3.1.2. Кумулятивний ефект і кумулятивні заряди
Вже давно було помічено, що заряд вибухової речовини з виїмкою, зверненої убік перешкоди, має спрямовану дію вибуху, що вм'ятина, утворена таким зарядом у перешкоді, у кілька разів більше, ніж у заряду без виїмки. Було також помічене, що дія такого заряду, що руйнує, виявляється значно сильніше, якщо поверхня виїмки має металеве облицювання. Це явище, що одержало назву кумулятивного ефекту, у роки війни було використано для створення нового виду боєприпасів — кумулятивних снарядів та мін.
У чому ж суть цього явища? Кумулятивним ефектом (від французького слова «cumuler»—нагромаджувати) називається явище, при якому розліт продуктів вибуху (а отже, і їх дія) концентрується в бажаному напрямку. Якщо в заряді вибухової речовини зробити виїмку конусної, параболічної чи напівсферичної форми, то продукти вибуху, розлітаючись з поверхні виїмки, зіштовхуються і змінюють напрямок свого руху; при цьому вони додатково стискуються і рухаються зі збільшеною швидкістю, маючи відповідно підвищену пробивну дію.
Рис. 3.3. Схема формування кумулятивного струменя: 1- положення фронту детонації; 2 – “пест”; 3 – струмінь (“голка”)
На рисунку показано, як поводиться металеве облицювання конічної кумулятивної виїмки при вибуху. Рисунок зроблений на основі знімків, отриманих в окремі моменти за допомогою імпульсної рентгенівської зйомки. Хвиля детонації у вибуховій речовині в даному випадку поширюється зліва праворуч. Під дією надвисоких тисків, що виникають у ній, матеріал облицювання обтискується в напрямку до осі конуса. У результаті з зовнішніх шарів облицювання формується «пест», а з внутрішніх шарів видавлюється «голка» — струмінь металу, що рухається в осьовому напрямку з величезною швидкістю, до 15000 м/с. Саме «голка», хоча її маса в порівнянні з масою «песта» невелика, забезпечує прибивання перешкоди великої товщини. При колосальній швидкості зустрічі і струмінь («голка»), і перешкода поводяться подібно двом рідинам: “рідкий” струмінь впроваджується в “рідку” масу, розштовхуючи її в сторони з великою швидкістю. З придбаної в радіальному напрямку швидкістю матеріал перешкоди продовжує «розповзатися» і після безпосереднього впливу кумулятивного струменя. Тому пробоїна в перешкоді, утворена «голкою», у багато разів перевищує її діаметр. Слідом за «голкою» у пробоїну уривається і частина матеріалу «песта».
Найбільший стиск продуктів вибуху відбувається на деякій відстані від основи заряду. Це відстань тим більше, чим більше кут при вершині виїмки і відповідно стиск продуктів вибуху й швидкість їх менше при більшому куті у вершини виїмки.
Товщина матеріалу, що пробивається, залежить від ефективної довжини струменя, матеріалу облицювання і перешкоди і по формулі Лаврентьєва-Тейлора дорівнює
(1)
де lэф — ефективна частина струменя, що володіє швидкістю не менш тієї, при якій вона здатна впровадитися в матеріал перешкоди;
— відповідні щільності струменя і перешкоди.
Справа в тім, що струмінь має різні швидкості в її головній і хвостовій частинах; тому він поступово розривається на окремі частини, що мають уже недостатні швидкості для прибивання. Цим порозумівається необхідність якоїсь оптимальної відстані від кумулятивного заряду до перешкоди, щоб струмінь досяг перешкоди до свого розриву. В артилерійських і авіаційних боєприпасах ця відстань установлюється повітряним проміжком в оживальной частини, а в зарядах, призначених для інженерних цілей, — відкидними ніжками.