«Эврика» 1980. ПРИРАСТАТЬ БУДЕТ СИБИРЬЮ

 

 

Гидродинамика. Снаряды кумулятивного действия

 

 

 

Молодые люди, еще не искушенные в науках, часто задавали мне вопрос: почему я, математик, возглавляю Институт гидродинамики, а занимаюсь взрывом и его приложениями? Как это все увязать?

 

Я постараюсь в этой главе рассказать, какую роль сыграли и гидродинамика, и математика, и взрыв в решении таких, казалось бы, ничем не объединенных задач, как определение глубины пробития танковой брони и защита города Алма-Аты от селей, осушение пойм и защита космических кораблей от метеоритов.

 

Но сначала несколько слов о гидродинамике. Это одна из древнейших наук. Она ровесница египетских пирамид, первых торговых и военных судов и оросительных систем. За свою многовековую историю гидродинамика знала периоды и бурного развития, и застоя, когда казалось, что все поддающиеся решению задачи уже решены, а подходы к новым не удавалось найти. Но всегда рука об руку с гидродинамикой шла математика, и трудно назвать ведомых и ведущих: иногда новые математические методы приводили к расцвету целых отраслей гидродинамики, и в то же время поставленные гидродинамикой задачи побуждали математику к дальнейшему движению и развитию.

 

В классической механике, сложившейся в XIX веке, гидродинамике отводилась роль одного из трех основных разделов, двумя другими разделами были механика твердого тела и газодинамика. Каждая из этих наук изучала поведение вещества — жидкого, твердого или газообразного. Однако с течением времени перегородки между этими разделами постепенно ветшали и разрушались. В последние десятилетия началось новое взаимодействие этих некогда разделенных наук, определившее бурное развитие новых направлений.

 

Можно привести немало примеров неразделимости многих проблем гидродинамики, газодинамики и механики твердого тела. Так, пластические деформации твердых тел происходят по законам движения вязкой 'Жидкости, а газовые потоки в некоторых случаях можно рассматривать как течение несжимаемой жидкости. Нельзя не подивиться еще раз прозорливости М. В. Ломоносова, диссертация которого называлась «Рассуждение о твердости и жидкости тел...».

 

Если раньше в основные разделы гидродинамики Входило изучение собственно жидкостей (воды, нефти), то сейчас открыты новые явления, когда требуется по законам движения жидкости изучать движение сред совсем нежидких, например железа, грунта. На первый взгляд это кажется парадоксальным. В каком же смысле можно рассматривать в качестве жидкости такие материалы, как железо, грунт, лед? Все дело в том, что при тех скоростях и давлениях, которыми оперирует взрывная техника, прочностные свойства материалов оказываются пренебрежимо малыми по сравнению с инерционными силами. Огромный заряд взрывчатки выбрасывает в воздух за одно мгновение миллионы кубометров грунта. Законы движения этого грунта оказываются близкими к законам движения жидкости. Таким образом, в сферу гидродинамики попали проблемы, которые к воде имеют мало отношения, хотя приставка «гидро» и означает «вода». О них мы и поведем речь.

 

Практика и теория взрыва имеют большую историю. С явлением взрыва человек сталкивался еще в доисторические времена, видя удар молнии, извержение вулканов, взрывы подземного газа. Много позже люди сами начали создавать взрывчатые вещества, сначала для военных целей, а позже для технических. Первым взрывчатым веществом был черный порох.

 

При быстром сгорании пороха в закрытом объеме создавалось давление порядка 1000 атмосфер, и в зависимости от размеров заряда порох производил нужную работу — бросалось из пушки шаровое ядро, разрушалась стена крепости, металась дробь из охотничьего ружья и т. п.

 

Следом за черньш порохом был изобретен на базе нитроклетчатки новый вид пороха — бездымный. Он имел много преимуществ — большая мощность, возможность регулировать скорость горения (это достигалось технологией производства, а также размерами частиц — от порошинок диаметром в доли миллиметра до цилиндрических шашек диаметром 5—10 сантиметров). Позже было получено много других взрывчатых веществ. Иногда они образуются самопроизвольно при некоторых химических реакциях.

 

Мое первое знакомство со взрывом состоялось в детстве, когда я жил в Казани (мой отец был профессором Казанского университета). Вместе с двоюродным братом — студентом мы ставили химические и пиротехнические опыты. Однажды вспышка пламени едва не вызвала пожар. Последовало строгое родительское запрещение, пиротехнику пришлось оставить. Потом был еще один взрыв — на этот раз в школьной химической лаборатории. Мне слова повезло: пострадали только руки, да и то немного.

 

С первой серьезной проблемой, связанной со взрывом, я встретился, уже будучи профессором математики. Это была проблема кумулятивного заряда.

