Кумулятивная струя¶

Кумулятивная струя — это направленный поток продуктов взрыва и обжатого материала облицовки кумулятивной выемки, движущийся с высокой скоростью (до 10 км/с и более) и обладающий высокой плотностью энергии. Явление лежит в основе действия кумулятивных боеприпасов, предназначенных для пробития толстой брони, бетона и других преград. Кумулятивная струя образуется в результате схлопывания конической или полусферической металлической облицовки под действием детонационной волны.

¶Физика процесса

¶Формирование струи

При подрыве заряда взрывчатого вещества (ВВ) с кумулятивной выемкой детонационная волна, распространяясь от точки инициирования, последовательно нагружает облицовку. Под действием давления, достигающего десятков гигапаскалей, облицовка теряет прочность и ведёт себя как идеальная несжимаемая жидкость. Материал облицовки начинает течь к оси симметрии заряда, где происходит его столкновение. В результате столкновения часть материала выбрасывается вперёд, образуя высокоскоростную головную часть струи, а оставшаяся часть формирует более массивный, но медленный пест (хвостовую часть).

¶Параметры струи

Ключевые характеристики кумулятивной струи:

• Скорость головной части: от 6 до 12 км/с (зависит от типа ВВ и материала облицовки).
• Скорость песта: 0,5–2 км/с.
• Диаметр струи: от долей миллиметра до нескольких миллиметров.
• Длина струи: может достигать нескольких метров (при растяжении в полёте).
• Температура: до 3000–5000 °C (в зоне контакта с преградой).
• Давление в точке удара: до 10⁶ атмосфер (100 ГПа).

¶Механизм пробития

Пробивное действие кумулятивной струи обусловлено не столько высокой температурой, сколько колоссальным динамическим давлением, которое превышает предел прочности материала преграды. При ударе струя создаёт в преграде кратер, материал преграды ведёт себя как жидкость и вытесняется в стороны. Глубина проникновения (бронепробиваемость) зависит от длины струи, её плотности и плотности преграды. Для типичных кумулятивных боеприпасов бронепробиваемость составляет 5–7 калибров заряда (например, заряд калибра 100 мм может пробить 500–700 мм гомогенной брони).

¶История открытия и развития

¶Ранние наблюдения

Эффект кумуляции (направленного действия взрыва) был впервые описан в конце XVIII века, но практическое применение получил лишь в XIX веке. В 1880-х годах русский инженер М. М. Боресков предложил использовать кумулятивные выемки для направленного взрыва при горных работах. Однако формирование именно высокоскоростной струи из металлической облицовки было открыто позже.

¶Военное применение

В 1930-х годах независимо в СССР (М. Я. Сухаревский, И. А. Лаврентьев) и Германии (Ф. Ридль, Х. Шардин) были разработаны первые кумулятивные боеприпасы. В 1941 году в СССР была принята на вооружение противотанковая граната РПГ-40, а в 1943 году — кумулятивный снаряд для дивизионной пушки ЗИС-3. В Германии в 1942 году появился «Фаустпатрон» (Panzerfaust) — одноразовый гранатомёт с кумулятивной боевой частью.

¶Современное состояние

Сегодня кумулятивные струи используются в широком спектре боеприпасов: от ручных противотанковых гранатомётов (РПГ-7, РПГ-29) до управляемых ракет (ПТУР «Корнет», «Джавелин»), авиабомб и артиллерийских снарядов. Продолжаются исследования по повышению бронепробиваемости за счёт применения облицовок из обеднённого урана, тантала и вольфрама, а также использования тандемных боевых частей (для преодоления динамической защиты).

¶Типы кумулятивных струй

¶Классическая струя

Формируется из конической облицовки с углом раствора 40–60°. Характеризуется высокой скоростью головной части и относительно малой длиной. Обеспечивает пробитие гомогенной брони на глубину 5–7 калибров.

¶Удлинённая струя

Образуется при использовании облицовок с малым углом раствора (менее 40°) или с переменной толщиной стенки. Струя получается более длинной и тонкой, что позволяет пробивать преграды на глубину до 10–12 калибров, но снижает устойчивость струи к возмущениям.

