени 3 мкс после инициирования заряда:
1 – распределение осевой скорости; 2 – распределение радиальной скорости.
Показаны изолинии давления
100
Через 4,6 микросекунды после инициирования заряда произошло
схлопывание материала облицовки на ось симметрии заряда и началось
формирование кумулятивной струи (рис. 84г). Максимальная скорость формируемой алюминиевой кумулятивной струи равна 14,65 км/с. Толкательдно продолжает двигаться в направлении движения кумулятивной струи
со скоростью, равной 2,982 км/с, сжимая пест, двигающийся со скоростью
1,144 км/с. Максимальная радиальная скорость сжатия кумулятивной облицовки равна 2,831 км/с. Максимальное давление на оси симметрии заряда в области разворота струй составляет 57,8 ГПа. Второй максимум
давления находится в области взаимодействия толкателя-дна с пестом.
1
2
Рис. 84г. Форма течения материалов кумулятивной облицовки и толкателя
и распределения осевой скорости (Vz) и давления (Р) на момент времени
4,2 мкс после инициирования заряда:
1 – распределение осевой скорости; 2 – распределение давления.
Показаны изолинии осевой скорости
Форма течения материала кумулятивной облицовки и распределение осевой скорости метания на момент времени 7,6 мкс после инициирования заряда приведена на рис. 84д. К этому времени сформировалась
101
высокоскоростная кумулятивная струя с диаметром более диаметра песта.
Максимальная скорость кумулятивной струи в ее головной части немного
уменьшилась и стала равной 13,5 км/с. Образовался градиент скорости
в струе 13,5–8 км/с, растягивающий ее.
Рис. 84д. Форма течения материалов кумулятивной облицовки и толкателя
и распределение осевой скорости (Vz) на момент времени 7,6 мкс после
инициирования заряда. Показаны изолинии осевой скорости
Максимальная радиальная скорость, сжимающая материал облицовки, к этому моменту находится на радиусе 1,5 мм от оси симметрии и равна 2,693 км/с, а осевая скорость метания в этой точке равна 3,8 км/с.
Максимальная скорость песта составляет около 4 км/с. Минимальная
скорость песта уменьшилась и стала около 400 м/с. Материал песта пробил толкатель-дно и разрушил его. Плотность песта немного больше плотности кумулятивной струи, они равняются соответственно 2,85 и 2,7 г/см3.
В этом кумулятивном процессе участвует еще один элемент, ранее не
участвующий в кумуляции, – толкатель-дно. Он играет важную роль в ре102
зультатах кумулятивного взрыва – формировании кумулятивной струи –
и может быть особенно важным инструментом в процессе конструирования изделия, тем более, если оно предназначено для перфорации скважин.
Формирование кумулятивных струй в режиме гиперкумуляции может
создавать достаточно толстые высокоскоростные стержни-струи и пест
повышенной скорости такого же диаметра или меньшего, как кумулятивная струя. Таким образом, вся масса изделия может участвовать в процессе пробивания нефтяного камня, совмещая преимущества как пулевой
перфорации, так и кумулятивной. Причем установившаяся скорость такого стержня может быть 4–6 км/с и, конечно, обладает повышенной эффективностью. Скорость песта вносит существенный вклад в уменьшение
установившейся скорости струи-стержня.
Другим возможным вариантом выполнения дополнительного тела является дополнительное сплошное или полое тело из материала с плотностью не менее плотности материала кумулятивной облицовки с усеченной
формой поверхности, выполненное с внешней осесимметричной конической или иной формой поверхности, с уменьшением его диаметра в направлении от вершины к основанию кумулятивной облицовки [90]. Дополнительное тело размещают внутри кумулятивной облицовки по ее оси
симметрии, сопрягая его с вершиной кумулятивной облицовки основанием с большим диаметром дополнительного тела. Дополнительное тело
взаимодействует с метаемой кумулятивной облицовкой и в процессе ее
скольжения по его внешней поверхности преобразует радиальную составляющую скорости сжатия кумулятивной облицовки в ее осевую составляющую скорости метания в направлении движения формируемой кумулятивной струи (рис. 85а).
При использовании цилиндрических облицовок, например, алюминиевых возможно формирование кумулятивных струй со скоростью, превышающей газодинамический предел (более 20 км/с), и плотностью, мало
отличающейся от плотности материала облицовки.
103
Рис. 85а. Схема последовательного процесса формирования
высокоскоростной кумулятивной струи с дополнительным телом,
помещенным во внутреннюю полость кумулятивной облицовки
При использовании высоких кумулятивных облицовок, в предельном
случае с цилиндрической формой поверхности и метании их продуктами
детонации заряда ВВ, они приобретают максимальную радиальную скорость сжатия и практически нулевую осевую составляющую скорости
метания материала кумулятивной облицовки. Для схождения частей материала кумулятивной облицовки под углами более 180 градусов необходимо часть ее радиальной скорости преобразовать в осевую скорость. При
принудительном взаимодействии метаемого материала кумулятивной облицовки с поверхностью дополнительного тела и скольжения по нему
достигается преобразование радиальной скорости сжатия материала кумулятивной облицовки в осевую скорость метания с ее увеличением в направлении движения формируемой кумулятивной струи. При этом угол
схождения материала кумулятивной облицовки на ось симметрии заряда
постоянен и задается углом раствора дополнительного тела.
При плотности материала дополнительного тела менее плотности материала кумулятивной облицовки в процессе взаимодействия материала
кумулятивной облицовки и дополнительного тела происходит разрушение
поверхности дополнительного тела метаемым материалом кумулятивной
облицовки и нарушается условие скольжения материала кумулятивной
104
облицовки по поверхности дополнительного тела. В результате процесс
формирования кумулятивной струи становится не устойчивым и эффективность перфорации снижается.
Работу такого дополнительного тела-формирователя можно проиллюстрировать на примере результатов решения следующей задачи (рис. 85б).
профилированный формирователь из тантала
Рис. 85б. Постановка задачи. Показаны изолинии осевой скорости
Постановка задачи понятна из рисунка. Диаметр заряда равен 56 мм.
В заряде используется медная коническая кумулятивная облицовка с углом раствора – 92,2 градуса и толщиной 1,1 мм. Диаметр основания облицовки – 48 мм, диаметр усеченной части вершины – 16 мм. В качестве ВВ
использовался состав ТГ 50/50 с плотностью 1,71 г/см 3. Длина заряда –
84 мм. В качестве материала конического формирователя выбран тантал
с толщиной по оси симметрии заряда, равной 8,3 мм. Максимальный диаметр формирователя 16,6 мм. Детонационный сферический фронт в заряде
ВВ создавался ударом диска парафина диаметром 20 мм и толщиной 5 мм,
движущимся со скоростью 10 км/с.
Через 9,2 мкс после инициирования заряда осевая скорость формирователя достигает величины около 400 м/с. Материал кумулятивной облицовки
скользит по поверхности формирователя со скоростью 2,5 км/с (рис. 85в).
105
Рис. 85в. Форма поля течения материалов кумулятивной облицовки и формирователя на момент времени 9,2 мкс. Показаны изолинии осевой скорости
На рис. 85г показана форма поля течения материала кумулятивной облицовки на момент времени 11,2 мкс. Материал кумулятивной облицовки
оторвался от поверхности формирователя с увеличением угла схождения
материала облицовки на ось симметрии заряда. Далее произошло его схлопывание на оси симметрии заряда с формированием кумулятивной струи.
Рис. 85г. Форма поля течения материалов кумулятивной облицовки
и формирователя на момент времени 11,2 мкс. Показаны изолинии
осевой скорости
106
На рис. 85д показано поле течения материала кумулятивной облицовки на момент времени 17,6 мкс после инициирования заряда. Сформировалась кумулятивная струя с максимальной скоростью более 6 км/с и пест,
движущийся с максимальной отрицательной скоростью более 0,5 км/с
в конечной его части. Причем основное тело песта имеет положительную
скорость более 1 км/с. Формирователь деформировался, принял вогнутую
форму поверхности и отстал от сформированных струй.
Рис. 85д. Поле течения материалов кумулятивной облицовки и формирователя и распределение осевой скорости (Vz) на момент времени 17,6 мкс
после инициирования заряда. Показаны изолинии осевой скорости
Вопрос о реальной возможности течения материала в такого рода зарядах имеет существенное значение. Ведь мы поместили в центр кумулятивного заряда металлическое тело, которое подвергается действию весьма высоких давлений.
В связи с этим был произведен физический эксперимент по пробиванию мишени из стали такого рода зарядом и по сохранению такого формирователя. На рис. 85е показан внешний вид кумулятивного заряда
107
с алюминиевой облицовкой и стальным формирователем. Диаметр заряда –
30 мм, максимальный диаметр формирователя с конической поверхностью
8 мм. В качестве ВВ использовался флегматизированный гексоген
с плотностью 1,6 г/см3.
Как видно на приведенной
фотографии, дополнительное телоформирователь имеет следы поверхностной коррозии, но в целом
сохранилось. Заряд пробил сталь
около двух диаметров заряда. Необходимо отметить, что этот эксперимент не является подтверждением проведенного оптимизиРис. 85е. Внешний вид кумулятиврованного вычислительного эксного заряда с алюминиевой облиперимента. В то же время, не слецовкой и стальным коническим
дует забывать, что мы проводим
формирователем
эксперименты в среде сжимаемой
идеальной жидкости. Тем не менее, мы всегда ограничиваемся только начальными стадиями кумулятивного процесса, когда работа в этой среде не
сильно влияет на основные результаты, в которых еще можно пренебречь
прочностными свойствами материалов.
В этой связи такие тяжелые формирователи для разрушения их после
взрыва следует делать комбинированными из нескольких материалов.
Слой, подвергающийся эрозии, может быть изготовлен из тонких тяжелых
и прочных материалов, таких как вольфрам, карбиды вольфрама и другие
вещества, обладающие высокой твердостью. Тело формирователя может
быть так же сформировано из полуактивных материалов, например, из
смеси керамики или металлов с взрывчатыми веществами, такими как
смесь целлулоида с железом или нитроклетчатки с металлом либо другими веществами.
108
Применение тяжелых и прочных металлов засоряет скважинное пространство. Поэтому может уменьшиться пробитое отверстие в стенке обсадной трубы и гидродинамическая связь с пластом. Чтобы не засорять
кусками металла пространство скважины, предлагается использование металлоорганических композиций, разрушающихся в процессе взрыва после
их сжатия, как в процессе детонации или в процессе обжатия продуктами
взрыва. С этой целью можно использовать порошки металлов (сплавов,
смесей порошков металлов, порошков керамических материалов, тяжелых
металлов, таких как вольфрам, тантал и др.). Для изготовления формирователя можно использовать известные способы, например, метод прессования с последующим запеканием материала для получения его заданной
плотности с дальнейшей пропиткой материала раствором для заполнения
пор металла различным веществом, например, раствором в ацетоне безопасной динитроклетчаткой (целлулоид, из которого делают игрушки для
детей) или тринитроклетчаткой взрывчатым веществом, если нужно обеспечить более высокую эффективность разрушения конструкции при ее
взрывном сжатии.
При прохождении ударной волны в такой композитной среде нарушается термодинамическое равновесие, так как скорости движения частиц
металла и целлулоида, возникающие при прохождении ударной волны,
в силу различных их свойств, разные, и во фронте ударной волны начинаются процессы установления термодинамического равновесия. Если
частицы тяжелого металла достаточно большие, то время установления
равновесия, время релаксации может быть большим. Кроме этого, среда
с динитро- или тринитроклетчаткой (или другим взрывчатым веществом),
расположенным между частицами металла, при движении среды нагревается и начинает разлагаться с превращением ее в газ, что также создает
вторую неравновесную систему, и такая среда интегрально характеризуется появлением достаточно большой второй вязкости. Время релаксации
такой системы может быть сравнимо со временем работы конструктивного элемента в составе кумулятивного заряда и после выделения энергии
109
нитроклетчаткой и снятия внешнего давления такая система разрушается,
образуя облако частиц порошка и газа.
Учитывая, что к частицам металла (или другого вещества, например,
минералам) не предъявляется никаких специальных требований со стороны взрывного процесса, выбор конструктивных элементов может быть
достаточно широким.
Внешняя поверхность формирователя может быть упрочнена, например, за счет нанесения на ее поверхность слоя карбида металла, например,
карбида вольфрама. Также, внешняя поверхность формирователя может
быть покрыта слоем материала, понижающим трение, например, пластмассами (фторопластом), окислами металлов (Al2O3), легкоплавкими
сплавами, нитроклечаткой и т. д.
Формирователь может быть выполнен как сплошным, так и полым
[90]. Например, внутренняя полость конического формирователя может
быть заполнена взрывчатым веществом и оно будет участвовать в процессе формирования кумулятивной струи большой массы. В этом случае, получится так называемый заряд с W-образной облицовкой.
Еще одним вариантом выполнения дополнительного тела или нескольких дополнительных тел могут быть тела, изготовленные в форме
осесимметричной оболочки или системы осесимметричных оболочек,
разделенных на разгонные промежутки, достаточные для их ускорения
и достижения максимальной скорости метания [90]. Дополнительное тело
или несколько дополнительных тел размещают соосно с кумулятивной
облицовкой на расстоянии от ее внешней поверхности, достаточном для
ускорения до максимальной скорости сжатия и метания материала кумулятивной облицовки. При этом дополнительное тело или несколько дополнительных тел изготавливают из инертного материала с плотностью не
более плотности материала кумулятивной облицовки, причем плотность
материала дополнительных тел уменьшается с увеличением расстояния от
внешней поверхности кумулятивной облицовки.
110
На рис. 86а изображено развитие последовательного процесса формирования высокоскоростной кумулятивной струи с большим диаметром
при применении дополнительного тела в форме осесимметричной оболочки или системы осесимметричных оболочек.
Рис. 86а. Схема последовательного процесса формирования высокоскоростной кумулятивной струи с дополнительным телом в виде оболочки
При взаимодействии дополнительного тела с продуктами детонации
заряда ВВ материал дополнительного тела ускоряется в падающей детонационной волне и приобретает осевую скорость в направлении формирования кумулятивной струи ранее, чем кумулятивная облицовка начнет
приобретать осевую и радиальную составляющие скорости метания. В процессе взаимодействия дополнительного тела с кумулятивной облицовкой,
кумулятивной облицовке принудительно придается дополнительная осевая
составляющая скорости метания, от вершины кумулятивной облицовки
к ее основанию, что приводит к образованию кумулятивной струи, возникающей от соударения материала кумулятивной облицовки на оси симметрии заряда под углом более 180 градусов. Применение дополнительного
тела в форме осесимметричной оболочки позволяет эффективно преобразовать импульс давления продуктов детонации ВВ с передачей его материалу кумулятивной облицовки. После взаимодействия дополнительного
тела с материалом кумулятивной облицовки материал дополнительного
111
тела переходит в газообразное состояние или заносится в перфорируемое
отверстие.
Дополнительное тело можно выполнить в форме осесимметричной
оболочки или системы осесимметричных оболочек, разделенных на разгонные промежутки, достаточные для их ускорения и достижения максимальной скорости метания. При этом дополнительное тело или несколько
дополнительных тел размещают соосно с кумулятивной облицовкой на
расстоянии от ее внешней поверхности, достаточном для ускорения до
максимальных скоростей сжатия и метания материала кумулятивной облицовки. При этом дополнительное тело или систему дополнительных тел
изготавливают из инертного материала, например, стекла или окислов
металлов, например, Al2O3, или пластмасс, например, нейлона, или неорганических веществ, например, хлористого натрия, или органических
веществ, например, парафина и т. п. с плотностью не более плотности материала кумулятивной облицовки, причем плотность материала дополнительного тела уменьшается с увеличением расстояния от внешней поверхности кумулятивной облицовки.
Применение дополнительного тела с плотностью материала не более
плотности материала кумулятивной облицовки позволяет не разрушить
кумулятивную облицовку при их взаимодействии, а уменьшение плотности
материала дополнительного тела с увеличением расстояния от внешней
поверхности кумулятивной облицовки позволяет не разрушить дополнительное тело при взаимодействии с другим дополнительным телом и эффективно передать импульс давления продуктов детонации ВВ кумулятивной облицовки. При использовании дополнительного тела с плотностью
материала более плотности материала кумулятивной облицовки, в процессе
взрывного нагружения дополнительного тела происходит сжатие материала кумулятивной облицовки материалом дополнительного тела. При
этом угол схождения материала кумулятивной облицовки на ось симметрии заряда не превышает 180 градусов, нарушается процесс формирования кумулятивной струи с большой массой и эффективность перфорации
112
снижается. При увеличении плотности материала дополнительного тела
с увеличением расстояния от внешней поверхности кумулятивной облицовки уменьшается эффективность передачи импульса давления от продуктов детонации дополнительного тела и кумулятивной облицовки, что
ведет к уменьшению скорости сжатия и метания материала кумулятивной
облицовки и уменьшению угла схождения материала кумулятивной облицовки на ось симметрии заряда и, как следствие, уменьшению массы и скорости формируемой кумулятивной струи.
Использование нескольких дополнительных тел позволяет более эффективно преобразовать максимальный импульс давления продуктов
детонации и передать его сжимающейся кумулятивной облицовке, увеличивая угол схождения материала кумулятивной облицовки более 180 градусов и скорость метания материала кумулятивной облицовки с дальнейшим формированием массивной высокоскоростной кумулятивной струи.