 

Явление кумуляции было известно давно. Состоит оно в следующем. Если поставить на стальную плиту заряд взрывчатого вещества, скажем, в виде цилиндра и подорвать его, в плите образуется вмятина. Если заряд отодвинуть от плиты хотя бы на четверть его диаметра, вмятины уже не будет. Совсем другой эффект получается, если на конце заряда, обращенном к плите, сделать коническую выемку, — вмятина от взрыва, как ни странно, становится глубже. А если еще вставить в эту коническую выемку металлический конус и подорвать такой заряд на некотором расстоянии от плиты, она будет пробита насквозь!

 

Первые опыты в этом направлении принадлежат американскому профессору Р.-У. Вуду и описаны в биографии этого замечательного физика. Р.-У. Вуда пригласили в качестве эксперта для выяснения таинственной гибели молодой женщины. Дело было так. Женщина сидела перед камином, была совершенно здорова, а через 10—20 минут ее нашли мертвой. При осмотре обнаружили небольшое красное пятно на груди, а при вскрытии констатировали смерть от разрыва сердца. Р.-У. Вуд объяснил истинную причину смерти: женщина была убита кумулятивным зарядом. Камин отапливался углем, а уголь добывался взрывным способом, причем подрыв зарядов производился капсюлями-детонаторами, то есть взрывчаткой с металлической облицовкой и выемкой на конце. Р.-У. Вуд поставил опыты и показал, что при взрыве капсюль дает металлическую направленную стрелу, способную пробить на расстоянии нескольких метров не только сердце, но и металлическую пластинку. Видимо, капсюль был потерян при взрывных работах и вместе с углем попал в камин, где от нагрева взорвался. По несчастной случайности в момент взрыва ось капсюля была направлена в сердце погибшей.

 

Идея снарядов кумулятивного действия была высказана в Германии еще в годы первой мировой войны, но впервые их применили гитлеровцы в ходе Курской битвы как противотанковое оружие — эти снаряды легко пробивали любую броню. Нужно было срочно понять механизм действия нового оружия, ибо без него нельзя было ни усилить наши собственные снаряды, ни рассчитать достаточно прочную броню, защищающую танкистов от снарядов врага. Напряженные работы по кумуляции вели, как мы знаем, и немцы, и англичане, и американцы.

 

При экспериментах обнаружилось много парадоксального, что не укладывалось в существующие представления. Законы пробивания снарядом или пулей различных преград изучались со времен создания артиллерии. Несколько сотен лет незыблемой оставалась формула французского артиллериста Жакоба д'Амара, и:; которой следовало, что глубина пробивания пропорциональна скорости снаряда. До второй мировой войны скорости снарядов не превышали 1 километра в секунду, и старая формула работала прекрасно.

 

Пробивание брони кумулятивными снарядами происходило по каким-то иным законам. Такой снаряд при встрече с преградой выбрасывал «проволочку» диаметром 2—3 миллиметра и длиной до 200 миллиметров, летящую со скоростью 4—10 километров в секунду, которая пробивала броню толщиной до 200 миллиметров. Непонятного было много... Откуда берется «проволока»? Почему с увеличением скорости снаряда глубина пробивания практически не меняется? Каким образом можно влиять на эту глубину, то есть на бронебойную способность снаряда?

 

Мне были известны две модели кумулятивного процесса, изучавшиеся и у нас и за рубежом. Согласно первой броню пробивает струя раскаленного газа (схема бронепрожигания), по второй — раскаленная металлическая пыль. Но поставленные опыты показали несостоятельность и той и другой. Поиски новых моделей привели меня к принципиально иной идее, согласно которой и кумулятивный конус, и пробиваемая броня во время взрыва ведут себя как идеальные несжимаемые жидкости.

 

Рассуждения были просты. В обычном состоянии металлическая облицовка кумулятивного конуса представляет собой твердое тело с определенными прочностью, упругостью, пластичностью и вязкостью. Но в условиях, порожденных взрывом (давление в сотни тысяч атмосфер, скорость до 10 километров в секунду), эти параметры уже мало что значат. Образовавшийся сгусток металла можно считать идеальной несжимаемой жидкостью, как, впрочем, и броню в месте соударения. А если так, то при анализе можно применить математический аппарат теории жидких струй, которую я разрабатывал еще до войны в Центральном аэрогидродинамическом институте. Уравнения движения несжимаемой жидкости относительно просты. Поэтому в первом приближении подсчет глубины и скорости проникновения кумулятивной струи в броню не представлял особых трудностей. Вскоре выводы теории подтвердились экспериментально.

 

Однако «безумная идея» о том, что металл снаряда (его кумулятивной оболочки) и металл брони ведут себя как жидкость, многим казалась нелепой. Помню, мое первое выступление об этом в Академии артиллерийских наук было встречено смехом. Но мне удалось доказать, что при формировании «проволоки» и при пробивании брони возникают такие скорости и давления, что прочностные и упругие силы становятся пренебрежимо малыми по сравнению с инерционными. Гидродинамическую трактовку явления кумуляции поддержали академики М. В. Келдыш и Л. И. Седов. Благодаря построению теории кумуляции были созданы надежные методы расчета, предложены новые типы кумулятивных зарядов. Через несколько лет работа по теории кумуляции была отмечена Государственной премией.

