Wprowadzenie do teorii balistyki. Charakterystyka podstawowych typów pocisków przeciwpancernych.
Pocisk z ładunkiem kumulacyjnym i pocisk rdzeniowy
Odpowiedzią na wyścig defensywnych zbrojeń była
artyleria przeciwpancerna. Jeszcze w początkach II wojny światowej podstawowym działkiem przeciwpancernym były niewielkie armatki o kalibrach 37-56 mm i stosunkowo niewielkiej zdolności przebijania pancerzy czołgów. Przyjmowało się wtedy, że zdolność przebicia pancerza jest równa kalibrowi działka, czyli działko kaliber 57 mm przebijało pancerz o takiej grubości. Te pierwsze pociski były dość prymitywne: podstawowy profil, opływowy i dość łatwo rykoszetujący na nachylonych powierzchniach pancerza czołgu.
Pierwszą istotną innowacją były
pociski tępogłowicowe, mające opływowy czepiec balistyczny, wykonany z łatwo odkształcającego się metalu, a jego jedynym zadaniem było zmniejszenie oporu powietrza. Pod czepcem znajdował się pocisk właściwy o ściętym wierzchołku, który już tak łatwo nie rykoszetował.
Dalszy rozwój pocisków przebiegał w kierunku dążenia do skupienia energii kinetycznej na możliwie małej powierzchni.
Stąd pojawiły się pociski tzw.
podkalibrowe, które przy kalibrze działa 85 mm miały cienkościenny czepiec balistyczny i rdzeń, wykonany z twardego stopu, na bazie uranu lub wolframu, o średnicy ok. 30 mm.
Wszystko to opierało się wyłącznie na procesie siłowego przebijania pancerza. Zdolność przebijania tego typu amunicji była dość spora i wynosiła do
500-700 mm pancerza RHA (Rolled Homogeneous Armour – jednolity walcowany materiał).
Problemem jednakże nadal były rykoszety i reakcja konstruktorów czołgów: pochylone ściany wieży i pancerza czołowego w obszarze pracy kierowcy. Ponieważ atutem tych pocisków jest ich wysoka prędkość początkowa, sięgająca 1000 m/s, strzelanie np. torem stromym, który mógłby dać bardziej prostopadłe uderzenia w nachyloną ścianę wieży – nie wchodzi w rachubę. Tu jednak przychodzi z pomocą najnowocześniejszy i wciąż rozwijany pocisk: z ładunkiem kumulacyjnym, czyli z ładunkiem wydrążonym.
Zjawisko kierunkowego zwiększenia efektów detonacji znane było już w XVIII w. Polega ono na koncentracji energii detonacji, która powoduje lokalne nasilenie działania wybuchu na otoczenie. Jako przykład może posłużyć efekt kumulacji osiowej:
Detonacja cylindrycznego ładunku materiału wybuchowego, który został przyłożony bezpośrednio do płyty, wykonanej np. ze stali, powoduje powstanie jedynie niewielkiego wgłębienia w płycie. Wykonanie wgłębienia w ładunku w kształcie stożka (tzw. wnęki kumulacyjnej) powoduje, iż w wyniku detonacji materiału wybuchowego następuje koncentracja energii detonacji na niewielkiej powierzchni, w wyniku czego powstaje krater o głębokości zbliżonej do średnicy ładunku. Ładunki takie nazywano ładunkami wnękowymi. Efekt ten zauważył pod koniec XVIII w. inżynier górniczy Franz von Bader.
Spostrzegł on, że napisy, jakie były wytłoczone na ładunku materiału wybuchowego, w wyniku detonacji odbijają się na płytach wykonanych z metalu. Było to swoistego rodzaju grawerowanie. Dalsze badania prowadzili w Niemczech E. Neumann oraz M. Neumann (1911), którzy odkryli, że efekt kierunkowego działania ładunku wnękowego można znacznie zwiększyć, jeśli wnęka kumulacyjna zostanie wyłożona warstwą ciała stałego, np. metalu, szkła, ceramiki, o kształcie wgłębienia. Warstwę tę nazywa się wkładką kumulacyjną, natomiast ładunek wnękowy z wkładką nazywa się ładunkiem kumulacyjnym:
Efekt kumulacyjny jest nazywany efektem Munroe’a (w Stanach Zjednoczonych) lub efektem Neumanna (w Niemczech). W badaniach nad zjawiskiem kumulacji uczestniczył także Polak – inż. Jerzy Bałaczyński.