В качестве примера рассмотрим заряд с двумя вспомогательными
облицовками дополнительными телами-формирователями (рис. 86б). Заряд диаметром 60 мм и длиной 98 мм состоит из детонатора, формирующего детонационную волну с плоским фронтом, заряда ВВ с выемкой,
двух вспомогательных облицовок-формирователей и основной кумулятивной облицовки из железа. Первая вспомогательная облицовка, примыкающая к заряду ВВ, выполнена из полистирола с плотностью 1,04 г/см3
и толщиной по оси симметрии заряда, равной 3 мм. Форма поверхности
первой вспомогательной облицовки может быть аппроксимирована частью сферы радиусом 50 мм и смещенной перпендикулярно оси симметрии заряда на 30 мм. Вторая вспомогательная облицовка выполнена из
алюминия с толщиной стенки на оси симметрии заряда 2 мм. Форма поверхности второй вспомогательной облицовки может быть аппроксимирована частью сферы радиусом 60 мм и смещенной перпендикулярно оси
симметрии заряда на 30 мм. Разгонный промежуток между первой и второй вспомогательными облицовками равен 3 мм по оси симметрии заряда.
Форма поверхности вспомогательных облицовок выбрана из удобства их
113
размещения в заряде. Основная кумулятивная облицовка имеет толщину
стенки на оси симметрии заряда, равную 1 мм. Форма поверхности основной кумулятивной облицовки может быть аппроксимирована частью сферы радиусом 70 мм и смещенной перпендикулярно оси симметрии заряда
на 30 мм. Разгонный промежуток между второй вспомогательной облицовкой и основной кумулятивной облицовкой равен 6 мм по оси симметрии заряда. В качестве ВВ используется октоген с плотностью 1,75 г/см3.
1
2
3
4
5
Рис. 86б. Постановка задачи:
1 – продукты детонации ВВ; 2 – заряд ВВ; 3 – первая вспомогательная облицовкаформирователь из полистирола; 4 – вторая вспомогательная облицовкаформирователь из алюминия; 5 – основная кумулятивная облицовка из железа.
Показаны изолинии осевой скорости
Спустя 4 мкс с момента детонации заряда детонационная волна с плоским волновым фронтом подходит к первой вспомогательной облицовке
и начинает сжимать ее (см. рис. 86б).
К моменту 6,8 мкс после детонации заряда произошло последовательное соударение вспомогательных облицовок и основной кумулятивной облицовки по оси симметрии заряда (рис. 86в). Первичная вспомогательная облицовка передает импульс, приобретенный от продуктов дето114
нации, второй вспомогательной облицовке. А вторая вспомогательная облицовка передает свой импульс основной кумулятивной облицовке. Начальная скорость материала основной железной облицовки достигла 5 км/с.
Малый пик на распределении осевой скорости на рис. 86в соответствует
осевой скорости внешней поверхности полистирола.
Рис. 86в. Форма течения материалов вспомогательных облицовокформирователей и основной кумулятивной облицовки и распределения
осевой скорости метания (Vz) на момент времени 6,8 мкс после
инициирования заряда. Показаны изолинии осевой скорости
Спустя 10,4 мкс после начала детонации заряда началось формирование кумулятивной струи из железа основной кумулятивной облицовки.
Максимальная скорость кумулятивной струи увеличилась и достигла величины, равной 7,448 км/с. Скорость струи максимальна по ее оси симметрии и уменьшается к ее периферии. В головной части кумулятивной
струи присутствует обратный градиент скорости, позволяющий накапливать массу головной части струи. Вспомогательные облицовки продолжают передавать свой импульс основной кумулятивной облицовке и формируют кумулятивное течение (рис. 86г).
115
Рис. 86г. Форма течения материалов вспомогательных облицовокформирователей и основной кумулятивной облицовки и распределения
осевой скорости метания (Vz) на момент времени 10,4 мкс после
инициирования заряда. Показаны изолинии осевой скорости
К 18 мкс после детонации заряда формирование кумулятивного тела –
струи из основной кумулятивной облицовки – идет еще достаточно интенсивно. Максимальная скорость формируемой кумулятивной струи достигла величины, равной 7,826 км/с. Сохраняется обратный градиент скорости
в головной части струи, минимальная скорость на начальном участке
струи равна 7,472 км/с. Головная часть кумулятивной струи продолжает
накапливать массу в виде сферической поверхности (рис. 86д). В режиме
гиперкумуляции практически весь материал основной кумулятивной облицовки идет на формирование кумулятивной струи. Плотность кумулятивной струи практически равна плотности материала основной кумулятивной облицовки и однородна вдоль струи.
Кумулятивная струя из железа продолжает формироваться под действием переданной энергии вспомогательных облицовок, которые выделяют
116
ее медленнее, чем продукты детонации ВВ. Передача энергии от вспомогательных облицовок-формирователей происходит достаточно сложным
образом. Очевидно, что, изучив механизмы струеобразования в подобных
начальных конфигурациях, мы сможем более эффективно управлять такими кумулятивными процессами и конструировать заряды для необходимых нам целей.
Рис. 86д. Форма течения материалов вспомогательных облицовокформирователей и основной кумулятивной облицовки на момент времени
18 мкс после инициирования заряда. Показаны изоуровни радиальной
скорости метания
На рис. 86е показана фаза течения, соответствующая времени 22 мкс
после начала детонации заряда. Кумулятивная железная струя практически
сформировалась. Максимальная скорость кумулятивной струи практически не меняется и равна 7,74 км/с. Обратный градиент скорости в головной части кумулятивной струи уменьшился – отличие скоростей составляет около 200 м/с. Минимальная скорость сформированной кумулятивной
струи равна около 2 км/с. Под действием градиента скоростей вдоль
кумулятивной струи струя уже заметно вытягивается. Распределение
117
энергии по центру струи и по сечению указываемой координатной сеткой
приведены на соответствующих графиках на рис. 86е. Эти зависимости
свидетельствуют о том, что еще достаточно большая энергия заключена
в материалах вспомогательных облицовок-формирователей. Плотность
материала кумулятивной струи в головной ее части минимальна на оси
симметрии струи и возрастает к ее периферии. Вдоль оси симметрии кумулятивной струи плотность материала возрастает по направлению к головной части сформированной струи.
1
2
Рис. 86е. Форма течения материалов вспомогательных облицовокформирователей и основной кумулятивной облицовки и распределения
осевой скорости (Vz) и плотности на момент времени 22 мкс после инициирования заряда. Показаны изоуровни распределения энергии:
1 – распределение осевой скорости; 2 – распределение плотности
Ко времени 30 мкс после инициирования заряда продолжается формирование кумулятивной струи. Практически весь материал алюминиевой
вспомогательной облицовки сосредоточился в центре вблизи оси симмет118
рии заряда, а материал первой вспомогательной облицовки – полистирол –
вытеснен из этой области, как показано на рис. 86ж. Наибольшая энергия
сосредоточена по оси симметрии сформированной кумулятивной струи.
На рис. 86ж приведены изоуровни энергии в диапазоне 2,5–1,5 км/с2. Темным цветом выделены области с максимальной энергией.
Рис. 86ж. Форма течения материалов вспомогательных облицовокформирователей и основной кумулятивной облицовки на момент
времени 30 мкс после инициирования заряда. Показаны изоуровни
удельной внутренней энергии в диапазоне 2,5–1,5 км/с2
На рис. 86з приведены результаты вычислительного эксперимента на
момент времени 47,6 мкс после начала детонации заряда. Диаметр сформированной кумулятивной струи больше диаметра песта. Материал первой вспомогательной облицовки – полистирол – выброшен из области
формирования струи и разрушается на кусочки. В приосевой зоне формирования кумулятивной струи остается материал второй вспомогательной
облицовки – алюминий – и он продолжает сжиматься с небольшой скоростью. По оси симметрии заряда пест пробил материал второй вспомогательной облицовки.
119
Рис. 86з. Форма течения материалов дополнительных тел и кумулятивной
облицовки на момент времени 47,6 мкс после инициирования заряда.
Показаны изоуровни удельной внутренней энергии
Еще одним вариантом выполнения дополнительного тела из материала с плотностью материала не менее плотности материала кумулятивной
облицовки является дополнительное тело со сквозным отверстием [90].
Дополнительное тело выполняется с внутренним диаметром не менее
внешнего диаметра кумулятивной облицовки и с внутренней конической
или иной формы поверхностью, выполненной с уменьшением его внутреннего диаметра в направлении движения формируемой кумулятивной
струи. Дополнительное тело размещается соосно и параллельно основанию кумулятивной облицовки. Дополнительное тело взаимодействует
с метаемой кумулятивной облицовкой и в процессе ее скольжения по
внутренней поверхности полого дополнительного тела преобразует осевую составляющую скорости метания кумулятивной облицовки в ее радиальную составляющую скорости сжатия, как показано на рис. 87а.
На рис. 87а изображено развитие последовательного процесса формирования высокоскоростной кумулятивной струи с большим диаметром для
дополнительного тела со сквозным отверстием.
120
Рис. 87а. Схема процесса последовательного формирования высокоскоростной кумулятивной струи с дополнительным телом с отверстием
Продукты детонации заряда ВВ, взаимодействуя с кумулятивной облицовкой, сообщают ей осевую составляющую скорость метания, направленную в сторону движения формируемой кумулятивной струи, и радиальную скорость сжатия. Осевая и радиальная скорости метания материала кумулятивной облицовки зависят от формы поверхности кумулятивной
облицовки. В предельном случае, когда радиальная скорость равна нулю,
форма поверхности кумулятивной облицовки представляет собой диск. При
взаимодействии материала кумулятивной облицовки с дополнительным
телом с отверстием преобразуется осевая скорость метания материала кумулятивной облицовки в радиальную скорость сжатия. Метаемая кумулятивная облицовка входит в отверстие дополнительного тела и материал
частей кумулятивной облицовки начинает скользить по внутренней поверхности дополнительного тела, преобразуя осевую составляющую скорости
метания в радиальную скорость сжатия, с увеличением угла схлопывания
более 180 градусов и дальнейшим формированием высокоскоростной,
массивной кумулятивной струи. При движении кумулятивной струи в профилированной полости дополнительного тела происходит ее дополнительная деформация с одновременным увеличением длины формируемой кумулятивной струи и увеличением эффективности перфорации.
При изготовлении дополнительного тела с плотностью менее плотности материала кумулятивной облицовки в результате взаимодействия
121
материала кумулятивной облицовки и дополнительного тела, нарушаются
условия скольжения материала кумулятивной облицовки по поверхности
дополнительного тела, изменяется внутренняя форма поверхности дополнительного тела и уменьшается скорость скольжения материала кумулятивной облицовки по поверхности дополнительного тела. Процесс формирования кумулятивной струи становится неустойчивым и эффективность перфорации снижается.
При выполнении сквозного отверстия в дополнительном теле с диаметром менее внешнего диаметра основания кумулятивной облицовки,
в процессе взаимодействия и скольжения материала кумулятивной облицовки по дополнительному телу не участвуют периферийные участки кумулятивной облицовки, что приводит к уменьшению диаметра, длины
и скорости формируемой кумулятивной струи.
Например, облицовкой может служить профилированный по толщине
диск из алюминия, расположенный вблизи большого основания железного
толстостенного конуса с отверстием в его центральной части. Позади диска находится ВВ, инициируемое кольцевым детонатором (рис. 87б).
1
2
3 4
Рис. 87б. Постановка задачи:
1 – кольцевой инициатор; 2 – заряд ВВ; 3 – кумулятивная облицовка;
4 – фокусирующий формирователь
122
Диаметр заряда равен 60 мм. Толщина алюминиевой облицовки на
оси симметрии заряда составляет 4 мм, она уменьшается до величины
3 мм на диаметре 8 мм и далее сохраняет свою толщину постоянной. Внутренний угол раствора фокусирующего формирователя составляет 157 градусов, минимальный диаметр отверстия в его вершине равен 8 мм при
толщине стенки формирователя 5 мм. В качестве ВВ применялся состав
ТГ 50/50. Заряд инициировался по кольцу со средним радиусом 28 мм
и шириной кольца 4 мм.
Детонационная волна при столкновении на оси симметрии заряда
создает повышенное давление, величина которого уменьшается с удалением от места первоначального столкновения детонационных волн. Поэтому в некотором диапазоне можно выбирать амплитуду и область давления, воздействующего на облицовку путем удаления или приближения
к месту соударения детонационных волн. На рис. 87в показаны изоуровни
давления в материалах заряда в диапазоне 16–26 ГПа. Созданная область
высокого давления продуктов детонации заряда ВВ пришла во взаимодействие с облицовкой в ее центральной части и на периферии облицовки.
область повышенного давления
Рис. 87в. Форма течения материалов кумулятивной облицовки и фокусирующего формирователя на момент времени 6,0 мкс после инициирования
заряда. Показаны изоуровни давления в диапазоне 16–26 ГПа
123
В продуктах детонации ВВ заметны не прореагировавшие частицы
ВВ в начале его инициирования. Облицовка в форме диска в начальный
момент времени не имеет радиальной составляющей скорости. Поэтому,
чтобы сформировать кумулятивную струю из кумулятивной облицовки
с формой диска, необходимо за счет взаимодействия с дополнительным
телом, в данном случае – полого фокусирующего формирователя с конической внутренней поверхностью преобразовать часть осевой скорости
метания в радиальную скорость сжатия материала облицовки.
В дальнейшем, по аналогии с установившимися движением сжимаемой сплошной среды, будем называть это устройство фокусирующим
формирователем или соплом. Хотя, в нашем случае, движение самой
сжимаемой среды и изменение формы сопла со временем являются существенно неустановившимися, для которых термин «сопло» не существует.
Чтобы сформировать кумулятивную струю, необходимо заставить
скользить материал облицовки по внутренней поверхности сопла. Облицовка с плоской формой поверхности метается на сопло с разными продольными скоростями: максимальными в его центре, на оси симметрии
задачи и минимальными на периферийной части облицовки. Давление
продуктов детонации на оси симметрии заряда продолжает взаимодействовать с центральной частью облицовки. При соударении материала облицовки с поверхностью сопла создается давление в материале облицовки
и кольцевая область давления движется от периферии облицовки к ее центру. При этом весь материал облицовки получает как радиальные, так и осевые скорости. Угол схождения материала облицовки на ось симметрии заряда изменяется и становится более 180 градусов (рис. 87г).
При достижении материалом облицовки отверстия в вершине сопла
на оси симметрии заряда формируется кумулятивная струя с максимальной скоростью более 10 км/с и с диаметром, равным диаметру отверстия
сопла (рис. 87д). Само сопло некоторое время удерживается инерционными
силами, а кумулятивная струя может быть сплошной или полой, в зависимости от того, как согласованы толщины облицовки и площадь отверстия
в сопле.
124
Рис. 87г. Форма течения материалов кумулятивной облицовки и фокусирующего формирователя и распределения радиальной скорости (Vr)
на момент времени 7,2 мкс после инициирования заряда.
Показаны изолинии радиальной скорости
Рис. 87д. Форма течения материалов кумулятивной облицовки и фокусирующего формирователя и распределения осевой скорости (Vz) на момент
времени 9,2 мкс после инициирования заряда.
Показаны изолинии осевой скорости
125
Через 5,4 мкс после начала детонации кумулятивная струя уже получила вид стержня с полостью к ее конечной части (рис. 87е). Максимальная скорость кумулятивной струи равна 9,944 км/с, а минимальная – около
4 км/с. Угол раствора сопла пока существенно не изменился.
Рис. 87е. Форма течения материалов кумулятивной облицовки
и фокусирующего формирователя и распределения осевой скорости (Vz)
на момент времени 14,6 мкс после инициирования заряда.
Показаны изолинии осевой скорости
Применение сопла во взрывных конструкциях и течение в них металлов, несомненно, вызывает ряд вопросов, прежде всего о прочности сопел.
Авторами были проведены физические эксперименты, подтверждающие
получение струй из кумулятивной облицовки в форме диска, и показано,
что при их выборе сопла сохраняются и их можно использовать даже
вторично.
На рис. 87ж показана финальная стадия формирования кумулятивной
струи на момент времени, равный 19,6 мкс после начала детонации заряда.
Струя образовалась и отрывается от сопла. Максимальная скорость головной части кумулятивной струи равна 9,647 км/с. А минимальная скорость
126
полого конца струи равна 3,381 км/с. Диаметр сформированной кумулятивной струи вдоль ее длины постоянен и равен диаметру отверстия в фокусирующем формирователе. Некоторая часть материала облицовки остается на внутренней поверхности сопла.
Рис. 87ж. Форма течения материалов кумулятивной облицовки
и фокусирующего формирователя и распределения осевой скорости (Vz)
на момент времени 19,6 мкс после инициирования заряда.
Показаны изолинии осевой скорости
Кроме того, в новом методе формирования высокоскоростных массивных кумулятивных струй [90] одновременно изменяют и преобразуют
направление движения и форму фронта волны детонации в заряде взрывчатого вещества, сформированной инициатором, например, в кольцевую детонационную волну, сходящуюся на ось симметрии заряда или в детонационную волну с плоским волновым фронтом, распространяющуюся вдоль
оси симметрии заряда с фронтом, перпендикулярным оси симметрии заряда.
Одновременное изменение и преобразование направления движения
и формы детонационной волны в заряде ВВ, сформированной инициатором, например, в кольцевую детонационную волну со сходящимся детонационным фронтом к оси симметрии заряда, позволяет многократно
127
увеличить давление в продуктах детонации в области оси симметрии заряда. В результате дополнительному телу и/или кумулятивной облицовке
передается импульс давления большей величины в направлении формируемой кумулятивной струи. Причем осевая скорость метания дополнительного тела на оси симметрии заряда становится больше, чем осевая
скорость метания на периферии дополнительного тела. В результате увеличиваются максимальная скорость кумулятивной струи и градиент скорости вдоль ее длины. При этом увеличиваются диаметр и глубина перфорируемого отверстия.
Изменить и преобразовать направление движения и форму фронта
волны детонации, сформированной инициатором с расходящимся от оси
симметрии заряда детонационным фронтом, в кольцевую детонационную
волну, сходящуюся на ось симметрии заряда, можно различными методами [74–110]. Например, в известном методе между инициатором и кумулятивной облицовкой на оси симметрии заряда располагают линзу, изменяющую направление движения и формирующую форму фронта волны
детонации в заряде ВВ. При этом линзы изготавливают из инертных материалов, например, пластмасс, металлов или другого ВВ с отличающейся
скоростью детонации от ВВ основного заряда.