 

Мои основные работы по кумулятивным зарядам были выполнены в Киеве, точнее, в Феофании (в 20 километрах от Киева), где размещалась моя лаборатория по взрывной тематике. Металлические части зарядов — конусы, полусферы, цилиндры — изготовлял водитель моей казенной машины Эдик Вирт на токарном станке в гараже АН УССР. Снаряжал и производил опытные взрывы я сам сначала в овраге Ботанического сада, а позже в лаборатории. Броневые плиты для опытов добывали, вырезая их из трофейных немецких танков в лесах под Киевом. Их там было много. Здесь нам помогали военные саперы.

 

Литые заряды тола изготавливали на электроплитке, прессовали с помощью переплетного пресса, приобретенного на барахолке. Однажды нам потребовались для облицовки внутренней поверхности конической оболочки снаряда высокопластичные и особо тяжелые металлы. Где их взять? Заказать и ждать — пройдет много времени. Обошлись своими средствами: переплавили в тигле семейное имущество — серебряную рюмку и золотые коронки для зубов.

 

Трудности с материалами приводили иногда к совершенно неожиданным результатам. Когда проведенные приближенные расчеты выявляли ряд свойств кумулятивного взрыва, мне хотелось как можно скорее поставить опыты, которые окончательно подтвердили бы теорию. Срочно нужен был медный конус, но, как назло, нужных медных цилиндров, из которых можно было бы выточить конусы, не оказалось. Среди моих сотрудников был инженер Н. М. Сытый, человек поистине необузданной технической фантазии. Его всегда переполняли идеи, иногда блестящие, иногда нелепые, но всегда неожиданные. Н. М. Сытый и здесь нашел необычный выход: он взял пучок медной проволоки, обмотал его детонирующим шнуром и подорвал. После взрыва мы получили нужный цилиндр, из которого Эдик Вирт выточил несколько конусов. Проведенные опыты полностью подтвердили теорию, а теория объяснила все парадоксальные эффекты кумулятивного взрыва.

 

Собственно говоря, при описанном получении медного цилиндра была впервые осуществлена сварка взрывом. В тех же экспериментах при подрыве заряда с двухслойной кумулятивной оболочкой слои из различных металлов прочно приваривались один к другому, и на срезе была видна волнообразная поверхность контакта.

 

К сожалению, мы, будучи поглощены основной задачей, не обратили должного внимания иа эти явления. В изучении сварки взрывом наступила длительная пауза. Систематические исследования начались только в 60-х годах в Институте гидродинамики СО АН СССР в Новосибирске и одновременно в США. О наших работах по этой проблеме я уже рассказывал.

 

Начавшись с расчета снарядов, теория кумуляции в дальнейшем оказалась приложимой к широкому кругу задач, вплоть до защиты космических кораблей от метеоритов.

 

Еще при запуске первых баллистических ракет возник вопрос: а что произойдет с космическим объектом, если в него попадет метеорит? В конце 50-х годов главный руководитель советской космической программы академик С. П. Королев обратился во все «взрывные» организации страны с просьбой изучить это явление в земных условиях. Нужно было прежде всего разогнать частицу, имитирующую метеорит, хотя бы до первой космической скорости — около 8 километров в секунду (напомню, что начальная скорость обычного артиллерийского снаряда равна примерно 1 километру в секунду) . Было проведено много интересных экспериментов, но за пределы 2,5 километра в секунду тогда никому выйти не удавалось. Конечно же, газы, летящие с такой скоростью, не могли разогнать частицу до космических скоростей.

 

Письмо от С. П. Королева получил и Институт гидродинамики, размещавшийся тогда, в 1958 году, во временных бараках на берегу речки Зырянки. Тогда и возникла идея использовать для разгона частиц (как бы лабораторных метеоритов) кумулятивную струю. Этой работой занялся мой ученик В. М. Титов, тогда только что окончивший Московский физико-технический институт, а сейчас член-корреспондент АН СССР.

 

За счет остроумных вариантов столкновения между потоками газа в струе удалось разогнать сами газовые массы до скорости 50 километров в секунду. Было очень сложно передать эту скорость частицам, особенно неметаллическим. Металлические частицы более прочны и удобны для экспериментов, но ведь около 98 процентов метеоритов в космическом пространстве не железные, а каменные. Поэтому пришлось учиться метать с космической скоростью не только металлические, но и керамические, и даже стеклянные частицы, особенно хорошо имитирующие хрупкость.

 

Кумуляция оправдала возложенные на нее надежды — теперь мы умеем разгонять частицы в 1—2 миллиметра в поперечнике до скорости 10—15 километров в секунду.

 

 

К содержанию книги: О создании Сибирского отделения Академии наук

 

 Смотрите также:

  

системе организации науки...  Научные общества и академии наук   академической науки  Российская академия наук РАН   Институт Академии наук   

 

Российская Академия наук. Издательская деятельность...    академик АМН СССР...

был создан новый научный медико-биологический центр—Сибирский филиал Академии наук - Сибирское отделение АН СССР