Кумулятивные струи

Опыт Покровского. Профессор Г. И. Покровский проделал следующий опыт. В стеклянную или металлическую пробирку наливается вода и с небольшой высоты (10—20 см) пробирка из вертикального положения падает на стол (рис. 92). Сразу после падения из пробирки вверх выбивается тонкая струя воды высотой свыше метра!

Для объяснения этого эффекта первоначально была выдвинута идея, что при ударе от выпуклого дна пробирки образуется сфокусированная упругая волна, которая и создает струю. Но эта гипотеза не подтвердилась— были сделаны пробирки с плоским и даже вогнутым дном, а эффект формирования струи не исчез.

Качественная картина явления была вскоре выяснена — при ударе свободная поверхность жидкости получает такой импульс, что поднятый из-за смачиваемости ее край мгновенно приобретает конечную скорость, направленную вниз, а центральная часть — скорость вверх (см. рис. 92). Эта средняя часть и образует струю.

В обоих описанных примерах (с бутылкой и с пробиркой) общим является то, что в них энергия концентрируется в определенных направлениях, приводя к образованию тонкой, но сильной струи. Эффекты такого рода называются кумулятивными.

Следует отметить, что указанные эксперименты получили не только качественное объяснение, удалось построить и метод расчета отдельных элементов явления. Ниже мы рассмотрим родственные явления, связанные с подрывом так называемых кумулятивных зарядов. Здесь также удалось получить не только качественное объяснение явлений, но и установить ряд важных для приложений количественных соотношений.

Кумулятивные заряды. Начнем с краткого описания понятия детонации взрывчатых веществ. Представим себе, что в некотором объеме неограниченной упругой среды мгновенно создано большое давление. Тогда по среде побежит ударная волна — поверхность, перед которой среда покоится, а за ней частицы имеют конечную скорость; на самой поверхности имеется скачок давления, плотности и скорости. Если при этом в среде не происходит химических реакций, то с удалением от места возмущения все скачки на фронте волны будут падать. Имеется, однако, много веществ (газообразных, жидких и твердых), таких, что при достижении в каком-либо их месте определенного давления в этом месте происходит химическая реакция с большим выделением тепла. Если по такому веществу пустить ударную волну достаточно большой интенсивности, то сразу за волной будет выделяться энергия, которая питает скачок. При этом, как правило, быстро образуется установившийся процесс, при котором на фронте ударной волны сохраняются величины скачков давления, плотности и скорости, и скорость распространения самой волны также становится постоянной. Вещества, обладающие таким свойством, называются бризантными взрывчатыми веществами, а описанный процесс их превращения — детонацией.

Вот средние данные, относящиеся к наиболее распространенным в технике твердым бризантным взрывчатым веществам (тротил, тэн, гексоген и др.): плотность 1—1,5, скорость детонации 5—10 км/сек, давление за фронтом волны 100—200 тонн/см². Таким образом, эти ВВ превращаются в газ почти мгновенно, а возникающее давление достаточно для разрушения самого прочного материала. При подрыве 100-граммового кубика такого вещества на стальной плите в ней образуется вмятина, гранит дробится.

Чтобы получить представление о кумулятивном заряде, проделаем следующий опыт. На стальной плите толщиной в 20 см разместим шесть цилиндрических зарядов бризантного ВВ одинаковой высоты — 15 см и диаметра — 4 см (рис. 93). Заряды а и б пусть будут сплошными, а остальные имеют коническую выемку со стороны, обращенной к плите; в последних двух зарядах (ди е) в выемку вставлены конусы из стали толщиной

1,5 мм. Заряды а, в и д стоят на плите, а остальные приподняты на полтора диаметра заряда. Инициирование зарядов производится в месте, указанном на рис. 93 буквой А.

На рис. 93 изображено также действие этих зарядов. Обращает на себя внимание необычное — парадоксального характера — увеличение пробивного действия в случае е, когда в заряде имеется выемка, покрытая стальной оболочкой, и заряд удален от пробиваемого тела.

Эффект увеличения бронебойного действия заряда при наличии выемки (заряд в) был открыт еще во второй половине прошлого века и получил название кумулятивного эффекта. Его использование тогда ограничивалось некоторыми техническими задачами в горном деле. Резкое повышение бронебойного действия при введении металлической облицовки выемки было обнаружено несколько позже, а к 1914 г. относится первый патент на использование эффекта в военном деле— создание на его принципе бронебойного снаряда. Однако широкое применение явление кумуляции нашло только в войне 1941—1945 гг. К этому же времени относится и создание теории этого явления. Но первая открытая публикация [7], в которой были изложены основы теории кумулятивного заряда с металлической облицовкой, появилась лишь в 1948 г.; она принадлежит группе ученых во главе с Г. Тейлором и Г. Биркгофом.