В результате проведенных исследований было установлено, что для
одинаковых конфигураций кумулятивного заряда изменение расходящегося волнового фронта детонационной волны на сходящийся привело
к изменению максимальной скорости кумулятивной струи, сформированной из алюминиевой кумулятивной облицовки, с 11 до 15,5 км/с.
Кроме того, за счет одновременного изменения и преобразования направления движения и формы фронта волны детонации в заряде ВВ,
сформированной инициатором с расходящимся от оси симметрии заряда
детонационным фронтом, например, в детонационную волну с плоским
волновым фронтом, распространяющуюся вдоль оси симметрии заряда
с фронтом, перпендикулярным оси симметрии заряда, при взаимодействии продуктов детонации с дополнительным телом и/или кумулятивной
128
облицовкой возможно увеличить скорость и массу формируемой кумулятивной струи. В результате последующего взаимодействия с материалом
кумулятивной облицовки ей передается больший импульс давления, чем
достигается еще большее увеличение угла схождения материала кумулятивной облицовки на ось симметрии заряда. При столкновении материала
кумулятивной облицовки на оси симметрии заряда формируется кумулятивная струя, у которой возрастает ее максимальная скорость и величина
градиента скорости вдоль кумулятивной струи, вследствие чего увеличиваются диаметр и глубина перфорируемого отверстия.
Получить детонационную волну с плоским волновым фронтом в заряде ВВ возможно различными известными способами [75, 110]. Например, формируют заряды ВВ, состоящие из двух различных ВВ, которые
спрягаются между собой по специальной форме поверхности, зависящей
от соотношения скоростей детонации в различных ВВ.
В результате проведенных исследований было установлено, что для
одинаковых конфигураций кумулятивного заряда изменение расходящегося волнового фронта детонационной волны на плоский привело к изменению максимальной скорости кумулятивной струи, сформированной из
алюминиевой кумулятивной облицовки, с 11 до 14 км/с.
В предлагаемом в патенте [90] новом методе формирования высокоскоростных кумулятивных струй для перфорации скважин с глубокими
незапестованными каналами и с большим диаметром кумулятивной струи
возможно одновременное использование нескольких различных дополнительных тел.
Данный метод формирования кумулятивных струй может быть реализован, например, в устройстве, описанном в патенте [90]. На рис. 88 представлена конструкция одного из возможных вариантов устройства формирования высокоскоростных кумулятивных струй для перфорации скважин
с глубокими незапестованными каналами и с большим диаметром. Профилированный осесимметричный заряд ВВ 2 в корпусе 1 содержит кумулятивную выемку 3 на торце, противоположном инициатору 4, кумуля129
тивную облицовку 5 и дополнительное тело 6, выполненное из пластины
в форме дна кумулятивной облицовки 5. Дополнительное тело размещается на вершине кумулятивной облицовки, как показано на рис. 88.
Рис. 88. Пример 1 устройства кумулятивного заряда для формирования
высокоскоростных массивных кумулятивных струй
Заряд инициируется с торца, противоположного кумулятивной облицовке. Кумулятивная облицовка в устройстве выполняется в форме усеченного полого конуса, усеченной части полой полусферы или в другой
форме усеченной поверхности тела вращения и размещается к инициатору
основанием с меньшим или равным диаметром внешнему диаметру ее основания D. Кумулятивная облицовка изготавливается из инертного материала (медь, железо, алюминий и т. п.) со средней толщиной стенки h, изменяющейся в пределах 0,007–0,075 D в зависимости от используемого
материала. При этом кумулятивная облицовка может выполняться с увеличением ее толщины от вершины к ее основанию или с одинаковой
толщиной в любом поперечном сечении вдоль ее образующей. Диаметр
меньшего основания кумулятивной облицовки выбирается не менее 0,1 D..
Длина образующей поверхности кумулятивной облицовки выбирается
в пределах 0,5–1,0 D. Диаметр дополнительного тела выбирается не менее
130
внешнего диаметра малого основания кумулятивной облицовки и не более
диаметра заряда ВВ, с толщиной дополнительного тела, изменяющегося
в пределах 0,006–0,06 D в зависимости от используемого материала (медь,
алюминий, тантал и т. п.) и при плотности материала дополнительного тела не менее плотности материала кумулятивной облицовки. При этом дополнительное тело и кумулятивная облицовка выполняются разборными
(составными).
Устройство работает следующим образом. При срабатывании инициатора (например, капсюля-детонатора) детонационная волна распространяется по заряду ВВ, при этом дополнительное тело разгоняется продуктами
детонации ВВ в падающей волне, а участки материала кумулятивной облицовки – преимущественно в скользящей волне. Дополнительное тело
должно иметь минимальную массу, чтобы получить максимальный импульс от продуктов детонации заряда ВВ. При этом дополнительное тело
должно иметь плотность не менее плотности материала кумулятивной облицовки, для обеспечения условия разворота сжимающихся частей материала кумулятивной облицовки на угол более 180 градусов, при ее скольжении по поверхности дополнительного тела. Материал кумулятивной
облицовки метается и сжимается продуктами детонации ВВ на ось симметрии заряда. В процессе взрывной деформации и сжатии материал кумулятивной облицовки и дополнительное тело соударяются и материал
частей кумулятивной облицовки начинает скользить по поверхности дополнительного тела. В результате такого принудительного взаимодействия происходит последовательный разворот частей материала кумулятивной облицовки на угол более 180 градусов, с одновременным ее ускорением в осевом направлении и с преобразованием радиальной составляющей
скорости сжатия частей материала облицовки в осевую составляющую
скорость метания, направленную в сторону формирования кумулятивной
струи. В результате дальнейшего инерционного движения частей материала кумулятивной облицовки и их соударения на оси симметрии заряда
под углом более 180 градусов формируется высокоскоростная массивная
131
кумулятивная струя, обладающей повышенной эффективностью перфорации преграды.
Особенностью устройства является то, что еще до схлопывания материала кумулятивной облицовки на оси симметрии заряда кумулятивная
облицовка принудительно приобретает значительную осевую составляющую скорости, причем разворот материала облицовки на угол более
180 градусов происходит вне оси симметрия заряда.
При выборе длины образующей КО 5 менее 0,5 D, где D – внешний
диаметр основания кумулятивной облицовки, в результате взаимодействия с дополнительным телом, не обеспечивается условие столкновения
материала частей кумулятивной облицовки на оси симметрии заряда
и формирование кумулятивной струи. Верхняя граница длины образующей
кумулятивной облицовки 1,0 D обусловлена условием сохранения устойчивости взрывного метания и сжатия тонких облицовок в зависимости от
используемого материала.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что с увеличением длины образующей поверхности кумулятивной облицовки возрастает неустойчивость процесса разворота метаемых частей материала
кумулятивной облицовки и при превышении этой границы нарушается
процесс струеобразования.
Выбор диаметра дополнительного тела не менее внешнего диаметра
малого основания d1 кумулятивной облицовки обусловлен конструкцией
усеченной формы кумулятивной облицовки, возможностью прорыва продуктов детонации заряда ВВ между дополнительным телом и кумулятивной
облицовкой при их взаимодействии. Максимальный диаметр дополнительного тела ограничивается внешним диаметром dвв заряда ВВ, а минимальный – величиной 0,1 D. При меньшей величине диаметра дополнительного тела процесс разворота материала кумулятивной облицовки при
взаимодействии с дополнительным телом становится неустойчивым из-за
невозможности развернуть материал кумулятивной облицовки на угол более 180 градусов на малых расстояниях от оси симметрии заряда.
132
Выбор минимальной толщины дополнительного тела h1, равной
0,006 D, обусловлен возможностью его разрушения при метании продуктами детонации ВВ, нарушении регулярности и устойчивости процесса
сжатия материала кумулятивной облицовки при взаимодействии дополнительного тела с кумулятивной облицовкой. Для эффективного принудительного разворота метаемых частей материала кумулятивной облицовки
на ось симметрии заряда толщина материала дополнительного тела должна обеспечивать осевую скорость метания дополнительного тела более
осевой скорости сжимающейся кумулятивной облицовки.
Верхняя граница диапазона толщины материала дополнительного тела, равная 0,06 D, обусловлена уменьшением осевой скорости метания
дополнительного тела менее осевой скорости метания кумулятивной
облицовки и невозможностью принудительного разворота частей материала кумулятивной облицовки в процессе их взаимодействия на угол более 180 градусов.
Для исключения влияния материала дополнительного тела на процесс
формирования кумулятивной струи и нарушения гидродинамического течения при струеобразовании используют дополнительное тело с плотностью не менее плотности материала кумулятивной облицовки. При этом
условии, как показали результаты проведенных экспериментов, осуществляется устойчивое скольжение материала кумулятивной облицовки по
поверхности дополнительного тела. При плотности материала дополнительного тела менее плотности материала кумулятивной облицовки происходит разрушение материала дополнительного тела за счет взаимодействия с материалом кумулятивной облицовки в процессе струеобразования, что приводит к разрушению формируемой КС.
При выполнении дополнительного тела и кумулятивной облицовки из
одинаковых материалов толщину дополнительного тела выбирают в 1,5–
2 раза большей толщины кумулятивной облицовки в месте их сопряжения.
Исследования показали, что при этом условии влияние материала дополнительного тела на процесс струеобразования минимален. При увеличении
толщины дополнительного тела выше указанного предела уменьшается
133
передаваемый импульс материалу кумулятивной облицовки и приобретаемая осевая скорость метания дополнительного тела недостаточна для
разворота и увеличения угла схождения на ось симметрии заряда сжимающегося материала кумулятивной облицовки более 180 градусов.
При меньшей толщине материала дополнительного тела дополнительное тело имеет меньшую массу и поэтому, более эффективно разгоняясь в падающей детонационной волне, приобретает большую осевую скорость еще до начала сжатия кумулятивной облицовки и приобретения ею
радиальной составляющей скорости. В результате материал дополнительного тела осуществляет опережающий выход из полости кумулятивной
облицовки и разворота метаемых частей материала кумулятивной облицовки на угол более 180 градусов не происходит.
Дополнительное тело может выполняться профилированным с утолщением в его центральной части по оси симметрии заряда. Этим достигается защита дополнительного тела от разрушения его продуктами детонации взрывчатого вещества при их концентрации на оси симметрии заряда.
Дополнительное тело может выполняться с прогибом или быть выпуклым по высоте в центральной части, в сторону инициатора, в форме,
например, конического или сферического сегмента. Этим достигается
большая компактность дополнительного тела и возможность достижения
большей осевой скорости метания. Дополнительное тело может выполняться переменной толщины. Этим достигается возможность корректировки распределения величины осевой скорости метания дополнительного
тела вдоль его радиуса и, следовательно, угла разворота и схождения частей материала кумулятивной облицовки на ось симметрии заряда.
Дополнительное тело может выполняться с плотностью материала не
более плотности материала кумулятивной облицовки и с одновременным
упрочнением его поверхности за счет упрочняющего слоя, например, за
счет нанесения на него слоя окисла металла, например, Al2O3 или карбида
металла, например, карбид вольфрама или металла, например, вольфрама,
стали. Этим достигается максимальная скорость метания дополнительного
тела при его минимальной массе и невозможность сварки материала
134
дополнительного тела с кумулятивной облицовкой в процессе их взаимодействия, а также достигается повышение твердости поверхности дополнительного тела для предотвращения влияния материала дополнительного
тела на процесс струеобразования формируемой кумулятивной струи.
Дополнительное тело может выполняться составным (разборным) из
двух или более чередующихся частей. Одна часть дополнительного тела
из тяжелого материала с плотностью не менее плотности кумулятивной
облицовки примыкает к вершине кумулятивной облицовки. Другая часть
дополнительного тела из более легкого материала сопрягается по внешнему диаметру с внешним диаметром дополнительного тела. Например, кумулятивная облицовка выполнена из железа, а дополнительное тело – из
меди и из алюминия. При этом дополнительные тела разделены разгонным промежутком L по оси симметрии заряда на расстояние не более
0,15 L/dВВ, где dВВ – диаметр заряда взрывчатого вещества. Выполнение
частей дополнительного тела как единой целой детали не допустимо.
Продукты детонации ВВ разгоняют первую часть дополнительного
тела с меньшей плотностью до большей скорости, которая взаимодействует со второй частью дополнительного тела в процессе их соударения.
В результате этого взаимодействия дополнительное тело приобретает еще
большую величину осевой составляющей скорости, чем при ускорении
продуктами детонации ВВ. Вторая часть дополнительного тела, взаимодействуя с материалом кумулятивной облицовки, преобразует радиальную
составляющую скорости сжатия кумулятивной облицовки в осевую составляющую скорости метания и одновременно принудительно увеличивает
угол схождения материала кумулятивной облицовки на ось симметрии заряда более 180 градусов. В результате взаимодействия дополнительного
тела и материала кумулятивной облицовки происходят разворот и схождение на ось симметрии заряда метаемых частей материала кумулятивной
облицовки на угол более 180 градусов.
Использование нескольких дополнительных тел в виде слоистой
структуры [90] позволяет более эффективно преобразовать максимальный
импульс давления продуктов детонации и передать его сжимающейся
135
кумулятивной облицовке, увеличивая угол схождения материала кумулятивной облицовки более 180 градусов.
Для достижения максимальной скорости метания дополнительного
тела в слоистой структуре, первая и вторая части дополнительного тела
могут разделяться разгонным промежутком L достаточным для их ускорения до максимальной скорости, при этом величина разгонного промежутка L может изменяться не более 0,15 L/dвв. При выполнении величины
разгонного промежутка L более указанного предела происходят искажение формы поверхности метаемого дополнительного тела и его торможение, что приводит к нестабильности формирования кумулятивной струи.
Также увеличиваются габариты устройства.
Для увеличения радиальной составляющей скорости сжатия материала кумулятивной облицовки по оси симметрии и соосно с кумулятивной
облицовкой, между инициатором и внешней поверхностью кумулятивной
облицовки на расстоянии L1 от ее поверхности не более 0,15 L1/dвв, может
быть установлено второе дополнительное тело или система дополнительных тел, разнесенных между собой на расстояние L1.
Вторые дополнительные тела могут быть выполнены в форме осесимметричной усеченной оболочки с длиной образующей поверхности не
более длины образующей поверхности кумулятивной облицовки и сопряженные одним концом со стороны, ближайшей к инициатору с первым
дополнительным телом.
Эти дополнительные тела изготавливаются из материала с плотностью, изменяющейся в пределах 0,046–0,88 в зависимости от используемого материала, где  – плотность материала кумулятивной облицовки.
При этом плотность материала дополнительного тела уменьшается с увеличением расстояния от внешней поверхности кумулятивной облицовки
не менее чем на 0,1. Дополнительные тела выполняются разборными
(составными).
При выполнении величины разгонного промежутка L1 более указанного предела происходят искажение формы поверхности метаемого дополнительного тела и его торможение, что приводит к неравномерности
136
передачи импульса давления вдоль поверхности кумулятивной облицовки
и уменьшению стабильности формирования кумулятивной струи. Также
увеличиваются габариты устройства.
Длина образующей поверхности вторых дополнительных тел может
быть не более длины образующей поверхности кумулятивной облицовки.
При большей длине образующей поверхности дополнительного тела возрастают габариты устройства и уменьшается скорость его метания.
Уменьшение плотности материала дополнительного тела с увеличением расстояния от внешней поверхности кумулятивной облицовки не менее чем на 0,1 позволяет эффективно ускорить материал дополнительного тела и передать импульс продуктов детонации кумулятивной облицовке.
Проведенные исследования показали, что при изготовлении дополнительного тела из материала с плотностью менее 0,046 уменьшается
эффективность преобразования импульса продуктов детонации кумулятивной облицовки, так как плотность продуктов детонации становится
больше плотности материала дополнительного тела. При изготовлении
дополнительного тела из материала с плотностью более 0,88 также уменьшается эффективность преобразования импульса продуктов детонации
кумулятивной облицовки.
К материалу второго дополнительного тела не предъявляется никаких
дополнительных требований, кроме величины плотности материала дополнительного тела, которая может изменяться в пределах 0,046–0,88
в зависимости от используемого материала, где  – плотность материала
кумулятивной облицовки. Дополнительное тело может быть выполнено из
неорганических веществ, например, хлористого натрия (NaCl), или органических веществ, например, парафина, целлулоида, или легкоплавких
материалов, например, магния, висмута, пластмасс, например, нейлона,
тефлона, пористых материалов, например, пористого железа или их смеси,
например песка и нитроклетчатки, песка и парафина и т. д.
Нижняя граница диапазона плотностей материала дополнительных
тел соответствует условию минимальной плотности дополнительного тела
137
и максимальной плотности материала кумулятивной облицовки. Например, дополнительное тело выполнено из парафина, а кумулятивная облицовка – из тантала или золота. Верхняя граница предела соответствует условию, когда дополнительное тело и кумулятивная облицовка выполнены
из материалов с близкими плотностями. Например, дополнительное тело –
из материала с меньшей плотностью – железа, а кумулятивная облицовка –
из меди.
Второе дополнительное тело может быть выполнено усеченной формы поверхности вращения с диаметром меньшего основания не более 0,8 D
и закрыто дном, выполненным из материала с плотностью, превышающей
плотность второго дополнительного тела не менее, чем в 1,1–2 раза, как
показано на рис. 89. Такое выполнение дополнительного тела позволяет
его ускорить до максимальной скорости при минимальных габаритах устройства. При этом второе дополнительное тело и дно выполняются разборными (составными).