Podczas II wojny światowej efekt kumulacyjny został wykorzystany w wielu odmianach broni przeciwpancernej, a jako przykłady można podać ręczne granatniki: w Niemczech o nazwie „Panzerfaust” oraz w USA „bazooka”.
Dla uproszczenia wyjaśnienia działania pocisku kumulacyjnego przyjmijmy, że materiał wkładki podczas formowania się
strugi kumulacyjnej zachowuje się jak ciecz, a dokładniej ciecz nieściśliwa, ponieważ w analizach pomija się ściśliwość materiału wkładki. Założenie to nie jest dokładnie spełnione, ponieważ w obszarze kolizji występują wysokie ciśnienia sięgające 100 GPa…
Efekt kumulacyjny można wzmocnić przez odpowiednie ukształtowanie frontu fali detonacyjnej, która rozgrzana do temperatury powyżej 2000°C tworzy czoło strumienia i osiąga największą prędkość 7-10 km/s.
Rozkład prędkości wzdłuż strumienia można traktować w przybliżeniu za liniowy; masowo stanowi 10-20% wkładki. W wyniku występowania efektów ścinania, strumień i wkładka obracają się w przeciwnych kierunkach. Badania właściwości ładunków kumulacyjnych wykazały, że ze wzrostem kąta rozwarcia stożka maleje prędkość czoła strumienia kumulacyjnego. Dla dużych kątów rozwarcia (powyżej 140° – brak jednak dokładnej granicy) zamiast strumienia kumulacyjnego powstaje kilka wysokoenergetycznych odłamków. Przy odpowiednim doborze parametrów prawie cały materiał tworzy jednolite ciało o dużej prędkości rzędu 2-3 km/s – jest to tzw. pocisk formowany wybuchowo.
Zdolność przebijania pancerzy wozów bojowych sięga dziś 1000 mm stali HPA. Jest to grubość nierealna obecnie dla żadnego pojazdu, konstruktorzy projektują zatem pancerze jako wielowarstwowe. Struga kumulacyjna na granicy różnych ośrodków ulega częściowemu rozproszeniu, które znacznie osłabia działanie pocisku. To oczywiście za mało, więc opierając się na znanym zjawisku najsilniejszego oddziaływania strugi w odległości równej tzw. ogniskowej, wystarczy doprowadzić do wybuchu ładunku inicjującego wcześniej i efekt ostrzału może być zupełnie niegroźny dla czołgu. Stąd pojawiły się różne osłony wokół czołgów: fartuchy z blachy, twardej gumy, a nawet siatki.
Konstruktorzy pocisków oczywiście dostrzegli to zjawisko i wymyślili pociski systemu „tandem”, które mają dwa ładunki: pierwszy niszczący osłonę i drugi inicjujący strugę kumulacyjną. Spotkało się to z natychmiastową odpowiedzią konstruktorów pancerzy: tak powstał pancerz reaktywny.
Jest to szereg płytek widocznych na zdjęciach nowoczesnych czołgów, z których każda składa się z trzech warstw: zewnętrzna stosunkowo cienka z miękkiej stali, w środku znajduje się materiał wybuchowy i płytka podkładowa. W chwili trafienia pociskiem kumulacyjnym następuje wybuch materiału „klocka” i znaczne rozproszenie strugi kumulacyjnej. Klocki są łatwo montowane i zdejmowane, po każdym więc ataku przeciwnika łatwo jest uzupełnić braki.
Ogromnym atutem pocisków kumulacyjnych jest ich niezależność od prędkości początkowej. Pozwoliło to na budowanie lekkich, przenośnych wyrzutni typu rakietowego, o ciężarze rzędu 20-30 kg, co jest niczym wobec masy armaty D-44, 85 mm, która wynosi ok. 1725 k. Niezwykle niebezpiecznym przeciwnikiem dla czołgu stał się więc pojedynczy żołnierz wyposażony w taką wyrzutnię.
