Поражающее действие осколочно-фугасного снаряда

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.

Механический удар

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 508 м/с. Этот боеприпас имеет массу 40,0 кг и снаряжается взрывчатым веществом (тротил или аммотол) массой 5,83 кг (в дальнейшем будем использовать округлённое значение массы до 6 кг). Со взрывателем РГМ-2 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. Установку взрывателя в этом случае называют рикошетной или фугасной с замедлением. Также граната ОФ-530 может применяться с дистанционным взрывателем типа Д-1-У, обеспечивающем её подрыв как в воздухе, так и при ударе.

При навесной стрельбе на полном заряде в зависимости от её дальности, выбранной траектории и атмосферных условий, перед соударением с земной поверхностью граната ОФ-530 имеет мгновенную скорость от 277 м/с при ведении огня на дистанцию 9 км до 495 м/с при ведении огня на 200 м, соответственно кинетическую энергию порядка 1500—4900 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 в инертном снаряжении (или «настоящим» при отказе взрывателя) 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 / 4 = 0,0018 м², т. е. среднее избыточное давление на преграду составляет 80 кН / 0,0018 м² ≈ 4520 кПа — порядка 44 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 4,5 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.

Химия и физика взрыва

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 молекуле 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, но без горлышка, 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:

p₁ × V₁ / T₁ = p₂ × V₂ / T₂

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 корпуса и плотный сгусток горячих газов, который стремится расшириться в своём объёме и прийти к термодинамическому равновесию с окружающей средой.

Ударная волна

Что произойдёт в дальнейшем, зависит от места разрыва гранаты. Если ведётся стрельба на рикошетах или с дистанционным взрывателем 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 резкий скачок повышенной плотности и давления из-за действия очень быстро расширяющихся газообразных продуктов взрыва, который поначалу имеет ту же скорость перемещения, что и фронт последних, около 7—9 км/с. Однако впоследствии газообразные продукты взрыва, увеличиваясь 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, 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 зоны гарантированно летального поражения ударной волной для 6 кг тринитротолуола ОФ-530 около 5,5 м — с избыточным давлением, превышающим 4,34 атм. А вот звёзды и чёртиков 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 с учётом того, что при взрыве энергия его ударной волны в единичном телесном угле (плотность потока энергии) сохраняется, если не учитывать тепловой её диссипации. Скорость ударной волны остаётся постоянной, поэтому ослабление давления с увеличением расстояния будет связано с тем, что её удар приходится на бо́льшую площадь, пропорциональную квадрату дистанции от точки подрыва гранаты. На искомом расстоянии избыточное давление в 0,5 атм., в 8,7 раз меньше известного нам давления 4,34 атм на удалении 5,5 м от точки взрыва. Именно на этот коэффициент должна увеличиться площадь поражаемой поверхности, чтобы ослабить действие ударной волны, что соответственно увеличению дистанции в число раз, равное корню квадратному из 8,7, т. е. приблизительно в 3 раза. Т. е. нулевая степень поражения ударной волной при воздушном разрыве гранаты ОФ-530 начинается (с учётом погрешностей и допущений) с удаления на 15—20 метров от точки её разрыва.

Осколочное действие

Вторым, не менее важным, поражающим фактором являются образовавшиеся при разрыве гранаты осколки её корпуса. Осколочное поле не является изотропным, бо́льшая часть осколков (60—70%) разлетается в стороны от оси симметрии гранаты и меньшая — под небольшими углами (как вперёд, так и назад) относительно этой оси. Неоднороден и их состав по массе и размеру — среди них могут встречаться и крупные, до нескольких сотен грамм, так и «мелочь» меньше грамма. Если спроецировать на земную поверхность точки падения осколков при разрыве гранаты на поверхности земли или на малой высоте порядка пары десятков метров, то они будут представлять собой неравномерно заполненную точками эллипсоподобную фигуру с размерами около 70 м по фронту и 30 м в глубину с тяготением наиболее плотного группирования к средней части фигуры. Вероятностный закон распределения точек попадания при этом может не совпадать с нормальным распределением, хотя бы вследствие наличия некоторого угла между касательной плоскостью к земной поверхности и вектором скорости гранаты в момент разрыва. Скорость осколков достаточно велика, до сотен метров в секунду при разрыве гранаты, причём если он произошёл в воздухе, то её надо векторно суммировать со значением мгновенной скорости снаряда в этот момент. Единичные осколки могут сохранять убойную силу на гораздо большей дистанции, вплоть до километра и более (вспомним пресловутые 200 метров как характеристику зоны поражения «лимонки» Ф-1), но вот вероятность поражения ими цели становится ничтожной. Поскольку осколки имеют неправильную, рваную форму, вращаются непредсказуемым образом, то сопротивление воздуха довольно быстро гасит их скорость. Опытным путём установлено, что крупные осколки гранаты ОФ-530 вблизи места её разрыва (удаление до 30 м) способны пробить гомогенную катаную броню толщиной до 20 мм, а от мелких и в ряде случаев средних (излёт, удар по касательной) спасают индивидуальные средства защиты — шлемы, кирасы и бронежилеты. Опять же неправильная форма осколка по сравнению с пулей той же массы и кинетической энергии приводит к снижению шансов на их пробитие. Но (если не брать в расчёт пули экспансивного типа и пули, «кувыркающиеся» при попадании в цель) если защита не выстояла или отсутствует, рана, причинённая осколком будет гораздо серьёзнее пулевого поражения.