Рис. 89. Пример 2 устройства кумулятивного заряда для формирования
высокоскоростных массивных кумулятивных струй
Выполнение второго дополнительного тела усеченной формы поверхности с диаметром более 0,8 D и закрытого дном, изготовленным из
138
материала с плотностью менее 1,1–2ρ, где ρ – плотность материала кумулятивной облицовки, приводит к разрушению дна при взаимодействии
с дополнительным телом.
Для обеспечения условия скольжения материала второго дополнительного тела по поверхности дна они выполнены разборными (составными).
Особенностью устройства является то, что материал дополнительного
тела может заноситься в перфорационное отверстие.
Для эффективного преобразования осевой скорости метания кумулятивной облицовки в ее радиальную составляющую скорости сжатия с одновременным увеличением угла схождения частей материала облицовки
на ось симметрии заряда более 180 градусов, по оси симметрии и соосно
с кумулятивной облицовкой перед ее основанием, на расстоянии от ее основания не более 0,1 L1/D может устанавливаться третье дополнительное
тело со сквозным отверстием. Форма отверстия имеет преимущественно
коническую форму для обеспечения скольжения по его поверхности материала кумулятивной облицовки. Внутренний диаметр входного отверстия
в дополнительном теле составляет не менее внешнего диаметра основания
кумулятивной облицовки, как показано на рис. 90.
Рис. 90. Пример 3 устройства кумулятивного заряда для формирования
высокоскоростных массивных кумулятивных струй
139
Установка дополнительного тела по оси симметрии заряда соосно
с кумулятивной облицовкой и перед ее основанием на расстоянии от ее
основания более 0,1 L1/D приводит к торможению кумулятивной облицовки и снижению осевой составляющей скорости ее метания. Так же
увеличиваются продольные габариты устройства.
Установка дополнительного тела с отверстием перед основанием кумулятивной облицовки 5 приводит к увеличению радиальной составляющей скорости сжатия материала кумулятивной облицовки за счет преобразования ее осевой составляющей скорости метания в радиальную составляющую скорость сжатия, в процессе последовательного, от основания кумулятивной облицовки к ее вершине, взаимодействия дополнительного тела и кумулятивной облицовки и скольжения материала кумулятивной облицовки по внешней поверхности отверстия дополнительного тела.
При выполнении внутреннего диаметра входного отверстия dвх дополнительного тела менее внешнего диаметра основания D кумулятивной
облицовки, в процессе увеличения радиальной составляющей скорости
сжатия материала облицовки участвует меньшая часть ее поверхности.
В результате уменьшаются масса формируемой кумулятивной струи, ее
скорость и соответственно диаметр и глубина перфорируемого отверстия
в преграде.
Для выполнения условия скольжения материала кумулятивной облицовки в процессе ее взрывной деформации по поверхности дополнительного тела они выполняются разборными (составными).
Диаметр выходного отверстия dвых в дополнительном теле может быть
не менее 0,6 dкс, где dкс – максимальный диаметр формируемой кумулятивной струи, чем достигается максимальная эффективность перфорации
отверстий в преграде.
Экспериментально установлено, что при выполнении диаметра выходного отверстия dвых в дополнительном теле менее указанного предела
происходит потеря массы и скорости кумулятивной струи, уменьшение
диаметра кумулятивной струи, разрушение дополнительного тела и кумулятивной струи в результате их взаимодействия. Причем величина мини140
мальной величины выходного отверстия dвых зависит от плотности, скорости звука и сжимаемости материала кумулятивной облицовки. При малой
плотности материала кумулятивной облицовки, например, алюминия,
алюминиевых сплавов, цинка, диаметр выходного отверстия dвых в дополнительном теле составляет 0,6 dкс. Для железной или медной КО 5 диаметр
выходного отверстия dвых в дополнительном теле составляет 0,7–0,85 dкс,
для кумулятивной облицовки из тантала диаметр выходного отверстия
dвых в дополнительном теле составляет 1,0–1,1 dкс.
Внутренняя поверхность отверстия дополнительного тела, при углах
между касательной к внутренней поверхности отверстия в дополнительном теле и материалом кумулятивной облицовки в точке их взаимодействия
менее 90 градусов, может покрываться слоем материала, понижающим
трение, например, фторопластом или окислами металлов, например,
AL2O3, или легкоплавкими сплавами, например, сплавами висмута или
взрывчатыми веществами, например, нитроклетчаткой и т. д., чем достигается уменьшение потерь скорости формируемой кумулятивной струи.
Экспериментальные исследования показали, что при углах между касательной к внутренней поверхности отверстия в дополнительном теле
и материалом кумулятивной облицовки в точке их взаимодействия более
90 градусов не происходят потери скорости метания кумулятивной облицовки и формируемой кумулятивной струи.
Так же дополнительное тело с отверстием может быть выполнено из
магнитных материалов с максимальной степенью намагничивания, например, из стали, сплавов типа Fe-AL-Ni-Co, ферритов типа 3СА (SrO 6Fe2O3)
и т. д., чем достигается уменьшение потерь скорости метания кумулятивной облицовки при взаимодействии с дополнительным телом и скольжении по ее поверхности.
При метании кумулятивной облицовки в отверстие дополнительного
тела, происходит сжатие магнитного поля, созданного дополнительным
телом, между поверхностью дополнительного тела и материалом кумулятивной облицовки. При сжатии магнитного поля образуется тонкая «магнитная подушка» с давлением магнитного поля, пропорциональным
141
квадрату напряженности магнитного поля и достаточным для предотвращения разрушения как материала кумулятивной облицовки, так и поверхности дополнительного тела в результате их взаимодействия.
Особенностью устройства с дополнительным телом с отверстием является то, что повышение скорости, массы и диаметра формируемой кумулятивной струи и, следовательно, диаметра и глубины перфорируемого
отверстия достигается без увеличения массы заряда ВВ.
Другой вариант выполнения устройства формирования высокоскоростных кумулятивных струй для перфорации скважин с глубокими незапестованными каналами и с большим диаметром [90] приведен на рис. 91.
Рис. 91. Пример 4 устройства кумулятивного заряда для формирования
высокоскоростных массивных кумулятивных струй
Профилированный осесимметричный заряд ВВ 2 в корпусе 1 содержит кумулятивную выемку 3 на торце, противоположном инициатору 4,
кумулятивную облицовку 5 и сплошное или полое дополнительное тело,
расположенное на оси симметрии кумулятивной облицовки в ее внутренней полости.
Дополнительное тело выполняется преимущественно конической формы, суживающейся частью направленной в сторону основания кумулятивной облицовки. Этим обеспечивается скольжение материала кумулятив142
ной облицовки при ее метании продуктами детонации заряда ВВ по поверхности дополнительного тела.
Заряд инициируется с торца, противоположного кумулятивной облицовке. Кумулятивная облицовка выполняется в форме усеченного полого
конуса, усеченной части полой полусферы или другой форме усеченной
поверхности тела вращения и размещается к инициатору основанием
с меньшим или равным диаметром внешнему диаметру основания D кумулятивной облицовки. Облицовка изготавливается из инертного материала (медь, железо, алюминий и т. п.) со средней толщиной стенки h, изменяющейся в пределах 0,007–0,075 D в зависимости от используемого
материала. При этом кумулятивная облицовка может выполняться с увеличением ее толщины от ее вершины к ее основанию или с одинаковой
толщиной в любом поперечном сечении вдоль ее образующей поверхности. Длина образующей поверхности кумулятивной облицовки выбирается в пределах 0,5–1,0 D. Диаметр основания дополнительного тела выбирается не менее внешнего диаметра меньшего основания кумулятивной
облицовки и с высотой дополнительного тела не более высоты кумулятивной облицовки. Плотность материала дополнительного тела выбирается не менее плотности материала кумулятивной облицовки. При этом дополнительное тело и кумулятивная облицовка выполняются разборными
(составными).
Устройство работает следующим образом. При срабатывании инициатора (например, капсюля-детонатора) детонационная волна распространяется по заряду ВВ и падает на кумулятивную облицовку, размещенную в кумулятивной выемке заряда ВВ. При этом происходят метание, ускорение и сжатие материала кумулятивной облицовки продуктами
детонации заряда ВВ. В процессе метания материал кумулятивной облицовки приобретает радиальную составляющую скорости, направленную
на ось симметрии заряда, и осевую составляющую скорости, направленную в сторону формирования кумулятивной струи.
143
При использовании «высоких» кумулятивных облицовок, в пределе
с цилиндрической формой поверхности, радиальная скорость сжатия
материала кумулятивной облицовки становится намного больше осевой
скорости метания. В процессе взрывного сжатия материала кумулятивной
облицовки происходит последовательный разворот стенок материала кумулятивной облицовки и его схождения на поверхность дополнительного
тела, расположенного во внутренней полости кумулятивной облицовки на
ее оси симметрии. В результате принудительного взаимодействия – соударения и скольжения метаемого материала кумулятивной облицовки по
поверхности дополнительного тела, выполненного преимущественно в конической форме с суживающейся частью, направленной в сторону основания кумулятивной облицовки, для обеспечения скольжения материала
кумулятивной облицовки по поверхности дополнительного тела, достигается последовательный, с вершины кумулятивной облицовки до ее основания, разворот частей материала кумулятивной облицовки на угол более
180 градусов. При этом происходит одновременное преобразование радиальной скорости сжатия частей материала кумулятивной облицовки в осевую скорость метания, направленную в сторону формирования кумулятивной струи. В результате дальнейшего инерционного движения частей
материала кумулятивной облицовки и его соударения на оси симметрии
заряда под углом более 180 градусов формируется высокоскоростная массивная кумулятивная струя с большим диаметром, обладающая повышенной эффективностью перфорации преграды.
Выбор длины образующей поверхности кумулятивной облицовки
в пределах 0,5–1,0 D обусловлен устойчивостью процесса взаимодействия
с дополнительным телом и разворота сжимающегося материала кумулятивной облицовки на угол более 180 градусов. В результате экспериментальных исследований было установлено, что при длине образующей
поверхности кумулятивной облицовки менее 0,5 D и более 1,0 D процесс
разворота материала кумулятивной облицовки при взаимодействии с дополнительным телом становится неустойчивым.
144
Внешняя поверхность дополнительного тела может быть упрочнена
слоем материала, увеличивающим ее твердость, например, карбидом металла (карбид вольфрама), или металлом, например, вольфрамом, сталью
для обеспечения условия скольжения материала кумулятивной облицовки по поверхности дополнительного тела, предохранения поверхности
дополнительного тела от разрушения метаемым материалом кумулятивной облицовки в результате их взаимодействия и предохранения дополнительного тела от возможности сварки с материалом кумулятивной
облицовки.
Внешняя поверхность дополнительного тела может покрываться слоем материала, понижающим трение, например, фторопластом или окислами металлов, например, Al2O3, или легкоплавкими сплавами, например,
висмутом или взрывчатыми веществами, например, нитроклетчаткой
и т. д., чем достигается уменьшение потерь скорости материала кумулятивной облицовки при скольжении по поверхности дополнительного тела
и увеличение скорости и массы формируемой кумулятивной струи.
Особенностью устройства является то, что угол схождения частей материала кумулятивной облицовки определяется углом раскрыва дополнительного тела, в результате чего формируется высокоскоростная массивная кумулятивная струя с большим диаметром, обладающая повышенной
эффективностью перфорации преграды.
В данном устройстве одновременно могут использоваться дополнительные тела в виде оболочки или системы оболочек и дополнительное
тело с отверстием, как и в ранее рассмотренном устройстве.
Таким образом, предлагаемый метод формирования высокоскоростных кумулятивных струй для перфорации скважин с глубокими незапестованными каналами и с большим диаметром позволяет осуществить безпестовое формирование высокоскоростной кумулятивной струи с максимальной скоростью на 20–30 % выше и с массой в 3–4 раза большей,
чем в известных способах.
Предлагаемые варианты устройств для формирования высокоскоростных кумулятивных струй для перфорации скважин с глубокими незапесто145
ванными каналами и с большим диаметром [90] прошли экспериментальную проверку и доступны для методов вычислительного эксперимента.
Они позволяют при использовании кумулятивных облицовок с различной
формой поверхности, например, в форме усеченного конуса, усеченной
полусферы, цилиндрической и т. п. создавать беспестовые кумулятивные
струи с массой не менее 80 % от массы кумулятивной облицовки, обеспечивая при этом перфорационный канал с большим в 2–3 раза диаметром,
глубиной в 1,2–1,5 раз и с увеличением стабильности перфорации в 2–3 раза,
по сравнению с известными устройствами.
146
Глава 2. ПРОБЛЕМА ВРАЩЕНИЯ
В КУМУЛЯТИВНЫХ ЗАРЯДАХ
Проблема вращения в кумулятивных зарядах – эффект существенного
снижения бронепробития при вращении заряда – возникла с момента первого массового их применения, с начала Великой Отечественной войны. Связано это было с тем, что тогда использовались только нарезные пушки
и стабилизация боеприпаса в полете осуществлялась с помощью вращения.
Попытки «быстрого» решения проблемы вращения не удались. Поэтому практическое решение этой проблемы пошло по другому пути – по
пути отказа от стабилизации кумулятивного с помощью вращения и создания аэродинамической стабилизации – оперенных боеприпасов. Однако
это направление было вынужденным и повлекло за собой как некоторое
удорожание выстрела, так и некоторое ухудшение его характеристик.
Проблема вращения в кумулятивных зарядах оказала существенное
влияние на развитие танкового и противотанкового вооружения с начала
1960-х гг., поскольку одной из главных причин перехода на гладкоствольное оружие было отсутствие решения по проблеме вращения.
Тем не менее, задача по созданию кумулятивного снаряда, стабилизируемого вращением, остается актуальной до сих пор [1]. Кумулятивные
снаряды находятся на вооружении всех стран мира (рис. 92).
Существенной областью массового применения вращающихся кумулятивных снарядов являются снаряды для авиационных автоматических
пушек калибром от 27 до 42 мм. В снарядах такого калибра применение
оперения практически невозможно. Об актуальности этого вопроса свидетельствует и доклад Ralph Mazeski на Joint Services Small Arms Symposium,
Exhibition and Firing Demonstration, Event 061 в августе 2000 г. о разработке прототипа вращающегося кумулятивного снаряда калибра 25 мм.
147
Рис. 92. Американский кумулятивный снаряд М830А1 для 120 мм пушки
танков М1А1 и М1А2, стабилизируемый оперением. Разработка велась
с начала 1980-х гг., в 1994 г. он был принят на вооружение
В середине 1940-х гг. Волрах (Vollrath) [111] установил, что для кумулятивных зарядов с конической облицовкой кумулятивной выемки
снижение величины бронепробития происходит гораздо сильнее, чем для
кумулятивных зарядов с полусферической облицовкой. В то же время, абсолютная величина бронепробития не вращающихся кумулятивных зарядов
с конической облицовкой значительно выше, чем с полусферической. Эти
результаты долгое время в значительной мере влияли на то, что скорость
вращения кумулятивных зарядов не превышала 10 оборотов в секунду.
Исследованиями факторов, влияющих на снижение величины бронепробития кумулятивных зарядов при вращении, занималось и занимается
значительное количество ученых во всем мире. Основываясь на работах
советских ученых, систематизированных в работе Ф.А. Баума, Л.П. Станюковича и Б.И. Шехтер [110], укажем эти основные факторы.
Основной механизм снижения бронепробития вращающихся кумулятивных зарядов заключается в ее значительном радиальном разлете под
действием центробежных сил.
148
Величина бронепробития кумулятивного заряда зависит от угла раствора кумулятивной облицовки, диаметра и высоты кумулятивной облицовки, скорости вращения, материала облицовки и т. д.
Увеличение диаметра кумулятивной облицовки приводит к увеличению
снижения величины бронепробития при вращении. Если в статических
условиях увеличение высоты облицовки в два раза приводит к увеличению глубины пробития в 1,55 раза, то вращение кумулятивного заряда со
скоростью 20 000 об/мин существенно уменьшает величину пробития. Если при высоте облицовки, равной 1, снижение пробития составляет не
многим более 30 %, то при высоте облицовки, равной 2, снижение пробития составляет значительно больше 50 %.
Эффект меньшего снижения бронепробития «низких» кумулятивных
облицовок по сравнению с «высокими» позднее был использован в некоторых разработках [111]. На сегодняшний день во всех известных кумулятивных вращающихся снарядах с «низкой» облицовкой величина бронепробития не превышает двух калибров снаряда.
Впервые, по-видимому, принцип компенсации эффекта вращения
в кумулятивных зарядах с помощью так называемых «рифленых» кумулятивных облицовок был упомянут Thomanek во время Великой Отечественной войны и опубликован им значительно позднее [52].
В США R. J. Eichelberger с сотрудниками в 1950 году подал заявку на
патент на кумулятивную облицовку с рифами, позволяющую частично
компенсировать эффект вращения (рис. 93). Патент был опубликован
в 1973 г. [112].
После Великой Отечественной войны были проведены подробные исследования таких кумулятивных зарядов, позволяющих частично компенсировать эффект вращения при скоростях вращения до 1 800–
12 000 об/мин [12].
Оптимизация параметров рифленой 60-градусной конической облицовки диаметром 50 мм была рассмотрена в работе Коча (А. Koch) для
16 рифов и скоростей вращения до 12 000 об/мин [113]. Максимальная
149
величина пробития такого заряда составила около 4 калибров при скорости вращения около 1 800 (300) оборотов в минуту. Следует отметить,
что такая скорость вращения является недостаточной для обеспечения
стабилизации полета боеприпаса с помощью вращения.
Рис. 93. Кумулятивные облицовки с компенсацией эффекта вращения
Существенно, что величина бронепробития для вращающихся кумулятивных снарядов с применением рифленых кумулятивных облицовок
зависит от дальности стрельбы, поскольку скорость вращения снаряда
с дальностью полета немного изменяется, а компенсация эффекта вращения в данном методе осуществляется для узкого диапазона скоростей
вращения. Так, изменение скорости вращения всего на 5–7 % от величины, необходимой для стабилизации снаряда в полете, приводит к двукратному уменьшению бронепробития.