Naturalna odpowiedzią defensywy była ewolucja opancerzenia reaktywnego w
aktywne. Różnica polega na tym, że aktywne opancerzenie ma wyposażenie wykrywające nadlatujący pocisk i powodujące eksplozję kostek z ładunkiem podobnym do tych z pancerza reaktywnego, ale moment ich odpalenia jest precyzyjnie dobrany do prędkości pocisku i długości „ogniskowej”. Powoduje to rozproszenie strugi i jej zerową skuteczność.
Eksperci z brytyjskiego Defense Science and Technology Laboratory (DSTL), które stanowi jednostkę badawczą Ministerstwa Obrony, pracują nad… pancerzem z ochronnym polem siłowym. Silne pole elektromagnetyczne miałoby chronić pojazdy przed uderzeniem pocisków. Specjaliści twierdzą, że w pancerze czołgów można wbudować superkondensatory. Gdy pojazd wykryje, że w jego stronę lecą pociski, energia z superkondensatorów może zostać przekazana do pancerza. Wytworzy się wówczas pole elektromagnetyczne i takie pole siłowe byłoby w stanie ochronić pancerz pojazdu. Oczywiście, takie pole istniałoby jedynie przez ułamki sekundy, jednak odpowiednie dobranie momentu jego pojawienia się uchroniłoby pojazd przed ogniem wroga.
Najpilniej strzeżoną tajemnicą w konstrukcji czołgu jest skład materiałów pancerza, chodzi mianowicie o warstwę zubożonego uranu. Oprócz uranu załogę np. Abramsa chroni pancerz Chobham: na początku lat siedemdziesiątych ośrodek badawczy armii brytyjskiej w Chobham opracował nowatorski typ pancerza złożonego z warstwy kompozytu ceramicznego o strukturze plastra miodu, umieszczonej pomiędzy stalowymi płytami, kompozyt daje około 2,5-2 razy skuteczniejszą obronę przeciw ładunkom kumulacyjnym.
Pancerz typu Dorchester
A więc wyróżniamy dziś następujące podstawowe rodzaje pocisków przeciwpancernych:
-Pełnokalibrowy
-Pełnokalibrowy z czepcem
-Pełnokalibrowy z czepcem i czepcem balistycznym
-Podkalibrowy z odrzucanym sabotem
-Podkalibrowy stabilizowany brzechwowo z odrzucanym sabotem
-Pełnokalibrowy z rdzeniem
-Kumulacyjny
-Przeciwpancerny pocisk odkształcalny
Ale powróćmy jeszcze na chwilę do początku: dwa podstawowe rodzaje pocisków przeciwpancernych istniały już w czasie II wojny światowej:
pociski podkalibrowe i
pociski z ładunkiem kumulacyjnym. W czasach powojennych oba te typy pocisków były doskonalone w takim tempie, że obecnie nie można zaprojektować chroniącego przed nimi, jednolitego pancerza, mającego masę umożliwiającą stosowanie go w pojazdach lądowych. Praktycznie każdy nowoczesny pancerz musi w sposób aktywny przeciwdziałać penetracji. Aby jednak zaprojektować go prawidłowo, trzeba poznać zasady działania pocisków i ich ograniczenia.
POCISK Z ŁADUNKIEM KUMULACYJNYM
Po aktywacji, eksplodujący ładunek wybuchowy wytwarza falę uderzeniową, która odkształca wykładzinę, wykonaną najczęściej z miedzi. Jest ona przyspieszana w kierunku osi ładunku, gdzie zostaje zgnieciona w osiowo symetryczną bryłkę. Z tej bryłki wydostaje się strumień kumulacyjny, składający się z 10-20% masy wykładziny. Szczyt strumienia osiąga przy tym prędkość ponad 9 km/s. Pozostała część bryłki osiąga prędkość 0,3-1 km/s. Oznacza to znaczny gradient prędkości pomiędzy szczytem strumienia a pozostałością.