Положение точки разрыва гранаты и её пространственная ориентация также имеют очень важное значение для формирования наиболее эффективного для поражения целей осколочного поля. Если боеприпас снабжён только ударным взрывателем мгновенного действия, то результаты его применения трудно назвать оптимальными — при встрече с грунтом много образовавшихся при взрыве осколков в нём и останутся, а оставшиеся образуют сильно неравномерное поле поражения даже по фронту, особенно при настильной стрельбе. В этом случае в землю сразу же попадёт практически половина от общего числа осколков. С увеличением угла бросания возрастает и угол встречи снаряда с землёй, а следовательно даже с чисто геометрической точки зрения ситуация улучшается — возрастают шансы на то, что осколки в области своей наибольшей концентрации пролетят хоть какое-то расстояние в воздухе перед попаданием в грунт. Для орудия Д-1 на ровной площадке при максимальном угле возвышения в 65° его значение равно 71°, но это всё равно далеко от идеальных в этом плане 90°, всё же гаубица — это не миномёт, оперённым минам которого свойственно подобное поведение. Однако стрельба «на удар» является наиболее простой в исполнении, поэтому даже столь неоптимальный вариант широко применяется на практике. Но уже с самого начала, когда появились осколочные боеприпасы современного типа, артиллеристы стали пытаться обеспечить более выгодные условия для поражения целей, а именно получить разрыв гранаты на небольшой высоте над обстреливаемой целью. В этом случае каждый из образовавшихся осколков представляет собой смертельно опасную угрозу для противника.

Ещё в эпоху Первой Мировой войны оформились два подхода к решению этой задачи. Один из них был всего лишь логическим продолжением известной практики стрельбы шрапнелью. Как известно, для эффективного использования последней необходимо обеспечить срабатывание вышибного заряда в определённой точке нисходящей ветви траектории полёта снаряда. Для этого разрабатывались дистанционные взрыватели, которые по традиции продолжали называться «трубками». Впоследствии тот же принцип перешёл и на осколочные боеприпасы, только термин «трубка» вышел из употребления. Но стрельба гранатами с этим видом взрывателей требует высокой выучки, даже искусства со стороны управляющего огнём артиллериста и наблюдателей-корректировщиков. Обеспечение разрыва гранат в воздухе требует серьёзной и сложной подготовки огневых данных, а малейшая ошибка будет дорогостоящей — осколки от слишком высоких или наземных разрывов не причинят нужного урона противнику. Кроме того, дистанционный взрыватель Д-1-У у гранаты ОФ-530 при определённой его установке не взводится при ударе, а потому при ошибке в расчётах и преждевременной встрече с поверхностью не нанесёт поражения противнику вовсе. Второй метод уже упоминался выше — это стрельба на рикошетах. У ОФ-530 взрыватель типа РГМ-2 устанавливается на сильно замедленное действие (кран в положение «З», колпачок надет). Огонь ведётся настильный, по ровной площадке, так чтобы угол встречи был в диапазоне от 2° до 20°. В этом случае граната рикошетирует от земной поверхности (как скачущий по воде булыжник) и разрывается на небольшой высоте после удара о грунт. Опять-таки это накладывает сильные ограничения на дальность стрельбы (для гаубицы Д-1 на полном заряде — 6800 м), требует наличия подходящих грунтов и всё той же высокой выучки, переходящей в искусство со стороны управляющего огнём артиллериста и наблюдателей-корректировщиков. Как говорят англичане, aside, реплика в сторону — одной из причин упадка шрапнели к концу Первой Мировой войны стало просто отсутствие в воюющих армиях артиллеристов нужной квалификации — довоенные кадры пали в боях, а на подготовку столь же хорошо обученных новых не было времени.

В наше время всё стало горадо проще и сложней. К концу Второй Мировой войны немецким войскам пришлось на себе испытать нечто новое — американские осколочные боеприпасы с радиовзрывателем, который обеспечивал их разрыв на точно заданной высоте. Хотя он не имел громких названий вроде «оружия возмездия», по сути он вполне стал таковым. В послевоенное время они получили широкое распространение во всех армиях. Простота их использования заключается в том, что для них не требуются сложные вычисления огневых данных как для боеприпасов с дистанционным взрывателем или подходящие условия как при рикошетной стрельбе. Сложности тоже очевидны — по своему устройству эти снаряды гораздо сложней, хотя бы из-за того, что они содержат радиоэлектронные компоненты, выдерживающие ускорения при выстреле, а следовательно и более дорогие по сравнению с обычными боеприпасами. Поэтому их число ограничено и наставления для артиллеристов предусматривают их использование только в самых ответственных случаях.

Литература

• Таблицы стрельбы 152-мм гаубицы обр. 1943 г. — Воениздат МО СССР, Москва, 1968
• Мураховский В. И. Ещё один кумулятивный миф — сайт «Отвага 2004».
• Мураховский В. И. О роли артиллерии в борьбе с бронированными целями — сайт «Отвага 2004»