Поражающее действие осколочно-фугасного снаряда — различия между версиями

Версия 13:27, 18 ноября 2010

Под поражающим действием осколочно-фугасного снаряда понимается совокупность физических процессов, приводящих к неспособности живой силы, техники и фортификационных сооружений противника выполнять свои функции. Важнейшими среди них являются удар снаряда как единого целого тела до его разрыва, а после него — возникновение ударной волны и осколков от его разрушенного корпуса. Следует заметить, что все поражающие факторы при разрыве осколочно-фугасного снаряда являются механическими по своей сути, несмотря на высвобождение запасённой во взрывчатом веществе энергии за счёт химических реакций.

Ниже рассматриваются некоторые аспекты поражающего действия осколочно-фугасного снаряда на примере осколочно-фугасной гранаты ОФ-530, выстреленной из 152-мм гаубицы обр. 1943 г. (Д-1) на полном заряде, сообщившим ему начальную скорость около 510 м/с. Этот боеприпас имеет массу 40,0 кг и снаряжается взрывчатым веществом (тротил или аммотол) массой около 6 кг (в таблицах стрельбы приводится диапазон от 5,47—6,86 кг). Со взрывателем ударного типа при установке на осколочное действие эту гранату используют для обстрела открыто расположенных на поверхности земли целей. С установкой взрывателя на фугасное действие ОФ-530 применяется для разрушения инженерных сооружений полевого типа и поражения укрытых в них живой силы, техники и оборудования противника. Также установленная на фугасное действие граната может быть задействована против вражеских бетонных долговременных фортификационных сооружений и бронированных машин. Достаточно редким, но важным видом её использования также является стрельба на рикошетах, когда при настильной стрельбе за счёт рикошета от земной поверхности происходит разрыв снаряда в воздухе на небольшой высоте, выгодный для поражения осколками залёгшей или находящейся в траншеях живой силы противника.

При навесной стрельбе в зависимости от её дальности, выбранной траектории и атмосферных условий, перед соударением с земной поверхностью граната ОФ-530 имеет мгновенную скорость порядка 200—400 м/с, соответственно кинетическую энергию порядка 800—3200 кДж. Если бы боеприпас имел инертное снаряжение, т. е. без взрывчатого вещества, но с заполнением каморы материалом приблизительно той же плотности, то после его соударения с грунтом и остановки вся эта энергия в итоге перешла бы в тепло, а её «тротиловый эквивалент» для скорости 400 м/с составил бы около 760 г при табличной теплоте взрыва в 4228 кДж/кг. Хотя кинетическая энергия имеет гораздо большее значение для бронебойных и бетонобойных снарядов, её доля в общем разрушительном потенциале и у осколочно-фугасных гранат тоже значительна. При стрельбе по рассредоточенным по площадям «мягким» целям она не играет никакой роли, за исключением разве что очень плотных каменистых или вообще скальных грунтов, когда граната не сумеет в них заглубиться и её корпус фрагментируется на осколки, скорость которых как раз и будет определяться именно кинетической энергией всего боеприпаса. А вот при стрельбе таким боеприпасом (или если произошёл отказ взрывателя) в инертном снаряжении по фортификационному сооружению или бронемашине это уже немало, хотя по последствиям всё же гораздо скромнее полноценного снаряда. Но поскольку и последний при установке взрывателя на фугасное действие разрывается не сразу, то эта фаза является общей для них обоих, потому её следует рассмотреть подробнее.