Известно, что, например, снаряд М789 (рис. 94), используемый в боекомплекте пушки М230 вертолета АН-64 «Апач» в калибре 30 мм, имеет
эффективность не более 50 мм RHA на дальности 2 500 м при нулевом угле встречи с преградой или 25 мм при угле соударения 50 градусов на
дальности 500 м [114]. В снаряде используется медная 50-градусная кумулятивная облицовка.
150
Рис. 94. Кумулятивный снаряд М789, стабилизируемый вращением
На 11-м симпозиуме по баллистике, в работе [115] был сделан теоретический прогноз об эффекте вращения для кумулятивных зарядов с облицовкой с анизотропией механических свойств, за счет анизотропии
ее текстуры.
Эффект влияния нарушения анизотропии в облицовке претензионных
зарядов на их бронепробитие при скоростях вращения, характерных для
противотанковых ракет и ПТУР (около 600–1 200 об/мин), был рассмотрен Хельдом (M. Held) [116].
В табл. 6 приведены результаты испытаний двух типов кумулятивных
зарядов: с облицовкой, полученной по стандартной (СF) Шведской методике холодной штамповки (Swiss cold forming), и с помощью «антивращающей» (SF) раскатки материала облицовки. Диаметр облицовки составлял 150 мм, скорость вращения заряда – 600 об/мин.
Таблица 6
Метод изготовления
облицовки
SF
CF
Величина пробития, в единицах калибра,
на различных фокусных расстояниях
1,5 калибра
12 калибров
6,2
8,4
5,4
6,5
По предложенному Хельдом методу SF были изготовлены 80-мм кумулятивные заряды и было исследовано влияние скорости вращения
(в пределах 1 200 об/мин) на величину бронепробития. Был сделан вывод
151
о том, что на коротких фокусных расстояниях предложенный метод компенсации эффекта вращения для претензионных кумулятивных зарядов
позволяет улучшить бронепробитие на 15 %, а на больших фокусных расстояниях – до 30 %. Таким образом, компенсация вращения кумулятивного заряда может быть проведена с помощью изменений в кристаллографической текстуре в процессе схлопывания облицовки.
В докладе Ralph Mazeski из US Army TACOM-ARDEC на Joint Services Small Arms Symposium, Exhibition and Firing Demonstration, Event 061
в августе 2000 г. приведены результаты разработки прототипа вращающегося кумулятивного снаряда калибра 25 мм [117] для станковых гранатометов (рис. 95).
Рис. 95. Кумулятивный снаряд для станковых гранатометов
В кумулятивном заряде использовалась высокая кумулятивная облицовка из серебра, скорость вращения снаряда составляла 21 000–
28 000 об/мин. Такой снаряд обеспечивал пробитие по броне средней
твердости не многим более 2 калибров при таком же фокусном расстоянии.
152
Обращает внимание на себя малая скорость вращения снаряда, недостаточная для полной стабилизации снаряда. Кроме того, вызывает сомнение возможность использования серебра в качестве материала облицовки.
В начале 1970-х гг. под руководством профессора В.Ф. Минина были
начаты экспериментальные исследования, направленные на решение проблемы вращения в кумулятивных зарядах [1, 68, 89, 97]. Были рассмотрены, в частности, следующие основные направления исследований:





применение фокусирующего сопла;
стабилизация кумулятивных струй магнитным полем;
выбор материала кумулятивной облицовки;
полилайнерные кумулятивные системы;
эффект стабилизации кумулятивных струй в трубках.
В апреле 1975 г. под руководством В.Ф. Минина были начаты экспериментальные исследования взаимодействия кумулятивной струи с фокусирующими соплами. Первые опыты были направлены на изучение взаимодействия пластин, метаемых взрывом, с соплом. Использовались заряды ВВ типа ТГ 40/60 длиной 50 мм и общим весом 54 грамма. Первоначальная конфигурация сопла представляла собой конус с диаметром входного отверстия 20 мм и диаметром выходного отверстия 6,5 мм. Угол раствора конуса 70 градусов. Все полученные кратеры имели низкоскоростной характер с диаметром входного отверстия 10 мм. После оптимизации
такой системы глубина пробития возросла до 50 мм [118].
Одновременно проводилось изучение взаимодействия кумулятивной
струи с соплом [68] (рис. 96). Снижение величины бронепробития для кумулятивного заряда, вращающегося со скоростью 50 000 об/мин, по сравнению со статическими условиями, составило около двух раз. Но резерв
оптимизации этой схемы еще не исчерпан.
Модификацией кумулятивного заряда был кумулятивный заряд с намагниченным соплом. Его применение позволило усилить эффект стабилизации кумулятивной струи вращающегося заряда (рис. 97).
153
а)
б)
Рис. 96. Вращающийся кумулятивный заряд с соплом (а)
и фотография сопла с остатками песта (б)
а)
б)
Рис. 97. Рентгенограммы кумулятивных струй для вращающихся зарядов
с магнитным соплом (а) и соплом без магнитного поля (б)
154
В период 1977–78 гг. были проведены исследования по стабилизации
кумулятивной струи вращающихся кумулятивных зарядов с помощью
специальных методов демпфирования радиальных компонент скорости.
В частности, профессором В.Ф. Мининым было предложено использование намагниченной кумулятивной облицовки для стабилизации кумулятивной струи «схлопывающимся» магнитным полем. Другим методом,
аналогичным, по сути, эффектом было достигнуто увеличение бронепробития вращающегося кумулятивного заряда калибра 50 мм с угловой скоростью 40 000 об/мин на 30–35 %.
В середине 1970-х гг. В. Ф. Минин экспериментально обнаружил эффект устойчивого движения кумулятивной струи в трубках (рис. 98). Так,
после движения в трубке длиной 1 700 мм и диаметром 8 мм, установленной соосно с кумулятивным зарядом диаметром 60 мм, наблюдалось пробитие преграды более 2 калибров кумулятивного заряда. Позднее [119,
120] этот эффект был использован для стабилизации кумулятивной струи
и получил достоверное объяснение.
Выбором формы сечения трубки возможно управлять формой сечения
кумулятивной струи (рис. 99).
Движение кумулятивной струи в трубках было использовано и для
улучшения качества кумулятивной струи вращающихся кумулятивных
зарядов. Например, в одних из первых опытов при использовании кумулятивного заряда диаметром 30 мм с алюминиевой облицовкой и трубки
диаметром 4 мм при угловой скорости 70 000 об/мин наблюдалось сквозное пробитие преграды толщиной 60 мм. Диаметр выходного отверстия
в преграде составил 2,3 мм. Модификация схемы кумулятивного заряда
с трубкой позволило получить в калибре 30 мм пробитие около 70 мм при
угловой скорости вращения около 50 000 об/мин. При этом диаметр кратера увеличился примерно в два раза.
155
Рис. 98. Преграда и трубки различной кривизны
после пролета кумулятивной струи
В начале 1980-х гг. под руководством профессора В.Ф. Минина были
проведены исследования по изучению влияния выбора материала кумулятивной облицовки на бронепробитие вращающихся кумулятивных зарядов [68, 89, 97].
156
Рис. 99. Движение кумулятивной струи в трубке квадратного сечения
Так, кумулятивный заряд с «обычной» конической облицовкой из
специального материала в калибре 30 мм при скорости вращения около
70 000 об/мин обеспечивал сквозное пробитие преграды, установленной
под углом 60 градусов и толщиной 25 мм. При этом диаметр выходного
отверстия в преграде составлял около 20 мм. О запреградном действии такого кумулятивного заряда можно судить по следующим данным: поле
осколков на расстоянии около 600 мм за преградой располагалось в окружности диаметром около 200 мм, а фанерный лист, установленный за
преградой на расстоянии около 1 м, загорался. Насколько известно авторам, вращающиеся кумулятивные заряды с такими характеристиками в то
время не были известны в мире.
Все эти методы в той или иной степени позволяли улучшить бронепробитие вращающихся кумулятивных зарядов, а также регулировать
диаметр кратера в преграде в достаточно широких пределах. Однако абсолютная величина бронепробития на превышала для вращающихся кумулятивных зарядов величины, равной 2,5–3 калибра.
Исследования физики формирования кумулятивной струи в условиях
вращающихся кумулятивных зарядов, проводимые В.Ф. Мининым с начала
1970-х гг., позволили ему предложить, а затем и обосновать гипотезу механизма снижения величины бронепробития. Исследования этого механизма
157
позволили ему предложить специальные полилайнерные системы для
вращающихся кумулятивных зарядов.
Уже 23 февраля 1972 г., впервые в мире, были реализованы вращающиеся кумулятивные заряды калибром 40 мм (а позднее калибрами 30 мм
(70 000 об/мин), 60 мм (30 000 об/мин) и 120 мм (15 000 об/мин)) с величиной бронепробития более 4 калибров (рис. 100).
Рис. 100. Фрагмент записи из рабочей тетради В.Ф. Минина
Насколько известно авторам, это уровень в мире не превзойден до сих
пор. Есть основания надеяться, что дальнейшие улучшения такого заряда
приведут к полному решению проблемы вращения в кумулятивных зарядах.
158
Глава 3. ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ ВРАЩЕНИЯ
КУМУЛЯТИВНЫХ И ГИПЕРКУМУЛЯТИВНЫХ ЗАРЯДОВ
Модельные эксперименты. Известно, что пробивное действие вращающихся кумулятивных зарядов существенно меньше, чем не вращающихся [110]. С повышением угловой скорости вращения кумулятивного
заряда отрицательное влияние вращательного движения на эффективность
пробития увеличивается. Это объясняется тем, что в силу закона сохранения момента количества движения, элементы струи будут иметь угловую
скорость, определяемую моментом количества движения соответствующего элемента облицовки относительно мгновенной оси вращения при его
схлопывании. При этом вводится допущение, «что в момент формирования пест и струя составляют единое целое и, следовательно, имеют одинаковую угловую скорость» [110, с. 418–419]. Так ли это?
Рассмотрим формирование кумулятивной струи в модельном эксперименте при соударении осесимметричной сжимаемой облицовки толщиной 2 мм под полным углом раствора 90 градусов, выполненной из алюминия с горизонтальной скоростью 4 км/с и радиальной скоростью 3 км/с,
направленной к оси симметрии задачи. Постановка задачи приведена на
рис. 101. Исследования будем проводить в форме вычислительного эксперимента [121].
Материал облицовки сжимается при движении среды под заданными
скоростями. Из-за возникшей области высокого давления и плотности на
оси симметрии, наибольшая часть массы вещества продолжит движение
в противоположном направлении заданной горизонтальной скорости (влево) и образует низкоскоростное тело – пест. Существенно меньшая часть
материала облицовки, близкая к ее внутренней поверхности, обтекая область высокого давления и плотности вблизи области его соударения
на оси симметрии задачи, развернется на значительный угол и создаст
159
тонкую кумулятивную струю, движущуюся в направлении заданной горизонтальной скорости (направо). Масса вещества, идущая в пест и струю,
определяется углом раствора облицовки, который, в свою очередь, определяет координату области высокого давления на оси симметрии. Чем
меньше угол раствора облицовки, тем тоньше поток материала облицовки
формирует струю, и тем ближе к внутренней поверхности облицовки находится область высокого давления. И наоборот, с увеличением угла раствора уменьшается поток материала в пест и увеличивается в струю, а при
угле 90 градусов величины потоков в пест и струю одинаковы.
4 км/с
3 км/с
Рис. 101. Образование кумулятивной струи в модельном эксперименте
и график распределения плотности материала вдоль оси симметрии задачи
На момент времени, равный 0,65 мкс после соударения материала облицовки на ее оси симметрии, образовалась тонкая кумулятивная струя
и сформировалась область повышенной плотности и соответственно давления (см. рис. 101). Максимальная плотность материала облицовки на
оси симметрии задачи более 4 г/см3. Эта область выделена на рис. 101. бо160
лее светлым цветом. Плотность материала струи, указанной координатором, составляет 2,67 г/см3. Это меньше нормальной плотности алюминия.
Необходимо заметить, что повышенная плотность материала также есть
и в основании кумулятивной струи: она сначала больше 2,9 г/см3, но затем
быстро уменьшается и устанавливается на уровне 2,67 г/см3.
На рис. 102 приведены изоуровни плотности материала сформированной струи в диапазоне 2,700–2,646 г/см3 на момент времени 2,354 мкс.
В области, указанной координатором, плотность материала струи равна
2,660 г/см3. Максимальная плотность материала в области струеобразования 3,591 г/см3. На рис. 102 более темным цветом выделены области с пониженной плотностью в материале песта и струи.
Рис. 102. Распределение плотности материала по оси симметрии кумулятивной струи и в ее поперечном сечении на момент времени 2,354 мкс
С течением времени плотность материала струи устанавливается до
величины, немного меньше нормальной плотности материала облицовки.
Пониженная плотность материала струи регистрируется всегда как в многочисленных вычислительных экспериментах, так и в физических экспериментах и при исследовании образцов элементов струи, уловленных при
натурном эксперименте, в виде отдельных пор внутри нее (рис. 103).
161
Рис. 103. Несплошности «типа пор» в уловленном элементе
кумулятивной струи (Х1000)
Пониженная плотность материала регистрируется как после спада ее
после сжатия, так и в теле кумулятивной струи. Это понижение плотности
в природе реализуется в виде дефектов «типа пор», которые также появляются в разных местах в струе и при взрывном физическом эксперименте.
Но если бы кумулятивный заряд вращался, то, несмотря на пониженную плотность материала возникающей струи и существенно пониженную плотность песта в месте их сочленения, струя, из-за малого момента
инерции, возможно, составляла бы с пестом единое целое. И, возможно,
вращалась бы с угловой скоростью песта, если бы прочность материала
струи была большой и не позволила бы провести разрушение соединения
струи с пестом энергией вращения, несмотря на большой градиент угловой скорости между тонкой струей и массивным пестом.
Энергия вращения определяется квадратом угловой скорости и моментом инерции струи. Но с течением времени увеличиваются максимальный радиус струи и ее длина, растут угловая скорость и момент
инерции, зависящие от текущего внутреннего радиуса облицовки, возрастает энергия вращения. Поэтому можно утверждать, что всегда найдется
такой момент при взрыве вращающегося заряда, когда градиент угловой
162
скорости между пестовой частью и струей произведет разрушение струи
за счет скручивания и последующего разброса ее материала в этой зоне
центробежными силами.
Учитывая, что плотность кумулятивной струи меньше плотности
в области песта, разрушение произойдет именно в основании кумулятивной струи, так как пониженная плотность струи свидетельствует о пониженной прочности ее материала.
Важным моментом является процесс передачи момента количества
движения песту и струе. Для того, чтобы проследить, как это происходит,
модифицируем предыдущий модельный эксперимент (рис. 104), разделив
облицовку на две части: внутреннюю – тонкую, толщиной всего 0,25 мм
и толстую, толщиной 1,75 мм, так что вместе они будут составлять 2 мм,
как и в предыдущей задаче.
Рис. 104. Течение материала облицовки в струю и пест.
Показаны Vr скорости течения
Из приведенных на рис. 104 результатов следует, что кумулятивная
струя формируется из внутреннего слоя облицовки и материал этого слоя
втекает в струю. Заметим, что при вращении угловая скорость материала
струи будет расти с увеличением текущего радиуса облицовки.
163
На рис. 104 легко проследить течение материала облицовки в пест
и струю. Течение в пест носит спокойный характер, оно, как и положено,
формируется из внешней части облицовки. Течение в струю происходит
только из внутреннего слоя облицовки с разворотом потока в области
большого давления и плотности, изменяя направление вектора скорости.
Необходимо заметить, что течение материала облицовки в струю
происходит в более тонком слое, чем выделенный нами. Выделенный слой
для индикации течения в струю по толщине оказался велик.
Таким образом, в случае вращения кумулятивного заряда, момент количества движения передается струе течением внутреннего слоя облицовки, а в пест – толстым внешним слоем облицовки. Момент количества
движения этого пестового слоя также будет меняться, но в меньшей мере,
а течение происходит без разворота потока. В момент разворота течения
из облицовки в струю будет наблюдаться наибольший градиент угловой
скорости. При вращении заряда угловые скорости в области образования
тонкой кумулятивной струи и толстого песта будут разными. Они могут
быть одинаковы только в случае чрезвычайно большой прочности струи
и малого момента ее инерции. Тем не менее, в начале процесса, когда
диаметр и длина струи малы, а отличие угловых скоростей струи и песта
также мало, не происходит разрушения струи малой длины за счет реально существующей некоторой прочности материала струи и малого
момента ее инерции. Толстый пест всегда обеспечивает свою прочность
на скручивание.
В экспериментах по пробиванию мишеней вращающимися зарядами
исследователи всегда замечали, что существует хотя бы малое компактное
пробивание по центру мишени, с последующим разбросом пробивания
частицами струи по ее поверхности.
Таким образом, необходимо учитывать прочность материала струи
в процессе взрыва, вращающегося кумулятивного заряда, и в частности,
на сопротивление его кручению.
164
Экспериментально это утверждение о роли прочности кумулятивной
струи было представлено М. Хельдом в работе [116], который экспериментально показал, что изменение текстуры материала кумулятивной облицовки позволяет повысить пробитие для прецизионных вращающихся
кумулятивных зарядов на 15 % на малых фокусных расстояниях и до 30 %
на больших расстояниях. Однако это справедливо только для небольших
угловых скоростей, порядка 10–20 оборотов в секунду. Эти экспериментальные исследования убедительно показывают существенное влияние
прочности струи на эффект пробивания преграды вращающимся кумулятивным зарядом.