Gradient ten powoduje znaczne wydłużenie względne materiału wykładziny wzdłuż osi pocisku. Może ono dochodzić nawet do 2000 %. Tak duże wydłużenie jest oczywiście zjawiskiem niestabilnym. W związku z tym po osiągnięciu maksymalnego wydłużenia lub po upływie pewnego charakterystycznego czasu strumień ulega fragmentacji. Po fragmentacji suma długości powstałych drobin pozostaje stała.
Wszelkie nieosiowości w budowie pocisku powodują jednak stopniowe rozproszenie się drobin. Ten sam efekt wywołuje ich nieregularny kształt, powodujący ich rotację i wytracanie prędkości. Na pewnym etapie rozwoju strumień uderza w pancerz celu. Ciśnienie spiętrzenia na szczycie strumienia kumulacyjnego przekracza ponad 100 GPa, czyli prawie 100-krotnie wytrzymałość najmocniejszych znanych materiałów. W związku z tym materiały zarówno strumienia, jak i pancerza oddziaływają ze sobą tak, jakby znajdowały się w stanie płynnym.
Początkowo prędkość tworzenia się krateru może osiągać nawet 4 km/s. Przy tak ogromnej prędkości, bezwładność cieplna jest zbyt duża, aby mogło dojść do wzrostu temperatury pancerza jest on więc wypłukiwany na zasadzie erozji hydrodynamicznej. Na tym etapie głębokość penetracji jest w pierwszym przybliżeniu proporcjonalna do długości zerodowanego strumienia kumulacyjnego. Po pewnym czasie, gdy szczytowa część strumienia jest już zerodowana, dalszą penetrację kontynuują tylne fragmenty strumienia kumulacyjnego i pozostałości wykładziny poruszające się ze znacznie mniejszą prędkością. Na tym etapie swoją rolę zaczynają już odgrywać wytrzymałości materiałów, a sam proces odbywa się na tyle powoli, aby mogło dojść do wzrostu temperatury. Zależność zaś głębokości penetracji od długości zerodowanego strumienia staje się nieliniowa. Średnia prędkość penetracji osiąga około 1,5 km/s, a czas oddziaływania dochodzi do 400 mikrosekund. Dla porównania czas oddziaływania zwykłego ładunku wybuchowego o tej samej średnicy, będącego w kontakcie z pancerzem nie przekracza 10 mikrosekund.
Właśnie zdolność do bardzo długotrwałego oddziaływania w połączeniu z dużą prędkością i koncentracją energii wzdłuż osi pocisku powodują tak znaczną głębokość penetracji. Z drugiej jednak strony penetracji dokonuje stosunkowo mała ilość materiału wykładziny. Utworzony krater ma więc małą średnicę rzędu kilku milimetrów i zazwyczaj nie wywołuje żadnych efektów po drugiej stronie pancerza, takich jak odrywanie się odłamków pancerza, fala uderzeniowa, efekty cieplne, świetlne czy też wytwarzanie trujących gazów.
Głównym niebezpieczeństwem jest natomiast bezpośrednie trafienie w żywotne elementy czołgu, takie jak amunicja, paliwo czy też instalacje hydrauliczna i elektryczna. Ze względu na ciasne rozmieszczenie systemów czołgu jest to zagrożenie nadzwyczaj poważne.
Maksymalną głębokość penetracji ładunek osiąga, gdy jest aktywowany w przybliżeniu w takiej odległości od pancerza, aby szczyt strumienia uderzył w pancerz tuż po fragmentacji. Jeśli ładunek jest aktywowany bliżej, to strumień uderza w pancerz zanim całkowicie się uformuje i jego zdolność penetracji jest mniejsza. Jeśli zaś ładunek aktywuje się w większej odległości, to na skutek oporu powietrza obracających się fragmentów strumienia jego prędkość spadnie. Ponadto wzrośnie również odchylenie torów lotu poszczególnych fragmentów strumienia. W wyniku tych zjawisk głębokość penetracji spadnie. Optymalny dystans aktywacji wynosi zazwyczaj 6-8 kalibrów.
W związku z powyższym współczesne pociski kumulacyjne mają obudowy ukształtowane w taki sposób, aby aktywacja nastąpiła stosunkowo daleko od pancerza. Na przykład przeciwpancerny pocisk kierowany MILAN o krótkim zasięgu operacyjnym produkcji niemiecko-francuskiego konsorcjum Euromissile, który krótko scharakteryzowałem w dalszej części artykułu.