При скорости перед соударением с препятствием в 400 м/с граната ОФ-530 начинает заглубляться в него и тормозиться его материалом. Для сыпучих, например песчаных, грунтов, «тормозной путь» составит величину порядка десятков метров, в глинистом — несколько метров, в железобетоне — порядка метра, в броневой стали — несколько сантиметров. В последнем случае можно без особого преувеличения взять эту величину в 5 см, чтобы оценить время взаимодействия и возникающие при этом ускорения и силы. Пусть рассматриваемая нами броневая плита выдержала удар такой, по сути дела, болванки и глубина кратера составила эти 5 см. Во время его прохождения скорость гранаты упала с 400 м/с до нуля, а следовательно за среднее её значение можно взять половину от начальной величины, т. е. 200 м/с. Таким образом, всё время процесса до остановки гранаты можно оценить как 0,05 м / 200 м/с = 0,2 мс. На самом деле оно будет больше, поскольку при взаимодействии с бронёй нельзя считать боеприпас абсолютно жёстким и недеформируемым телом — в то время как её носовая часть уже остановилась, хвостовая ещё продолжает движение. Но для оценки возникающих ускорений (по крайней мере для носовой части гранаты) эту величину можно принять. Разделив 400 м/с на 0,2 с, получим среднее ускорение порядка 2000 м/с² или перегрузку порядка 200 g. При массе в 40 кг возникшая средняя сила со стороны препятствия составит порядка 80 кН — сравнимо с усилием достаточно мощного пресса или с силой тяги нескольких магистральных локомотивов на железной дороге. Как правило, тонкие стенки осколочно-фугасной гранаты такого не выдерживают и она фрагментируется на осколки. Однако, согласно третьему закону Ньютона, на материал преграды также будет действовать равная и противоположно направленная сила. При этом область её приложения ограничена приблизительно площадью поперечного сечения боеприпаса, в нашем случае кругом диаметром около 15 см. Его площадь равняется π×0,15×0,15 = 0,071 м², т. е. среднее избыточное давление на преграду составляет 80 кН / 0,071 м² ≈ 1130 кПа — порядка 11 атмосфер. Под воздействием такого давления материал бронепреграды начинает крошиться, в нём возникает ударная волна, которая начинает распространяться внутри него и отражаться от любых границ раздела сред. В результате интерференции отражённых волн, т. е. усиления их амплитуды в одних местах и ослабления в других, возможны растрескивание брони и отколы от внутренней её стороны. К тому же всё это сопровождается звуком высокой интенсивности, способным вызвать повреждения органов слуха у находящихся за преградой солдат противника. Применительно к движению гранаты в бетоне и грунте ускорения, силы и давления становятся ниже (для заглубления на полметра в бетон получим время в 2 мс, средние ускорение в 20 g, силу в 8 кН и избыточное давление в 1,1 атмосферы. Скорость звука в этих средах ниже, образующаяся ударная волна не столь интенсивна как в металле, но сотрясения оборонительных сооружений, отколы бетона и осыпь грунта с их внутренних стенок около места попадания снаряда более чем вероятны. Тело боеприпаса уже выдерживает нагрузки и остаётся целым, хотя и деформированным.

Но всё же главной поражающей силой осколочно-фугасной гранаты является заключённое в ней взрывчатое вещество бризантного типа. После отработки заданной установкой задержки взрыватель срабатывает и по материалу взрывчатого вещества со скоростью около 6,7—7 км/с пробегает волна детонации — с физико-химической точки зрения комбинация из «обычной» сверхзвуковой ударной волны и инициированного ей фронта экзотермической химической реакции. По своей сути молекула тринитротолуола является метастабильным образованием с уже находящимися в её составе тремя нитрогруппами NO₂, которые аккумулируют в себе значительную долю энергии и способны выделять активный кислород в окислительно-восстановительных реакциях. Проходящая при детонации тринитротолуола химическая реакция может быть записана в виде:

2 C₇H₅N₃O₆ → 3 N₂ + 5 H₂O + 7 CO + 7 C

Как видно из формулы, в числе газообразных её продуктов присутствуют азот, вода и угарный газ. Малое содержание кислорода в молеколе тринитротолуола приводит к недостаточному окислению углерода (отсюда наличие угарного газа и сажи), поэтому очень часто в снаряжении осколочно-фугасных снарядов (ОФ-350 не исключение) используется аммотол — смесь тринитротолуола с нитратом натрия HNO₃(натриевой селитрой). Дополнительный кислород позволяет окислить углерод полностью и получить больше газообразных продуктов реакции. Но даже и без этого тринитротолуол является мощным взрывчатым веществом. Сделаем некоторые количественные оценки применительно к нашему случаю. 6 кг тринитротолуола при плотности 1,6 г/см³ занимают объём 3750 см³ (такой объём как раз имеет куб со стороной 15,3 см — весьма близко к калибру ОФ-530, хотя в действительности её камора имеет бутылкообразную осесимметричную форму). Молярная масса тринитротолуола составляет 0,227 кг/моль, таким образом количество тринитротолуола в каморе составляет 26,4 моль. Теперь воспользуемся химической формулой реакции и увидим, что каждые два моля тринитротолуола после детонации дают 3 моля азота, 5 молей водяного пара и 7 молей угарного газа. Как известно из химии, каждый моль газа при нормальных условиях занимает объём в 22,4 литра. В итоге 6 кг тринитротолуола порождают 39,6 молей азота, 66 молей водяного пара и 92,4 моля угарного газа, которые все вместе займут 4435 литров объёма при нормальных условиях. 1 литр равен 1 кубическому дециметру, т. е. 1000 см³. Посмотрим, насколько наша теоретическая оценка отклонилась от опытных данных — известно, что 1 кг тринитротолуола порождает 975 литров результирующих газов при нормальных условиях, т. е. 6 кг дадут 5850 л. Оценка оказалась с ошибкой порядка 20—25% вследствие условности, принятой в формуле химической реакции. Известно, что процесс самоокисления тринитротолуола более сложен, в его выходных продуктах есть также и газообразные оксиды азота, и углеводороды. Но в итоге образовавшиеся после детонации газы оказались зажатыми в объёме, который в 1560 раза меньше нужного, да ещё и нагретыми до температуры порядка 3700 °С. Используя известное из физики уравнение состояние идеального газа:

   p V    p V
    1 1    2 2
   ---- = ----
    T      T
     1      2

можно рассчитать их давление на стенки гранаты: p₁ = 100 кПа, V₁ = 5850 л, T₁ = 288 K (15°С), V₂ = 3,75 л, T₂ = 3700 K. В итоге p₂ ≈ 2004000 кПа ≈ 20 тыс. атм. А поскольку сильно сжатый газ далеко не идеален, то относительно реальной ситуации оценка оказалась на порядок заниженной: опыт даёт давление при разрыве заряда тринитротолуола давление в 10 раз большее — 200 тыс. атм. Такого давления корпус гранаты не выдерживает, боеприпас прекращает своё существование как единое тело и представляет собой осколки её корпуса и плотный сгусток горячих газов, который стремится расшириться в своём объёме и прийти к термодинамическому равновесию с окружающей средой.

Что произойдёт в дальнейшем, зависит от места разрыва гранаты. Если ведётся стрельба на рикошетах и ОФ-530 разорвалась в воздухе, то газы стремятся расшириться в окружающий невозмущённый воздух, который вследствие своей механической инерции не даёт им этого сделать. В результате в невозмущённой среде образуется скачок повышенной плотности и давления из-за давления газообразных продуктов взрыва, который поначалу имеет ту же скорость перемещения, что и фронт последних, около 7—9 км/с. Однако впоследствии газообразные продукты взрыва, расширяясь в объёме и охлаждаясь, отстают от скачка и начинают конвективно перемешиваться с окружающим воздухом. В свою очередь, скачок полностью оформился в ударную волну в воздухе и уносит значительную долю энергии взрыва (другая представляет собой кинетическую энергию осколков). При разрыве в воздухе действие ударной волны относительно невелико, поскольку она теряет свою интенсивность обратно пропорционально кубу расстояния от точки взрыва. Однако по всей вероятности, те, кто очутился недалеко от разрыва на расстоянии и кого миновали осколки, вряд ли с этим согласятся. Ударная волна способна сбить с ног, вызвать контузию и травмы внутренних органов, даже на значительном удалении серьёзно повредить органы зрения и слуха, вызвать кровотечения из носа и ушей. Известно, что при взрыве в воздухе 1,5 кг тротила радиус безвозвратных потерь на месте составляет 2,48 м (а при 0,5 — 1,70 м), таким образом увеличение мощности заряда в три раза даёт в грубом приближении только полуторакратный прирост радиуса поражения. Для 2 кг этот радиус равен 2,75 м, поэтому взяв полученное выше соотношение, получим оценочное значение для 6 кг тринитротолуола ОФ-530 зону гарантированно летального поражения ударной волной около 4 м — с избыточным давлением, превышающим 4,34 атм. А вот звёзды и чертиков в глазах, свист и гул в ушах (потеря боеспособности на 3—5 минут), что соответствует избыточному давлению в 0,5 атм можно увидеть и услышать на большем расстоянии, которое можно вычислить по формуле состояния идеального газа — до 10 м.