¶Тандемная струя

Используется в тандемных боевых частях, где первая (лидирующая) струя малого калибра предназначена для инициирования динамической защиты (ДЗ), а вторая (основная) струя большего калибра пробивает основную броню. Задержка между срабатыванием двух зарядов составляет несколько десятков микросекунд.

¶Факторы, влияющие на эффективность

¶Материал облицовки

• Медь — наиболее распространённый материал (оптимальное сочетание плотности, пластичности и стоимости).
• Тантал — обеспечивает более высокую плотность струи, но дорог и сложен в обработке.
• Обеднённый уран — обладает высокой плотностью и пирофорностью (самовоспламенение при контакте с броней), что увеличивает заброневое действие.
• Вольфрам — редко используется из-за хрупкости, но в виде сплавов может применяться.

¶Тип взрывчатого вещества

Скорость детонации ВВ должна быть высокой (не менее 7–8 км/с) для обеспечения быстрого схлопывания облицовки. Используются гексоген, октоген, ТЭН и их смеси (например, состав B). В современных боеприпасах применяются пластифицированные ВВ с добавлением алюминия для повышения бризантности.

¶Форма выемки

• Коническая — стандартная форма, обеспечивающая стабильное формирование струи.
• Полусферическая — используется в боеприпасах для создания более широкой, но менее глубокой воронки (например, для бетонобойных снарядов).
• Линзообразная — применяется в тандемных боевых частях для создания струи с переменным сечением.

¶Противодействие кумулятивным струям

¶Динамическая защита (ДЗ)

Представляет собой контейнеры с метательным взрывчатым веществом, расположенные на броне. При попадании кумулятивной струи ДЗ детонирует, выбрасывая металлические пластины навстречу струе, что разрушает её и снижает пробивную способность. Современные ДЗ (например, «Контакт-5», «Реликт») эффективны против большинства кумулятивных боеприпасов.

¶Активная защита (АЗ)

Системы, которые обнаруживают приближающийся боеприпас (радиолокационным или оптическим способом) и поражают его до контакта с бронёй. Например, российский комплекс «Арена» или израильский «Трофи» (Trophy). АЗ способна уничтожить кумулятивную гранату или ракету на расстоянии нескольких метров.

¶Комбинированная броня

Сочетание слоёв стали, керамики, резины и полимеров. Керамические вставки (оксид алюминия, карбид кремния) разрушают струю за счёт высокой твёрдости, а эластичные слои рассеивают энергию. Например, броня британского танка «Челленджер 2» (Chobham armour) эффективно противостоит кумулятивным боеприпасам.

¶Применение в невоенных целях

¶Промышленность

Кумулятивные заряды используются для:

• Перфорации нефтяных и газовых скважин (кумулятивные перфораторы).
• Разрушения бетонных и железобетонных конструкций (при сносе зданий).
• Резки металлических листов и труб (кумулятивные резаки).
• Формирования отверстий в скальных породах (в горном деле).

¶Научные исследования

В физике высоких давлений кумулятивные струи применяются для изучения поведения материалов при экстремальных нагрузках. С их помощью создаются давления, недостижимые в статических экспериментах, что позволяет моделировать условия в недрах планет или при ядерных взрывах.

¶Интересные факты

• Скорость головной части кумулятивной струи может превышать первую космическую скорость (7,9 км/с), что делает её одним из самых быстрых макроскопических объектов, созданных человеком.
• В 1940-х годах в СССР были разработаны кумулятивные заряды, способные пробивать броню толщиной до 200 мм, что было революцией для своего времени.
• Некоторые современные кумулятивные боеприпасы (например, американский Bunker Buster) способны пробивать до 6 метров железобетона.

¶Источники

• Бабкин А. В., Лаврентьев М. А. «Кумулятивные заряды и их применение». — М.: Воениздат, 1955.
• Козлов В. И. «Физика взрыва и удара». — М.: Физматлит, 2005.
• «Энциклопедия вооружений» под ред. Г. В. Новикова. — М.: АСТ, 2001.
• Журнал «Вопросы оборонной техники», серия «Взрывчатые вещества и средства инициирования», выпуски 2010–2020 гг.
• Справочник «Боеприпасы и взрывчатые вещества» (МО РФ, 2018).