Czynniki rażenia amunicji artyleryjskiej na przykładzie pocisku 155 mm
W serii artykułów chciałbym przybliżyć zasadę działania pocisków i głowic bojowych. Będzie to punkt wyjścia do omówienia czynników rażenia takich jak: fala uderzeniowa, podmuch czy odłamki. Wzory, dane, tabele i wyliczenia są podawane z rozmysłem, gdyż będą potrzebne w kolejnych artykułach – np. przy omawianiu bezpośredniego działania pocisku na przegrodę schronu lub ukrycia.
Jako przykład wybrałem pocisk kalibru 155 mm produkcji DEZAMET – podstawową amunicję artyleryjską Wojska Polskiego.
Gazogenerator pokazany w dolnej części pocisku to nie źródło jego napędu.
Składa się on z komory spalania odprowadzającej spaliny przez otwory w dnie pocisku na zewnątrz. Gazy te zmniejszają opór powietrza, poprawiając balistykę. Gazogenerator wydłuża zasięg pocisku kosztem jego celności.
1. Opis ogólny: Inicjacja i przebieg fali detonacyjnej
Łańcuch detonacyjny
Materiał kruszący, którym elaborowana jest głowica (tu: TNT; inne to np. RDX, HMX, Comp B), jest względnie niewrażliwy na bodźce mechaniczne. Jest to podyktowane koniecznością bezpiecznego transportu i magazynowania. Wybuch inicjowany jest przez tzw. łańcuch detonacyjny:
- Impuls pierwotny: Zapalnik wywołuje detonację małej ilości wrażliwego materiału inicjującego (np. azydku ołowiu).
- Wzmocnienie (Pobudnik / Booster): Mały wybuch inicjuje pośredni ładunek o większej masie i wyższej wrażliwości (np. tetryl, RDX), generując silniejszą falę.
- Inicjacja ładunku głównego: Wzmocniona fala wnika w masę ładunku głównego, wywołując reakcję naddźwiękową.
Struktura fali detonacyjnej (Model ZND)
W odróżnieniu od deflagracji (spalania poddźwiękowego), detonacja jest napędzana samą falą uderzeniową, która ściska unieszkodliwiony materiał powyżej punktu zapłonu. Prędkość detonacji D wynosi od 6900 m/s (TNT) do ponad 8500 m/s (HMX).
2. Baza danych materiałów wybuchowych
Do późniejszych obliczeń ekwiwalentu masowego (TNT equivalent), ciśnienia szczytowego fali uderzeniowej oraz energii napędzającej odłamki, poniżej zestawiono parametry najczęściej stosowanych ładunków kruszących w amunicji artyleryjskiej i moździerzowej:
| Materiał Wybuchowy | Gęstość ρ₀ [g/cm³] |
Prędkość detonacji D [m/s] |
Ciśnienie C-J pCJ [GPa] |
Ciepło wybuchu Qex [MJ/kg] |
Ekwiwalent TNT (Q/QTNT) |
Stała Gurneya √2E [m/s] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| TNT (Trotyl) | 1.63 | 6930 | 21.0 | 4.18 | 1.00 | 2370 |
| RDX (Hexogen) | 1.80 | 8750 | 34.0 | 5.40 | 1.29 | 2930 |
| PETN (Penteryt) | 1.77 | 8260 | 31.0 | 5.80 | 1.39 | 2930 |
| Composition B (60% RDX / 40% TNT) | 1.72 | 7980 | 29.5 | 5.19 | 1.24 | 2680 |
| A-IX-2 (73% RDX / 23% Al / 4% Wosk) | 1.75 | 7400 | 26.0 | 6.40 | 1.53 | 2500 |
| Tritonal (80% TNT / 20% Al) | 1.73 | 6700 | 19.0 | 4.80 | 1.15 | 2320 |
2.2. Gwałtowna przemiana chemiczna: Stan Chapman-Jouguet (C-J)
Przejście fali detonacyjnej w ułamku mikrosekundy przekształca ciało stałe (materiał wybuchowy) w gaz o bardzo wysokiej temperaturze (3000 ÷ 4500 K) i pod gigantycznym ciśnieniem (10 ÷ 30 GPa). Produkty reakcji w pierwszej chwili zachowują początkową objętość ładunku (detonacja izochoryczna).
To właśnie ten natychmiastowy, gigantyczny przyrost objętości gazów stanowi główną siłę napędową wybuchu: odpowiada za rozrywanie stalowej skorupy pocisku, nadanie prędkości odłamkom oraz wygenerowanie fali uderzeniowej i podmuchu w otaczającym powietrzu.