Współczesne pociski kumulacyjne są nadzwyczaj skuteczną bronią przeciwpancerną. Ich zdolność penetracji przekracza 1 m RHA (jednorodnej walcowanej stali pancernej). Cenną jest zwłaszcza możliwość umieszczania kilku pocisków w tandem w jednej obudowie.
Taka aranżacja pomaga w walce przeciw pancerzom reaktywnym typu ERA. Pierwszy z ładunków aktywuje pancerz, drugi zaś jest odpalany, gdy na pancerzu właściwym celu nie ma już płytki ERA. Inną cenną własnością tego typu pocisków jest fakt, że ich zdolność przebicia praktycznie nie zależy od prędkości lotu pocisku. Jego skuteczność pozostanie w przybliżeniu taka sama nawet, jeśli pocisk w chwili aktywacji pozostaje nieruchomy.
Własność tę wykorzystuje się w minach przeciwpancernych i w ładunkach zrzucanych na spadochronach, zwłaszcza z bomb kasetowych.
Podstawową wadą ładunków kumulacyjnych jest ich wrażliwość na uszkodzenia i jakość wykonania. Znamionową głębokość penetracji uzyskuje się tylko w przypadku idealnie osiowego wykonania całego pocisku. Dotyczy to zarówno ładunku materiału wybuchowego jak i wykładziny, obudowy i zapalnika. Jakakolwiek niedokładność daje istotne obniżenie penetracji. Z tego też powodu pociski te są wrażliwe na uszkodzenia mechaniczne. Nawet, bowiem wgniecenie obudowy może spowodować nieprawidłowy rozwój strumienia i skrócenie penetracji. Fakt ten wykorzystuje się w systemach aktywnej ochrony balistycznej.
POCISK RDZENIOWY
Drugim z powszechnie obecnie używanych typów pocisków są pociski podkalibrowe. Zwykle składają się one z rdzenia o dużej długości i małej średnicy oraz odrzucanego w locie sabotu. Sabot wypełniając cały przekrój lufy pozwala pociskowi rozpędzić się do prędkości ponad 1,5 km/s.
Po opuszczeniu lufy przez pocisk, sabot oddziela się i w kierunku celu podąża sam rdzeń. Dla zapewnienia dużej celności rdzenie zazwyczaj wyposażone są w stateczniki aerodynamiczne. Średnica krateru jest tu zdecydowanie większa niż dla ładunków kumulacyjnych. Okupione to jednak jest nieco mniejszą zdolnością do penetracji. Wynika to między innymi z mniejszej prędkości i większej średnicy penetratora.
Z tych też względów mechanizm penetracji jest bardziej złożony. Hydrodynamiczna erozja nadal odgrywa dominującą rolę, jednak istotne stają się również inne zjawiska (jak np. efekty falowe występujące podczas penetracji pancerza pociskiem podkalibrowym o dużym stosunku długości do średnicy). Głębokość penetracji jest proporcjonalna do długości penetratora.
Typową więc tendencją rozwoju pocisków podkalibrowych jest maksymalne wydłużanie rdzenia. Jest ona jednak ograniczona długością typowego magazynu amunicyjnego. Inną możliwością zwiększenia głębokości penetracji jest zwiększenie stosunku gęstości materiałów penetratora i pancerza. Z tego właśnie powodu dużą popularność zdobyły sobie rdzenie ze zubożonego uranu. Ze względów jednak ekologicznych może się okazać, że użycie tego typu penetratorów zostanie zakazane.
Dalsze zwiększanie penetracji drogą zwiększania gęstości materiału rdzenia jest już z resztą mało prawdopodobne ze względu na brak trwałych materiałów o odpowiedniej gęstości. Możliwość dalszego zwiększania penetracji tkwi w zwiększeniu kalibru działa oraz w konstrukcji rdzenia. Rozważa się również stosowanie rdzeni w osłonach węglowych, rdzeni teleskopowych oraz segmentowych.
Literatura:
“Survivabil
Komentarze (1)
najlepsze