Действительно, исследование величины пробития вращающихся зарядов, в зависимости от их угловой скорости, проведенные различными
авторами, показали, что при малых оборотах вращение не влияет или мало
влияет на пробитие мишени, но начиная с некоторых оборотов, оно начинает быстро уменьшаться [110]. Существенное влияние вращения заряда
на пробиваемость мишени кумулятивной струей, естественно, определяется также максимальным диаметром облицовки [110].
Кумулятивный вращающийся заряд. Учитывая, что кумулятивная
струя формируется из тонкого внутреннего слоя материала облицовки,
уместно учитывать диаметр облицовки через максимальную линейную
скорость ее внутренней части. Этот параметр будет характеризовать критическую линейную скорость вращения, выше которой пробитие мишени
будет существенно уменьшаться. Он же зависит от самого материала, его
свойств, текстуры, изотропности, анизотропии и т. д., но главным параметром все же является максимальная линейная скорость внутренней части
облицовки. Эта область малого влияния вращения на пробивание преграды существует при линейной скорости, определенной экспериментальным
путем, и не превышает 15–17 м/с для наиболее применяемых в кумуляции
материалов, таких, как хорошо очищенная медь и рафинированное очищенное железо. Для других материалов ее придется устанавливать экспериментальным путем. Но для практической деятельности такая скорость
очень мала. Например, для стабилизации в полете 60 мм заряда требуется
165
угловая скорость порядка 30 000 об/мин или 500 об/с. Такая угловая скорость вращения соответствует линейной скорости более 94 м/с, что в 6 раз
превышает допустимую линейную скорость.
Обеспечить такую скорость без уменьшения эффективности пробивания преграды можно только кумулятивным зарядом с внутренним диаметром облицовки всего 10 мм. Но такая облицовка не может осуществить
поставленную перед ней цель – пробить более 250 мм твердой стали.
Используя рекомендации патента РФ 2412338 [90], можно создать
кумулятивный заряд с дополнительными телами в виде параллельного
тандема [122, 123], но с удлиненными облицовками, работающими под
углами, меньшими 180 градусов, когда заряд работает в классической области кумуляции, формируя тонкую и длинную струю. В заряде можно использовать основную облицовку в виде тонкостенной трубки внутренним
диаметром, например, 10 мм, из которой образуется кумулятивная струя
при максимальной линейной скорости 15–17 м/с и со вспомогательной облицовкой преимущественно из тяжелого материала, например, железа,
свинца, тантала и др. в виде конуса или другого тела вращения, с максимальным диаметром около 60 мм для кумулятивного заряда диаметром
60 мм. Вспомогательная облицовка управляет силовыми и временными
нагрузками на основную облицовку. На рис. 105 приведен такого рода заряд, решающий проблему вращения при угловой скорости 30 000 об/мин.
Кумулятивный заряд состоит из заряда ВВ, вспомогательной и основной облицовок, дна-формирователя, корпуса. Назначение дна-формирователя – повысить горизонтальную максимальную скорость кумулятивной струи.
Вспомогательная облицовка может быть изготовлена как из материала большей плотности, чем материал основной облицовки, так и из материала меньшей плотности. Вершина вспомогательной облицовки должна
находиться на расстоянии от внешней поверхности основной облицовки.
Этот разгонный зазор обеспечивает более высокое давление при схлопывании основной облицовки из меди и совместно с дном-формирователем
может обеспечивать максимальную скорость головной части струи.
166
1 2
3
4 5
6
7
8
Рис. 105. Кумулятивный заряд, пробивающий преграду с параметрами по
эффективности пробития невращающего заряда:
1 – инициатор; 2 – продукты детонации; 3 – заряд ВВ; 4 – донышко-формирователь
из тантала, 5 – донышко-формирователь из железа; 6 – основная облицовка из меди;
7 – вспомогательная облицовка из железа; 8 – железный корпус
На рис. 106 показано формирование медной кумулятивной струи в момент времени, равный 14,6 мкс после инициирования заряда. Сформировалась медная кумулятивная струя с максимальной скоростью около 9 км/с.
Рис. 106. Образование кумулятивной струи на время 14,6 мкс с начала детонации заряда. Приведены изолинии радиальной скорости Vr
167
Между вспомогательной облицовкой и основной медной начинает
возникать промежуточная радиальная кумулятивная струя из материала
облицовок с меньшей плотностью (в нашем случае железа). Эта фотография представляет поле Vr скоростей. Поэтому можно судить о потоке материала медной облицовки в кумулятивную струю и медную часть песта.
При вращении кумулятивная струя будет также образовываться только из
материала медной облицовки c максимальной внутренней линейной скоростью вращения, не превышающей критическую. Такой вращающийся
кумулятивный заряд сохраняет свою эффективность при вращении.
На время 23,8 мкс процесс образования кумулятивной струи близок
к окончанию, сформированы боковые струи со скоростью Vz = 3,76 км/с,
которые разлетаются по радиусу со скоростью Vr = 0,64 км/с (рис. 107).
Кумулятивная струя со скоростью 2 км/с отрывается от тяжелого большого песта, двигающегося с меньшей скоростью.
Рис 107. Процесс завершения образования кумулятивной струи
и боковых кумулятивных струй на момент времени 23,8 мкс
На медной части песта, при передаче энергии вспомогательной облицовки основной, образуются волны, которые хорошо видны после избирательного стравливания железа с песта, возникающие без вращения
и с вращением (рис. 108).
168
Рис. 108. Волны на поверхности медного песта
Такого типа заряд, взорванный с вращением с угловой скоростью
30 000 об/мин, пробивает твердую стальную преграду на глубину более
4 диаметров его корпуса. Характер пробоины не отличается от формы
пробоины обычного кумулятивного невращающегося заряда (рис. 109).
Рис. 109. Типичная форма кратера для вращающегося кумулятивного заряда
На рис. 110 приведен вращающийся заряд, также предназначенный
для работы в условиях вращения, но в отличие от предыдущего он имеет
больший угол раскрыва вспомогательной облицовки, у него нет торцевого
дна-формирователя и применена упрощенная форма крепления основной
трубчатой облицовки. Она закреплена между вспомогательной облицовкой
и массивной белой пробкой. На рис. 111, 112 последовательно показано
развитие процесса образования кумулятивной струи во времени.
169
Рис. 110. Постановка задачи
Рис. 111. Процесс образования кумулятивной струи во времени, 9,4 мкс
Рис. 112. Процесс образования кумулятивной струи во времени, 20 мкс.
Показан график плотности материала по центру струи. Координатор указывает пониженную плотность по оси симметрии струи
и плотности частиц материала промежуточной струи
170
Эти заряды являются прототипами для решения проблемы вращения.
Но их геометрические параметры при экспериментальной оптимизации
путем непосредственного взрыва во вращении должны уточнятся. Мы не
можем использовать математические модели для вращающихся зарядов,
так как их просто нет. Поэтому окончательная доводка кумулятивных зарядов при вращении производилась путем проведения физических экспериментов.
Действие центробежных сил изменяет параметры схлопывания вспомогательной облицовки и других узлов заряда. Облицовка становится
«тяжелее» в сильной зависимости от ее радиуса. Однако после проведения
необходимой экспериментальной работы эти параметры были в значительной мере определены.
Внешний вид облицовки для вращающегося кумулятивного заряда
приведен на рис. 113. Основная облицовка закреплена на приведенном рисунке одним концом. Второй конец также должен быть закреплен некоторой
диафрагмой, обеспечивающей выход воздуха из полости между вспомогательной облицовкой и основной во время их сжатия. Закрытие выхода воздуха из полости вспомогательной облицовки расстраивает процесс струеобразования и может снизить величину пробития преграды до 50 % и более.
Рис. 113. Внешний вид основной медной облицовки
и ее возможного крепления в кумулятивном заряде
Основная облицовка может быть покрыта некоторым активным веществом, например, целлулоидом (динитроклетчаткой), абсолютно инертным
171
в обычных условиях веществом, которое при больших давлениях (при соударениях вспомогательной облицовки с основной) разлагается как
взрывчатое вещество. Возникающая газовая прослойка уменьшает передачу момента количества движения от вспомогательной облицовки к основной. Это влияет на эффективность пробивания преграды.
Момент количества движения вращающегося обычного заряда изменяется во времени со скоростью детонации ВВ, сжимающего вспомогательную кумулятивную облицовку. В нашем заряде он передается основной, струеобразующей облицовке гораздо медленнее. Cначала момент
количества движения преобразуется более медленно сжимающейся тяжелой и прочной облицовкой при ее сжатии. Причем на элементе ее длины
возникает разность угловых скоростей и скручивающие моменты, утилизирующие в тепло часть энергии вращения, компенсируются прочностью
облицовки. И только при соударении с основной облицовкой она передает
ей давление сжатия, а потом, после прихода сдвиговой волны, и кручения.
Необходимо заметить, что вспомогательная облицовка в зависимости от
ее геометрии и материала в процессе закручивания может терять устойчивость, например, в сечении в области закрутки она может принимать форму эллипса, тогда основная облицовка может генерировать два элемента
кумулятивной струи. Такой факт наблюдался и при нашем физическом
эксперименте и описанном в литературе [110].
Казалось бы, момент количества движения всегда будет передан от
вспомогательной облицовки к основной. Несомненно, это происходит, но
не одновременно с образованием медной кумулятивной струи, а спустя
некоторое время после образования участка кумулятивной струи в основной облицовке, вращающейся с докритической линейной скоростью. Все
дело в том, что в момент соударения облицовок сжатие распространяется
со скоростью звука в материале, а вращение – со сдвиговой скоростью,
которая почти в два раза меньше нее. Очередной элемент струи образуется опять без влияния на него сдвиговых моментов облицовки – сигнал
о вращении приходит позже образования очередного элемента струи.
172
Кроме этого, передача момента количества движения связана с процессами, происходящими на границе этих облицовок: проскальзыванием,
образованием неусточивостей на границе различных материалов, сваркой
их и образованием волн и промежуточных кумулятивных струй. Это происходит за малые времена в локальной области струеобразования. После
образования струи момент количества движения в полной мере распространяется на всю правую область течения за струей, не включающую
в себя уже образованный участок кумулятивной струи. Энергия кручения
приходится на массивный пест и переходит в тепло. При проведении экспериментов было замечено, что после взрывов вращающихся зарядов,
весьма массивные песты, получающиеся от таких зарядов необычайно
сильно нагреты.
На рис. 114 приведены изолинии Vr скоростей при сжатии вспомогательной и основной облицовки в процессе образования кумулятивной
струи.
Рис. 114. Выделенные изолинии Vr скоростей при сжатии вспомогательной и основной облицовки в процессе образования кумулятивной струи
Из рис. 114 видно, что течение внутри основной облицовки (линии тока
в этот момент перпендикулярны изолиниям Vr скоростей) сосредоточено
в тонкой области внутри облицовки. Кроме того, области сжатия во вспомогательной облицовке и основной разделены временным и пространственным промежутком, что косвенно подтверждает наше предположение.
173
И самое главное, все сказанное подтверждается физическими экспериментами по пробиванию преграды, которое близко по эффективности пробивания ее невращающимися, обычными кумулятивными зарядами. При
этом следует заметить, что процесс усовершенствования такого рода зарядов не закончен, он только начался. И есть вероятность, что полученные
результаты могут быть значительно улучшены.
Таким образом, можно заключить, что основная причина разрушения
кумулятивной струи происходит за счет разрушения ее кручением и разбрасывания разрушенных ее частей, центробежными силами. Причем, определяющим параметром является прочность струи, зависящая от ее материала и диаметра кумулятивной облицовки. Конечно, мы не рассмотрели
многие другие факторы, как, например, неустойчивость сжатия вращающейся облицовки при ее закручивании, приводящая к возникновению двух
(а возможно, и более) кумулятивных отрезков струй, и другие эффекты.
Гиперкумулятивные вращающиеся заряды. Как хорошо известно,
в классических кумулятивных зарядах с увеличением угла раствора кумулятивной облицовки растет диаметр кумулятивной струи (но уменьшается
ее максимальная скорость) и уменьшается масса песта [110]. Увеличение
диаметра кумулятивной струи существенно увеличивает прочность струи
и она (при некоторых углах раствора кумулятивной облицовки) не разрушается при вращении. Увеличение угла раствора облицовки кумулятивных зарядов уменьшает влияние вращения. Поэтому широкоугольные облицовки использовались для борьбы с вращением. Так, например, в патенте [86] использовалась толстая 120-градусная облицовка, которая при
вращении 105 мм снаряда со скоростью 300 об/с пробивала преграду толщиной 160 мм с входным отверстием 30 мм и выходным отверстием
20 мм. Без вращения заряд пробивал 170 мм брони.
При вычислительном эксперименте это выглядит следующим образом
(рис. 115). Заряд находится в корпусе с кумулятивной облицовкой из железа типа «армко», толщиной 7 мм. Напротив помещена стальная преграда
из стали 12Х18Н10Т толщиной 50 мм.
174
1
2
3
4
Рис. 115. Постановка задачи:
1 – заряд ВВ; 2 – железная облицовка; 3 – корпус; 4 – мишень
Проследим за формированием кумулятивной струи в процессе пробивания мишени без вращения и получения входного диаметра мишени при
ее пробивании. В процессе формирования кумулятивной струи увеличивается угол раствора кумулятивной облицовки за счет более быстрого движения центральной области формирования кумулятивной струи по сравнению
с периферийными участками облицовки. Течение материала облицовки переходит через угол 180 градусов (рис. 116) и в дальнейшем становится
больше 180 градусов с изменением характера кумулятивного течения, приводящим к увеличению массы струи и уменьшению массы песта (рис. 117).
Рис. 116. Момент перехода угла раствора облицовки через 180 градусов,
20 мкс после детонации заряда
175
Рис. 117. Течение материала облицовки после увеличения ее угла схождения
материала облицовки на ось симметрии заряда более 180 градусов, 48 мкс
При течении материала облицовки под углом, большим 180 градусов,
формируется массивная струя и тонкий пест. В струе существует градиент
скоростей, под действием которого она растягивается, приобретая клиновидную форму. На рис. 118 показан момент подхода такой струи к мишени. Для облегчения счета, продукты детонации плотностью, меньшей чем
0,3 г/см3, не влияющие на процесс развития струи, убраны.
Рис. 118. Форма кумулятивной струи, сформированная из широкоугольной
облицовки перед началом пробития мишени, 98 мкс
Таким образом, при габаритах реального снаряда, на реальном фокусном расстоянии установлена стальная мишень, толщина которой мала –
50 мм, но из-за ограничений вычислительного комплекса мы не можем
увеличить ее. Однако нам известен диаметр пробоины и мы можем сравнить его с экспериментом.
176
На рис. 119 приведен момент решения задачи перед окончанием пробития мишени. Величина пробития, определенная из вычислительного
эксперимента, дает максимальный диаметр пробоины 32 мм против экспериментального 30 мм. Учитывая ограниченный размер мишени, можно
считать совпадение результатов вполне хорошим.
Рис. 119. Пробивание мишени. Диаметр пробоины 32 мм, 170 мкс
Таким образом, такого рода заряды обладают пробиванием, практически независимым от вращения, но малые максимальные скорости струи
(Vz = 4–4,5 км/с) не могут растянуть ее в полете, что и приводит к малой
глубине пробивания. Решением этой проблемы может быть увеличение
максимальной скорости такого рода струй и использование прочных кумулятивных струй большого диаметра, не разрушаемых при вращении.
Создание кумулятивного заряда с дополнительными телами позволяет реализовать это [90, 122, 123]. Максимальную скорость струи такого
вида зарядов и дополнительно ее прочность при кручении струи можно
существенно увеличить в соответствии с рекомендациями патента [90].
Увеличение прочности материала кумулятивной струи, формирование
толстых струй с большими максимальными скоростями и применение
анизотропных облицовок [90] позволяет решить «проблему вращения»,
причем имеется возможность выбирать, на какие пробоины нужно проектировать кумулятивный заряд: либо тонкие и длинные, либо заданной
длины, но большого диаметра.
177
Рассмотрим более подробно модельный и более рафинированный, упрощенный процесс формирования скоростного тела – кумулятивной массивной струи в задаче – схлопывании осесимметричной облицовки с углом раствора, большим 180 градусов, с точки зрения устойчивости такого
тела к действию вращения. Чтобы проследить фазы течений при формировании кумулятивной струи – высокоскоростного массивного тела и тонкого песта – струи, двигающейся в направлении, противоположном движению массивной струи, будем производить этот эксперимент с высоким
разрешением по времени и пространству. Прежде всего, нас интересует
распределение материала облицовки из алюминия, идущего на пробивание
преграды в «струю» и не участвующего в пробитии – «пест». Для этого
внутреннюю поверхность алюминиевой конической облицовки покроем
тем же алюминием толщиной 0,25 мм, но выделенным другим цветом. Это
не совсем корректно, но качественно позволяет судить о распределении материалов. Такой эксперимент с увеличением в 8 раз представлен на рис. 120.
1
2
Z
1
3
2
Рис. 120. Схлопывание облицовки под углом, большим 180 градусов:
1 – график плотности; 2 – график давления, 3 – график Vz скорости
Из этого эксперимента следует, что в точности так же, как и в классической кумуляции (см. рис. 104), материал внутренней части облицовки
идет в кумулятивную струйку с отрицательной скоростью (пест), в то
178
время как массивное тело с гигантским импульсом образуется почти из
всего материала облицовки – толстого внешнего слоя облицовки и способного пробивать преграду (струя).