Skala zjawiska: Jak 0,6 litra zamienia się w całe pomieszczenie?
Aby wyobrazić sobie niszczycielską siłę tłoka gazowego, zestawmy ze sobą dwie liczby:
1 kg trotylu w postaci stałej – objętość odpowiadająca małej plastikowej butelce na napój.
Objętość gorącego gazu (11 ÷ 18 m³) przy temperaturze sięgającej 3500°C po rozprężeniu do ciśnienia atmosferycznego.
Mechaniczny taran wybuchu: To tak, jakby zawartość małej butelki w ułamku milisekundy próbowała wypchnąć całe powietrze z zamkniętego pokoju o powierzchni 6 m²! Ta gigantyczna ekspansja najpierw z ogromną siłą rozpycha od wewnątrz stalowy korpus amunicji, a po jego rozpadzie naddźwiękowo pcha otaczające powietrze, tworząc niszczycielską falę podmuchu (blast wave). Przypomnijmy, że w przypadku tego pocisku trzeba pomnożyć te wartości 10 razy z uwagi na ilość materiałów w pocisku.
3. Fizyka odłamkowania: Model Gurneya i stal korpusu
Gdy gazy poeksplozyjne wywierają ekstremalne ciśnienie pe na wewnętrzną ściankę stalowej skorupy pocisku, przechodzi ona ze stanu odkształcenia sprężystego do plastycznego, rozdyma się i ostatecznie ulega fragmentacji na tysiące odłamków.
Energia chemiczna wybuchu przekształca się w energię kinetyczną rozprężających się gazów oraz energię kinetyczną odłamków. Podstawowym wzorem inżynieryjnym stosowanym do wyznaczenia prędkości początkowej odłamków (v₀) jest równanie Gurneya dla geometrii cylindrycznej (idealny pocisk):
Gdzie:
- √(2E): stała Gurneya dla danego materiału wybuchowego [m/s] (patrz: Tabela w Sekcji 2),
- C: masa ładunku wybuchowego [kg],
- M: masa metalowej skorupy pocisku [kg],
- C / M: wskaźnik naładowania pocisku (Charge-to-Metal ratio).
Wytrzymałość i fragmentacja stali korpusu
Masa i rozkład ilościowy powstających odłamków zależą od mikrostruktury i ciągliwości stali. Wykorzystuje się tu m.in. równanie Mott-Linfoota lub rozkład Camfielda-Fizza:
Gdzie:
- N(m): liczba odłamków o masie większej niż m,
- μ: średnia masa odłamka zależna od promienia wewnętrznego pocisku, grubości ścianki oraz właściwości mechanicznych zastosowanej stali.
| Gatunek Stali / Typ | Granica plastyczności Re [MPa] |
Wytrzymałość Rm [MPa] |
Zastosowanie w amunicji |
|---|---|---|---|
| C45 / AISI 1045 | ≈ 430 | ≈ 650 | Starsze typy amunicji artyleryjskiej |
| 80C2 / 60G | ≈ 550 | ≈ 850 | Standardowe korpusy pocisków HE |
| Stal wysokofragmentująca (np. C1060 hartowana) |
≈ 800 | ≈ 1100 | Nowoczesna amunicja programowalna i odłamkowa |
4. Podstawy skalowania fali uderzeniowej: Prawo Hopkinsona-Cranza
Do wyliczenia parametrów swobodnej fali uderzeniowej (odrywającej się od tłoka gazowego) stosuje się prawo skalowania Hopkinsona-Cranza (Cube-Root Scaling Law). Pozwala ono przeliczyć odległość rzeczywistą R [m] i masę ładunku W [kg] na tzw. odległość zredukowaną Z:
Gdzie masa ładunku przeliczona jest na ekwiwalent TNT (przy czym Qex i QTNT oznaczają ciepło wybuchu):
Wartość Z stanowi kluczowy parametr wejściowy do funkcji empirycznych Kingery’ego-Bulmasha, służących do wyznaczania nadciśnienia szczytowego Δpmax, czasu trwania fazy dodatniej t+ oraz impulsu jednostkowego Is:
Zastosowanie w inżynierii schronowej i ochronnej
Wyznaczenie zredukowanej odległości Z oraz nadciśnienia szczytowego Δpmax pozwala na precyzyjne dobranie parametrów wytrzymałościowych dla przegród budowlanych, drzwiczek schronowych oraz zaworów przeciwwybuchowych w obiektach infrastruktury krytycznej.
2 Responses