Кумулятивный эффект

На картинке — наглядная иллюстрация кумулятивного эффекта, или эффекта Манро: падающая в воду капля пробивает углубление в поверхности, которое затем «схлопывается», выбрасывая вверх струйку воды. Когда дети играют и бьют по воде ладонью, чтобы обрызгать друг друга, они тоже создают кумулятивные струи.

Термин «кумуляция» происходит от латинского cumulatio — «скопление» или cumulo — «накапливаю» и означает увеличение или усиление какого-либо эффекта за счет сложения или накопления однородных с ним эффектов. В физике этот термин характеризует кратковременные процессы (как правило, это взрывы) и подразумевает усиление их в определенном месте или в направлении действия.

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

Теперь представьте, что тем или иным способом нам удалось перераспределить энергию взрыва в пространстве, сделав так, чтобы плотность кинетической энергии в одном направлении была значительно больше, чем в остальных. Таким образом, скорость частиц в этом направлении возрастет, и возникнет струя. Именно этот эффект концентрации энергии в одном направлении и называется кумулятивным, а возникающая при этом струя — кумулятивной струей. Конечно, кумулятивные струи могут возникать не только при взрывах. Важно создать такие условия, когда плотность кинетической энергии движущейся среды быстро возрастает в небольшом объеме. И если этот объем не сферически-симметричен, то возникнет струя.

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

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

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

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

Фото с сайта popmech.ru.

Андрей Алубаев