Следует обратить внимание на тот факт, что кумулятивная струйкапест, идущая в отрицательном направлении Z, образуется с разворотом
потока вблизи области высокого давления и плотности на оси симметрии
и с изменением направления составляющей вектора скорости Vz потока на
180 градусов и в точности так же, как и в классической кумуляции, имеет
пониженную плотность и дефекты плотности, которые понижают прочностные свойства этой «струйки-песта». Разворот потока с созданием большого градиента угловой скорости в области «струйка-пест» и будет предметом разрушения этой струйки при вращении. Компактная область разворота потока, в сущности, составляет основание «струйки», на рис. 121, а
она выделена более светлым полукружием, в котором скорости течения
меняют знак и происходит разворачивание потока, а на рис. 121, б приведены на тот же момент времени выделенные изолинии Vr, к которым перпендикулярны линии тока в этот момент времени, что также характеризует течение в этой области. Важно понять, в какой области течение меняет
знак. Для этого выделена область с минимальными скоростями Vz = 0
и Vz = –0,1 км/с (рис. 121, б). Разворот потока осуществляется в весьма
тонкой области. По видимому, в сравнимой по объему области будет осуществляться и высокий градиент угловой скорости вращения струи.
а)
б)
Рис. 121. Разворот течения материала облицовки при ее схлопывании на
оси симметрии задачи: а) изолинии скорости Vz; б) изолинии скорости Vr
179
В то же время мощный скоростной поток вещества, в котором составляющая вектора скорости Vz не меняет своего знака, плавно образует из
материала облицовки скоростное тело – пест-струю, пробивающую преграду. Он достаточно далеко находится от области высокого давления, которое не сжимает поток, и плавно увеличивает скорость материала облицовки. В случае вращения этого заряда плавное распределение угловой
скорости вдоль длины струи существенно облегчает борьбу с крутящими
моментами, способными разрушить такую струю. Прочностные силы при
большом диаметре струи не позволяют сделать это. При достаточно равномерном распределении энергии вращении вдоль струи и ее большого
диаметра с целью увеличения глубины пробивания мишени возможно
растяжение струи без ее разрушения. Широкий диапазон изменения параметров струи при схлопывании облицовки под углами 180 и больше градусов дает возможность конструирования различных вращающихся зарядов, имеющих преимущество перед другими зарядами.
Например, заряд диаметром 30 мм, построенный по схеме параллельного тандема (см. рис. 105), создает классическую тонкую кумулятивную
струю и пробивает при вращении в нормаль, при 60 000 об/мин, прочную
стальную плиту на глубину 120 мм. Но диаметр отверстия на выходе пробоины составляет около 2 мм и не представляет практической ценности.
В то же время, заряд диаметром 30 мм, с использованием дополнительного
тела, обеспечивающего схлопывания облицовки под углом, большим
180 градусов, пробивает прочную стальную листовую мишень толщиной
25 мм, установленную под углом 60 градусов, с отверстием 20  10 мм,
при оборотах более 60 000 в минуту, что может оказаться более полезным
для практики.
Мы рассматривали модели кумулятивного течения, рафинировав их
от различного рода деталей. Рассмотрим один из невращающихся кумулятивных зарядов. В этом заряде сохраняются основы рассмотренных модельных течений, которые на основании многочисленных экспериментов,
проведенных в разных странах в середине прошлого века и рассмотренных выше, хорошо работают и при вращении [110]. Общим недостатком
180
таких зарядов является малая максимальная скорость массивной кумулятивной струи, что устраняется зарядами, выполненными по патенту [90],
и отражено в работах [122, 123]. На рис. 122 представлен один из такого
рода зарядов. Заряд имел диаметр 42 мм с кумулятивной облицовкой из
меди в виде конической усеченной поверхности толщиной 2,5 мм и угол
раствора менее 90 градусов.
1
2
3
4
Рис. 122. Постановка задачи:
1 – инициатор; 2 – заряд ВВ; 3 – дно-формирователь из тантала; 4 – облицовка из меди
Этот заряд имеет толстую облицовку и отличается от обычных кумулятивных зарядов тем, что вершина его облицовки покрыта тяжелым
и тонким дополнительным телом-формирователем. Дно-формирователь не
дает возможности возникновения обратной кумулятивной струйки, сообщает элементам облицовки дополнительную скорость Vz и изменяет весь
процесс струеобразования. В начале процесса, учитывая большую толщину облицовки (при диаметре заряда 42 мм толщина медной облицовки
2,5 мм) и угол раствора, меньший 90 градусов, кумулятивный заряд начинает формировать кумулятивную струю, как в классическом режиме,
а затем переходит в режим гиперкумуляции с образованием толстой кумулятивной струи, близкой по форме к изображенной на рис. 117, которая
обеспечивает достаточную прочность струи вращающегося заряда. В начале
появления струи она имеет короткую классическую стадию образования.
181
Но и при классическом режиме образования кумулятивной струи его работа также изменяется под действием формирователя за счет дополнительной компоненты скорости Vz и образования пика давления в начале
процесса вблизи поверхности тяжелого формирователя, что также приводит к расширению потока вещества, идущего в кумулятивную струю
и увеличения ее диаметра (рис. 123).
1
2
Рис. 123. Поле течения материала заряда на момент времени 6,2 мкс
после детонации заряда и графики:
1 – скорости Vz; 2 – давления при зарождении кумулятивной струи
По графику скорости Vz на рис. 123 видно, что как и в модельных
экспериментах, в начале процесса формирования кумулятивной струи
возникает отрицательная струйка, но тяжелый надвигающийся на нее
формирователь-дно изменяет характер течения и отрицательная струйка в
дальнейшем исчезает. В момент соударения схлопывающейся облицовки
максимальное давление, которое является причиной образования кумулятивной струи, находится не вблизи внутренней свободной поверхности
облицовки, как это происходит в классической кумуляции, а вблизи тяжелого и движущегося в направлении образования кумулятивной струи
182
формирователя. Создается область, в которой в струю поступает от облицовки большая часть материала, чем в сторону песта. С течением времени
угол раствора облицовки увеличивается.
График скорости Vz вдоль оси R показывает, почему меняется угол
сжимающейся облицовки и почему он переходит 180-градусную границу
(рис. 124). На этом графике видно, что скорость центральной области –
узла струеобразования больше скорости внешних частей облицовки. Она
уходит вперед, а внешняя часть облицовки отстает и изменяет угол облицовки в сторону его увеличения.
1
2
3
3
1
2
3
Рис. 124. Переход течения через угол 180 градусов. Максимальная
скорость струи равна 7,295 км/с. Графики:
1 – плотности; 2 – давления; 3 – скорости Vz
Это демонстрирует рис. 124, где угол раствора облицовки достиг
180 градусов и продолжает увеличиваться дальше, становясь больше
180 градусов, когда масса струи интенсивно возрастает.
При переходе через угол 180 градусов характер течения изменяется
и большая часть массы облицовки идет в струю. По сравнению с классической тонкой струей, это уже весьма прочное тело. Плотность в струе
меняется плавно от 9,7 г/см3 до нормальной. Но в ее носовой части
наблюдается дефект плотности – небольшая область пониженной плотно183
сти. Этот кусочек струи может быть подвержен разрушению вращением,
хотя к этому времени разность угловых скоростей будет минимальной,
а сама кумулятивная струя будет только упрочняться из-за увеличения
толщины облицовки и перемена течения ее в направление струи происходит без разворота потока.
Более того, даже некоторое количество материала облицовки, набранное пестом, будет снова переходить в кумулятивную струю, и пест
будет уменьшать свой объем. При угле 180 градусов поступление материала в пест и струю было бы одинаковым, если бы формирователь не
произвел своей работы, и в струю поступило больше, чем в пест. Пик давления еще больше удалился от струи и при угле 180 градусов находится
в равном удалении от струи и невыраженного песта – области струи, двигающейся с относительно малой скоростью. На рис. 125 процесс образования струи практически заканчивается, образовался небольшой пест, которым мы называем область, двигающуюся со скоростью меньше километра
в секунду, и струя с большей скоростью практически того же диаметра.
1
2
1
2
Рис. 125. Процесс окончания формирования кумулятивной струи.
Диаметр струи, указанный координатором, равен 12 мм, а скорость
Vz = 1,635 км/с. Графики:
1 – плотности; 2 – скорости Vz
184
При времени 23 мкс процесс формирования кумулятивной струи
практически закончился. Но осталась часть облицовки, которая не влилась
в струю. Этот заряд не имел корпуса и край облицовки получил скорости
Vz и Vr весьма малой величины – меньшей сотни метров в секунду, поэтому процесс их движения в этой стадии весьма медленный.
Чтобы увидеть эволюцию струи за большее время, на рис. 126 приведена кумулятивная струя этого заряда, снятая с меньшим разрешением, но
на поле длиной 200 мм. На время 41,8 мкс струя имеет максимальный
диаметр 9 мм и минимальный диаметр 4 мм. В конце струи есть мини-пест
и в этой области осталась часть облицовки, которая движется с малой радиальной и горизонтальной скоростью. Этот заряд был без корпуса. Поэтому эти скорости облицовки получили недостаточную энергию от взрыва и малы.
Рис. 126. Кумулятивная струя на время 41,8 мкс
Введение тонкого алюминиевого корпуса увеличивает энергию, передаваемую облицовке.
На рис. 127 представлен тот же заряд в 2 мм алюминиевом корпусе,
а на рис. 128 – кумулятивная струя на то же время, что и для заряда без
корпуса – 41,8 мкс.
185
Рис. 127. Постановка задачи
Рис. 128. Форма кумулятивной струи, 41,8 мкс
Как мы видим, весь материал облицовки ушел на образование кумулятивной струи и введение корпуса привело к более эффективному использованию облицовки. Толщина струи увеличилась на 1 мм.
На рис. 128 видно некоторое серое тело, которое «прилипло» к струе.
Оказалось, что это капля алюминиевой облицовки, которая случайно оторвалась от корпуса в процессе взрыва и прилетела к кумулятивной струе.
Более того, в этом любопытном факте, капля сжимает медную кумулятивную струю и меняет скорость на этом участке струи. Приведем кадр решения более раннего времени, где можно видеть удивительный полет этой
капли и определить ее характеристики (рис. 129). Чтобы видеть контрастно ее на рисунке, выведены изолинии скорости Vz. Оказалось, что эта капля с плотностью 2,7 г/см3 обладает скоростью Vz 2,34 км/с, скоростью Vr –
скоростью сближения с кумулятивной струей – 0,45 км/с.
186
Рис. 129. Взаимодействие частей корпуса кумулятивного заряда
со струей, 28,2 мкс
Такого рода заряды будут не зависеть или слабо зависеть от их вращения, а проведенный натурный физический эксперимент с такого рода
зарядом в диаметре 30 мм подтверждает это. Заряды, созданные по этой
технологии, имеют толстые, а значит и прочные струи, энергия вращения
практически (и, конечно угловые скорости) достаточно равномерно распределяется по их длине. Образование струй проходит в соответствии с хорошо проверенным физическим экспериментом и процессами по устойчивости к вращению широкоугольных облицовок, где проверена устойчивость таких зарядов к вращению.
Принцип, заложенный в конструкцию такого рода зарядов [90], позволяет в широкой области регулировать параметры кумулятивной струи,
максимальные скорости Vz, толщины струй, образование их частично
с разворотом потока или без него, а применение анизотропии материалов
существенно влияет на пластичность и прочность материалов и другие
свойства кумулятивной струи.
187
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе рассмотрена и проанализирована история развития кумулятивных зарядов и устройств на их основе. Перспективы развития кумулятивных зарядов связываются с новой, ранее не известной, обширной областью кумуляции – гиперкумуляции, в которой решены или приближены к
окончательному решению, следующие проблемы.
Установлено, что в процессе образования кумулятивной струи на облицовку можно воздействовать дополнительными телами или дополнительными вспомогательными зарядами и изменять динамические, кинематические и другие ее параметры. Это воздействие дополнительных тел
и зарядов делает процесс получения кумулятивной струи управляемым
и многопараметрическим. Обычные, классические кумулятивные заряды
пополняются семейством гиперкумулятивных и комбинированных кумулятивных зарядов. В исследованном диапазоне применения такого рода
дополнительных тел и зарядов:
 повышается энергия кумулятивной струи не менее, чем в 4–5 и более раз, только за счет увеличения ее массы. За счет привлечения массы
дополнительных тел, в том числе в параллельных тандемах, и увеличения
максимальной скорости кумулятивной струи энергия кумулятивной струи
может быть еще больше. Это позволяет получить объем пробиваемого кумулятивной струей канала пропорционально увеличению энергии и не
менее чем в 4–5 раз больше, чем производят лучшие кумулятивные заряды ведущих фирм мира;
 струя в гиперкумулятивном процессе становится не тонкой проволокой, а телом, которое имеет форму;
 впервые, в многочисленных физических экспериментах, показано
решение «проблемы вращения». Доказано, что глубина пробития преграды
188
вращающимися зарядами, с применением дополнительных тел в (заряд
в виде параллельного тандема) может быть одинакова или близка к невращающимся кумулятивным зарядам, пробивающим более четырех внешних диаметров корпуса заряда (диаметр заряда – 60 мм, скорость вращения – 30 000 оборотов в минуту);
 впервые для увеличения пластических свойств материала кумулятивной струи использованы свойства кристаллов материала облицовки.
Привлечение физики кристаллов в физику кумуляции, создание анизотропных облицовок позволяют обеспечивать увеличение глубины пробивания преграды, устранять сильную зависимость свойств кумулятивной
струи от величины зерна в облицовке, упростить технологию изготовления облицовок, а также дает возможность использования в кумуляции
других, не традиционных для кумуляции материалов, например, сплавов.
Ограниченный объем книги позволил только указать на существование многих проблем и некоторые направления их решения. Надеемся, что
в дальнейшем они будут тщательно изучены.
189
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Минин И.В., Минин О.В. Мировая история развития кумулятивных боеприпасов // Российская научно-техническая конференция «НАУКА. ПРОМЫШЛЕННОСТЬ. ОБОРОНА», Новосибирск; 23–25 апреля 2003 г. – Новосибирск:
НГТУ, 2003. – С. 51–52.
2. Novotney Dave and Mallery Meryl. Historical Development of Linear
Shaped Charge // 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit 8–11 July 2007, Cincinnati, OH. AIAA 2007-5141.
3. Вопросы моделирования и конструирования кумулятивных зарядов /
М.С. Воротилин и др. – Тула: ТГУ, 1999. – 166 с.
4. Минин И.В., Минин О.В. Дифракционная квазиоптика и ее применения. – Новосибирск: СибАГС, 1999. – 306 с.
5. Физика быстропротекающих процессов / Под ред. Н.А. Златина, т. 2. –
М.: Мир, 1971. – 352 c.
6. Kennedy Donald R. History of the shaped charge effect. The first 100 years.
MBB Schorbenhausen, West Germany, 1983. – 130 p.
7. Kline Lt. H. W. The cavity charge, its theory and applications to the opening
of explosive filled ordnance, etc U.S.N.R., Ordnance Investigation Laboratory, Naval
Powder Factory, Indian Head, Maryland, 15 August 1945.
8. Eriksen L.H. The shaped charge / lecture by, Technical Division, Picatinny
Arsenal, 4 April 1947.
9. Birkoff Garrett. Explosives with lined cavities / Garrett Birkoff of Harvard
University, ducan MacDougall of Naval Ordnance Laboratory, Emerson M. Pugh of
Carnegie Institute of Technology, and Sir Geoffrey Taylor, trinity College, Cambridge England; Journ. Of Applied Physics, June 1948. – V. 19. – PP. 563.
10. Evanse W.M. The H.E.A.T., Hollow charge effect: historical and general,
theories of hollow charge collapse, theory of penetration into resisting media. Circa,
1957.
190
11. Kennedy D.R. Select topics on the state of shaped charge art, Conf. «AOA
Bomb and Warhead Section Annual», Naval Weapons Center, China Lake, 19 April
1966.
12. Walters W.P. and Zukas J.A. Fundamental of shaped Charge. – New York,
1988.
13. Боресков М.М. Опыт руководства по минному искусству // Инженерный журнал. – 1871. – Вып. VI. – № 10.
14. Разрушение горных пород взрывом / Н.Р. Шевцов, П.Я. Таранов,
В.В. Левит, А.Г. Гудзь; Под общ. ред. Н.Р. Шевцова: учебник для вузов. – 4-е издание, переработанное и дополненное. – Донецк: ООО «Лебедь», 2003. – 279 с.
15. Советская военная энциклопедия / Гл. ред. Н.В. Огарков. – М.: Военное издательство МО СССР, 1977. – 638 с.
16. Versuche mit Komprimitre Schiessbaumwolle. Max Von Foerster, Chief of
the nitrocellulose factory, Wolff & Co., Germany, Mittler an Son, Publisher, Berlin,
1883.
17. Max Von Foerster, Van Nostrands. Experiments with compressed gun cotton // Engineering magazine, Jule-December 1884, vol. 31. – Plates I and II. –
pp. 113–119.
18. Heinz Feiwald, Gatow. The history of hollow charge effect of high explosive charges // German Academy of Aviation Research, 15 September 1941.
19. George B. Clark. Secret of the shaped charge // Ordnance Magazine, JuleAugust 1948, pp. 49–51.
20. Charles E. Monroe. On certain phenomena produced by the detonation of
gun cotton / Newport Natural History Society, Proceedings 1883–1888, Report № 6,
1888.
21. Charles E. Monroe. Wave-like effects produced by the detonation of gun
cotton // American Journal of science (Silliman) 36, 1888, pp. 48–50.
22. Charles E. Monroe. Modern explosives // Scribner’s Magazine, New York,
Vol. III, January Jule 1888, pp. 563–576.
23. Charles E. Monroe. Exclusive Document N 20, 53rd Congress, 1st Session,
Washington D.C.
24. Charles E. Monroe. The applications of explosives // Popular Science
Monthly, 1900, pp. 300, pp. 455.
191
25. Patent DRP-Anmeldung W36269, Procedures for the manufacture of explosive charges / Westfalisch-Anhaltische Sprengstoffe A. G., 14 December 1910 in
Zeitschrit fur das gesamte Schiess und Sprengstoffwesen 6, 1911, pp. 358.
26. Patent N 28030 (UK) to Westfalisch – Anhaltische Sprengstoff – Actien –
Gesellschaft (WASAG) of Berlin, Improvement in explosive charges or bodies, Germany, 12 December 1911.
27. Neumann Egor. New hollow bodies of high explosive substances. Darmstadt, Germany, Zeitschrift fur Das Gesamte Schiess-Und Sprengstoffwesen, N 10,
pp. 183-7, 15 May 1914.
28. The new German detonator by Schulze. Bernh. Bomborn, Zeitschrift f. d.
ges. Schiess. und Sprengstoffwesen, 16, 1921, pp. 177.
29. Marshall Arthur. Explosives – their manufacture, properties test and history.
Chemical Inspector, Indian Ordnance Department, Pub. J&A Churchill, London,
1915, pp. 321.
30. Marshall A. The detonation of hollow of charges // Journ. Of Society Chem.
Ind., 1920, Vol. XXCXIX. – N 3. – pp. 33T.
31. Сухаревский М.Я. Техника и снабжение Красной Армии // 1925. –
№ 170. – С. 13–18; № 177. – С. 13–18; Война и Техника // 1926. – № 253. –
С. 18–24.
32. Patent 1.534.012 Unity State «Percussion Fuzes» / Charles P. Watson, приоритет от 22 сентября 1921 года, опубл. 27 августа 1923 года.
33. Lodati C. An explanation of the explosive of hollow blocks of compressed
TNT / Milan, Italy, Giornale di chim. Ind. Ed. Appl., Vol. 14, 1931, pp. 130.
34. Wood R.W. Optical and physical effect of high explosives / Johns Hopkins
University // Proc. of the Royal Society of London, 1936, Vol. 157A. – pp. 249–261.
35. Paymen W., Woodhead D.W. Explosion Waves and shock waves, v.-the
shock wave and explosion products from detonating high explosives // Proc. of the
Royal Society of London, 1937. A, Vol. 163.
36. Neumann M. Some highly brisant explosives / Wittenberg, Germany, Zeitschritt fur Angewandte chemise, 24 November 1911, pp. 2233–2240.
37. Patent N 249630, Method for construction of explosive blocks / WASAG,
Berlin, Germany, 22 Jule 1912.
38. Proposed method to detonate explosive charge. A. Stettbacher, Zeitschrift
f.d. ges. Schiessund Sprengstoffwesen, N 10, 1915, pp. 16.
192
39. Spreng-und Zundstoffe. H. Kast, Braunschweig, published by Vieweg &
Son, 1921.
40. Detonators and Initiatirs. M. Lupus. Zeitschr. f.d. gesamte Schiess. U.
Sprengstoffwesen, 20, 1925, pp. 83.
41. Blasting and high explosives. S. Stettbacher, publ. by J. A. Barth, Leipzig,
1933, 2nd, Ed. 1933, pp. 51.
42. Paymen W., Woodhead D.W., Titman H. Explosion Waves and shock
waves, II, The shock wave and explosion products sent out by blasting detonators.
Proc. of the Royal Society of London, No A 865, Vol. 148, 1935, pp. 604.
43. Progress in explosive techniques, 4, Ignition and explosive effects, particularly in mining explosives, Erweiterter Sonderdruck aus der Zeitschrift
«Nitrozellulose» 29, Publ. by Pansegrau, Berlin, Wilmersdorf, 1936/37.
44. Майер В.В. Кумулятивный эффект в простых опытах. – М.: Наука,
1989. – 190 с.
45. Franx Rudilf Thomanek. Meine Holladungs-Aktivitaten, for periods 19321935, 1938-1945, 1957-1969 and 1975-date, 10 March 1978.
46. Schardin Hubert. Development of the shaped charge, publ. in Wehrtechnische Herte, 1954, Herft 4.
47. Патент Венгрии № 134378 от 9 декабря 1943 года. «High explosive
charge» Carl Brandmayer Franz Rudolf Thomanek.
48. Cities Patent N 113 685, 27 November 1940. «An improved explosive projectile», Patent, commonwealth of Australia, assigned to Berthold Mohaupt, Henry
Mohaupt, Eric Kauders of France.
49. US Patent N 2 419 388 for «Projectile» / Henry H. Mohaupt, 22 April 1947,
originally filed 3 October 1941.
50. US Patent N 2 974 595 for «Projectile» / Henry H. Mohaupt, filed 11 September 1947, a continuation of a 1942 application.
51. Aerospace Ordnance Handbook / ed. By Frank B. Polland and Jack H. Arnold, Jr., Chap. 11 «Shaped Charges and Warheads» by Henry H. Mohaupt, publ.
PrenticeHall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, Library of Congress N 6619781.
52. Thomanek F.R. «Die Hohladung» // Jahrbuch der Wehrtechnik, Folge 1968,
V. 3. – рр. 76–82.
193
53. Donald R. Beeman. Shaped Change-Armor Nemesis / formerly the director
of engineering, Pictinny Arsenal, National Defense, May-June 1978, pp. 561.
54. Ramsey W.H. The Big Bazooka, Ordnance, 1951, Vol. 35. – pp. 638.
55. Torrey V. Bazookas Grandfather // Popular Science Monthly, 1945, V. 146. –
pp. 65.
56. Третьяков Г.М. Боеприпасы артиллерии. – М.: Воениздат, 1947.
57. The Encyclopedia of Weapons of Word War II / General Editor Chris Bishop – Barnes JkNoble Books, N.Y., 1998, 544 p.
58. Col James E. Mrazek. The Fall of Eben Emal, 1970.
59. Покровский Г.И. Боевое применение направленного взрыва. – М.,
1944. – 72 с.
60. Вернидуб И.И. На передовой линии тыла. – М.: ЦНИИНТИКПК, 1994. –
728 с.
61. Вернидуб И.И. Боеприпасы Победы: очерки. – М.: ЦНИИНТИКПК,
1998. – 200 с.
62. British Army Operational Study Report, Record of Foreign Weapons and
Equipment, Vol. 1, USSR.
63. Introduction to the Theory of Underwater Explosions, de Chemical Physical
Research Institute of German Navy, Kiel, 1945. Nraslated by David Taylor Model
Basin, 1948, AD 125686.
64. Ordnance Department US Army Picatinny Arsenal. Lecture by
L.H. Eriksen Technical Division, 4 apr. 1947 «The Shaped Charge».
65. «Nihon Rikugun No Himitsu Heiki» by Yoshio Kobashi.
66. «Maboroshi No Himitsu Heiki» by Jiro Kimata.
67. «Japanese Explosive Ordnance», TM 9-1985-4, TO 39B-1A-11. – Departments of the Army and the Air Force, 16 March 1953.
68. Минин И.В., Минин О.В. Физические аспекты кумулятивных
и осколочных боевых частей. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. – 84 с.
69. Снитко К.К. Боеприпасы артиллерии бывшей Германской армии. – М.,
1946.
70. Kennedy D.R., Throner G.C. Studies of Damage to Aircraft by shaped
Charges at Lond Standoff, NOTS, Chine Lake / NAVORD Rept. 2018, based on
NOTS Technical Memorandum N 443, 20 August 1951.
194
71. Варенышев Б.В. Военно-инженерная подготовка. – М.: Военное издательство МО, 1982.
72. Explosives with lined cavities / Birkhoff G., Mc Dougall D., Pugh E., Tailor
G. // Journ. of Appl. Phys. – 1948. – Vol. 19. – P. 563–582.
73. Лаврентьев М.А. Кумулятивный заряд и принцип его работы // Успехи
математических наук. – 1957. – Т. ХII. – Вып. 4. – С. 41–56; Лаврентьев М.А.
Основы теории кумулятивных зарядов и их бронебойного действия // Изв. арт.
акад. – 1948. – Т. 56. – С. 46–91.
74. Вицени Е.М. Кумулятивные перфораторы, применяемые в нефтяных
и газовых скважинах. – М.: Недра, 1971. – 144 с.
75. Coldwell B., Poulter F. The Development of Shaped Charge for Oil Well
Completion // Journ. Petrol. Tech., 1957, N 1.
76. Патент США № 3726224 «Fluted liners for shaped charges»,
R.J. Eichelberger, et al. 23 августа 1950 года, опубл. 10 апреля 1973 года.
77. Рекламный проспект фирмы Messerschmitt-Bolkow-Blohm, Defense
Systems Group.
78. Dehority G. «Some Effects of Reduced Atmospheric Pressure on Hypervelocity Fragment Beams», NOTS China Lake / G. Dehority, D. Kennedy, et al., US
NOTS Technical Memorandum N 1465, 29 May 1953.
79. Особенности развития отечественных противотанковых ракетных
комплексов // Техника и вооружение. – 2000. – № 9. – С. 30–39; № 10. – С. 16–24.
80. ПТРК 9К11/9К14 «Малютка» [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
btvt.narod.ru/4/sagger.
81. 9К14 «Малютка-2» [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
airwiki.org/weahjn/aat/malutka2.
82. Немчинов И.В. Излучательные свойства ударных волн в газах // Прикладная механика и теоретическая физика / И.В. Немчинов, М.А. Цикулин,
И.Ф. Жариков. – 1967. – № 1. – С. 31.
83. Цикулин М.А., Попов Е.Г. Излучательные свойства ударных волн в газах. – М.: Наука, 1977. – С. 197.
84. А.С. (СССР) № 272611. Е.Г. Попов, М.А. Цикулин. Высокотемпературный импульсный излучатель, 1968.
195
85. Тришин Ю.А. Новые способы получения кумулятивных струй // Гидродинамика высоких плотностей энергии. – Новосибирск: Изд-во Ин-та гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, 2004. – С. 446–460.
86. Патент Англии № 1604010. Усовершенствования в кумулятивных боеприпасах, 1973 год.
87. Perin J. «AMX-30 Firepower – the “Obus G” HEAT round» // IDR, 1972,
pp. 86, 89.
88. Whertechnic, 1976, № 4, p. 42.
89. Минин В.Ф. Дисс. на соиск. уч. ст. д.т.н. – Новосибирск: Ин-т прикладной физики СО АН СССР, 1982. – 307 с.
90. Патент РФ № 2412338, МПК Е43/117, F42B1/02. Способ и устройство
(варианты) формирования высокоскоростных кумулятивных струй для перфорации скважин с глубокими незапестованными каналами и с большим диаметром / Минин В.Ф., Минин И.В., Минин О.В.; заявл. 07.12.2009; опубл.
20.02.2011, Бюл. № 5. – 46 с.
91. Патент Франции, № 23195447. Усовершенствованный кумулятивный
снаряд, 1976 год.
92. Patent US N402271. Armor-piercing tandem shell or projectile / KarlWilhelm Bethmann, 1978.
93. Geiger W., Honcia G. «Shaped Charges with Pyramidal Liners» // Third
Int. Symp. On Ballistics, Karlsruhe, W. Germany, 1977.
94. Van Thiel M., Godfrey C.S. Generalized Shaped-Charge: Advanced System I
(an Overview of the 1976-77 Physics Design Program) // Report UCRL-52536, Lawrence Livermore Lab., August, 1978.
95. Hydrocode Computations and Experimental Investigations of Explosive
Staged Shaped Charge Device / Crance F.I., Golaski S.K., Scott B.R. // Fifth Int.
Symp. On Ballistics, Toulouse, France, 1980.
96. Быков Ю.Ф., Лоршина Т.Е. Разработка материалов для беспестовых
порошковых облицовок кумулятивных зарядов // Вестник МГТУ, сер. Машиностроение. – 1994. – № 1. – С. 25–31.
97. Минин И.В., Минин О.В. Институт прикладной физики: научные школы и технологии. – НГТУ, 2006. – 398 с.
98. Оружие и технологии России. ХХI век / под ред. C. Иванова. – М.:
Изд. дом «Оружие и технологии». – 2006, т. 12. – С. 233–234.
196
99. Широкорад А.Б. История авиационного вооружения. – Харвест, 1999. –
560 с.
100. Энциклопедия. XXI век. Оружие и технологии России / под ред. министра обороны РФ С. Иванова. – 2005, т. 10.
101. А.Б. Широкорад. Энциклопедия Отечественного ракетного оружия
1817–2002. – М.: АСТ, 2003. – 544 с.
102. Увеличение глубины пробития стальной преграды зарядом с предварительно нагретой кумулятивной облицовкой / В.В. Кореньков, А.С. Обухов,
В.Г. Смеликов // Двойные технологии. – 1999. – № 4.
103. А.С. (СССР) № 1508938, Устройство для формирования плазменного
плазменного факела / В.Ф. Минин, И.В. Минин, О.В. Минин и др., приор.
15.04.87.
104. I.V. Minin, O.V. Minin. Analytical and computation experiments on
forced plasma jet formation // Proc. of the Int. Symp. On Intense Dynamic Loading
and its effect. – Chengdu, China, Jule 9-12, 1992, p. 588–591.
105. Principle of the forced jet formation / V.F. Minin, I.V. Minin, O.V. Minin //
Int. Workshop «Air Defense Lethality Enhancements and higt Velocity Terminal Ballistics», 29 Sept. – 1 Oct. 1998, Freiburg, Germany, p. 299–305.
106. Пат. РФ N 2063606, Кумулятивный боеприпас / Воротилин М.С., Гвоздев А.Е., Сазонов Д.Ю., Трифанова Л.Н., Чуков А.Н.
107. Manuel G. Vigil. Design of Largest Shaped Charge: Generation of Very
Large Diameter, Deep Holes in Rock and Concrete Sructures // SANDIA REPORT,
SAND2003-1160, April 2003, 120 p.
108. Патент России № 2303232, Кумулятивный заряд / Титоров М.Ю., 2007.
109. Новые модели и задачи теории кумуляции / А.Н. Голубятников,
С.И. Зоненко, Г.Г. Черный. // Успехи механики. – 2005. – № 1. – С. 31–93.
110. Физика взрыва / Ф.А. Баум, К.П. Станюкович, Б.И. Шехтер. – М.:
Наука, 1959. – 800 с.
111. Vollrath «Zum Einflub des Dralles aur die Durchschlagsleistung von
H-Geschosse» / Vollrath, M. Heitzmann und H. Schardin. Institut fur Ballistik an der
Technischen Arademie der Luftwaffe, Berlin – Gatow, Report 11/43 – 1943.
112. US Panent 3726224. Fluted liners for shaped charges / Pugh, M. Emerson, R. J. Eichelberger, 1950.
197
113. A. Koch «Study of Spin-Compensated Shaped Charge» / A. Koch,
P. Jaggi, W. Jaun, F. Haller. // Proc. of the 19th Symp. on Ballistics, 2001, p. 1501–
1508.
114. FM 1-140 chapter 5 [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
www.fbo.gov./spg/USA/USAMC/DAAA09/W52P1J08R0171/listing.html
115. P.C. Chou and S.B. Segletes. «Jet Rotation Resulting from Anisotropy of
Shape Charge Liners», 11th Symp. on Ballistics, Brussel, WM 5/1 – 10, 1989.
116. M. Held. Spinning Jet from Shaped Charges with Flow Turned Liners //
Proc. of the 12th Int. Symp. on Ballistics, Vol. 3, 1990.
117. Ralph P. Mazeski (US Army TACOM-ARDEC). Objective Crew Served
Weapon (OCSW) Ammunition // 2000 Joint Services Small Arms Symposium, Exhibition and Firing Demonstration, Event 061, August 28–31, 2000.
118. Минин И.В., Минин О.В. Инвариантные характеристики взаимодействия ударников с коническими мишенями // Cб. трудов НВИ, Новосибирск. –
2000. – Вып. 9. – С. 60–64.
119. Modelling of a hypersonic astrotrain running in an evaluated tube / V.F.
Minin, I.V. Minin, O.V. Minin // 18th Int. Symp. on Space Technology and Science,
May 17-23, 1992, Kagoshima, Japane.
120. The possibilities of Stabilization compact jet in the Tubts / V.F. Minin,
I.V. Minin, O.V. Minin // Proc. Int. Workshop on Air Defense Lethality Enyacements
High velocity Terminal ballistics, 29 Sept. – 1 Oct. 1998, Freiburg, Germany, p. 313–
318.
121. Calculation experiment technology / V.F. Minin, I.V. Minin,
O.V. Minin // Computational fluid dynamics. Technologies and applications / ed. By
I.V. Minin, O.V. Minin, Croatia- InTech, 2011, 396 p. – pp. 3–28
122. Физика гиперкумуляции и комбинированных кумулятивных зарядов. Часть 1 / В.Ф. Минин, И.В. Минин, О.В. Минин // Нефтегазовые технологии. – 2011. – № 12. – С. 37–44.
123. Физика гиперкумуляции и комбинированных кумулятивных зарядов. Часть 2 / В.Ф. Минин, И.В. Минин, О.В. Минин // Нефтегазовые технологии. – 2012. – № 1.– С. 13–25.
198
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .............................................................................................................. 3
Глава 1. Кумулятивные заряды, первые 150 лет............................................. 5
Глава 2. Проблема вращения в кумулятивных зарядах ............................. 147
Глава 3. Физические аспекты проблемы вращения кумулятивных
и гиперкумулятивных зарядов ...................................................................... 159
Заключение...................................................................................................... 188
Библиографический список........................................................................... 190
199
Научное издание
Минин Игорь Владиленович
Минин Олег Владиленович
КУМУЛЯТИВНЫЕ ЗАРЯДЫ
Редактор Е.К. Деханова
Компьютерная верстка Л.Н. Шиловой
Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997.
Подписано в печать 04.09.2013. Формат 60 × 84 1/16.
Усл. печ. л. 11,62. Тираж 500 экз. Заказ 104.
Гигиеническое заключение
№ 54.НК.05.953.П.000147.12.02. от 10.12.2002.
Редакционно-издательский отдел СГГА
630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10.
Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА
630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 8.