Tendencje rozwojowe głowic kumulacyjnych

Jarosław Wolski

Głowice kumulacyjne (High-Explosive Anti-Tank, HEAT) stanowią najbardziej rozpowszechniony środek rażenia używany w amunicji przeciwpancernej, znajdują zastosowanie zarówno w rzucanych przez żołnierzy ręcznych granatach kumulacyjnych, pociskach wystrzeliwanych z granatników i dział bezodrzutowych, przeciwpancernych pociskach kierowanych, lotniczej i artyleryjskiej subamunicji kumulacyjno-odłamkowej, minach przeciwpancernych oraz specjalizowanych głowicach lotniczych i rakietowych środków rażenia. Ich ewolucja przez ostatnie cztery dekady była bardzo gwałtowna i nadała im nowe możliwości, bez wątpienia warte bliższego przedstawienia.

Na wstępie należy odpowiedzieć na pytanie czym jest i jaką budowę ma ładunek kumulacyjny? Najprostsza definicja może brzmieć: Ładunek kumulacyjny jest rodzajem ładunku wybuchowego, w którym na skutek eksplozji wydrążonego na kształt stożka lub półsfery materiału wybuchowego dochodzi do uformowania się ciągłego strumienia kumulacyjnego z wkładki wypełniającej wewnętrzną powierzchnię wydrążenia. Kąt rozwarcia wkładki musi wynosić poniżej 140 stopni. Powstały strumień kumulacyjny ma wysoką zdolność pokonywania osłon – zależnie od średnicy i materiału wkładki, dystansu od celu, rodzaju użytego materiału wybuchowego typu zapalnika oraz samej budowy celu.

Niezależnie od budowy każdy ładunek kumulacyjny posiada pewne wspólne składowe, są nimi: korpus głowicy/ładunku, ładunek materiału wybuchowego, wkładka kumulacyjna, przesłona kumulacyjna, ładunek pobudzający, część denna zapalnika, czy zapłonnik.

Mechanizm formowania się strumienia kumulacyjnego jest następujący. W momencie inicjacji zapalnika dochodzi do eksplozji, która przekazywana jest na ładunek materiału wybuchowego. Odpowiedni kształt przesłony kumulacyjnej zapewnia kształtowanie się fali eksplozji w taki sposób, aby wierzchołek stożka wkładki nie został zbyt szybko uformowany w zbitek. Fala eksplozji oddziałując na wkładkę kumulacyjną (zwykle miedzianą) zgniata ją w osiowo symetryczną bryłkę, z której tworzy się strumień kumulacyjny o typowej masie równej 10-20% masy wkładki kumulacyjnej, z kolei jego wierzchołek (zależnie od rodzaju ładunku) osiąga prędkość od 6 do 14 km/s. Pozostała część strumienia osiąga prędkość poniżej 2 km/s. W efekcie powstałej tak dużej różnicy prędkości dochodzi do znacznego (do 2000%) wydłużenia się strumienia – wzdłuż osi pocisku. W efekcie, po upływie pewnego czasu, strumień ulega spacjacji, czyli podziałowi. Zgodnie ze szwedzkimi wytycznymi dla zespołów rozminowujących, strefa niebezpieczna, w której może przemieścić się w powietrzu prawidłowo wytworzony strumień kumulacyjny wynosi od 1000 m (kaliber wkładki 50 mm) aż do 3500 m (kaliber wkładki 150 mm). Nie należy tych wartości jednak mylić ze zdolnościami do pokonywania osłon. Zdolność ta jest zwykle podawana w wielokrotnościach kalibrów wkładki (CD, cone diameter) i jest wprost zależna od dystansu do celu. Zwykle odległość wynosząca ponad 26 średnic ładunku od celu powoduje, że strumień kumulacyjny nie jest w stanie pokonać osłony grubszej niż średnica ładunku, z której został uformowany. Dzieje się tak na skutek wspomnianej spacjacji wydłużonego strumienia. Dlatego też bardzo istotna jest tzw. ogniskowa ładunku, czyli optymalny dystans inicjacji głowicy w relacji do celu. Zwykle wynosi on około 6-8 kalibrów wkładki.

Zniszczyć cel

Interesujący jest sposób w jaki strumień kumulacyjny pokonuje monolityczny obiekt stalowy. W momencie trafienia pancerza przez strumień kumulacyjny ciśnienie spiętrzone na jego wierzchołku przekracza 100 GPa, co jest wartością dalece wykraczającą poza najtwardsze, znane obecnie materiały. W efekcie naporu strumienia na pancerz zaczynają one na siebie oddziaływać, jakby znajdowały się w stanie płynnym. Pancerz jest dosłownie „wypłukiwany” na zasadzie erozji hydrodynamicznej. Początkowo przez pancerz przebija się wierzchołek strumienia – z prędkością bliską 4 km/s, po zerodowaniu w celu jego pokonywanie kontynuuje dalsza część strumienia – z prędkością znacznie niższą, bo oscylującą w przedziale 1,5-2 km/s. W efekcie oddziaływanie na cel jest relatywnie długotrwałe, sam zaś czynnik rażący ma ogromną prędkość, która koncentruje się na wyjątkowo małej powierzchni.

Z powyższego opisu wynika kilka cech szczególnych ładunków kumulacyjnych. Najważniejsza, że mają one bardzo dużą teoretyczną przebijalność – w relacji do średnicy wkładki i masy głowicy w ogóle. Teoretycznie czyni to z nich idealny rodzaj broni przeciwpancernej, ale amunicja HEAT ma też wymierne wady. Po pierwsze proces formowania ładunku kumulacyjnego bardzo łatwo zakłócić. Trafienie odłamkiem o średnicy 5 mm w korpus ładunku za wkładką zredukuje jego przebijalność o 40%, trafienie w wkładkę miedzianą o ponad 90% (!). Również umieszczenie obiektu we wnętrzu wkładki spowoduje ten sam efekt. Dodatkowo, ruch wirowy pocisku powoduje zaburzenia podczas formowania się strumienia kumulacyjnego z wkładki – w ekstremalnych przypadkach redukowało to przebijalność głowic testowych o prawie 75%. Na dodatek, tylko 10-20% masy wkładki formuje rdzeń. Zatem ma on niewielką masę, tylko do pewnego stopnia równoważoną prędkością i niewielką średnicą strumienia. Sam wydłużony strumień jest bardzo wrażliwy na zaburzenia ciągłości. W efekcie każdy skuteczny przeciw HEAT pancerz opiera się na półaktywnym zaburzaniu ciągłości strumienia kumulacyjnego.

Mniej mordercze niż się wydaje...

Istotną kwestią jest fakt, że paradoksalnie głowice kumulacyjne dość łagodnie oddziałują na cel po pokonaniu pancerza. Kanał penetracji ma średnicę od 5 do 10 mm, co wraz z małą masą zerodowanego strumienia powoduje słaby efekt popenetracyjny. Największym zagrożeniem jest tzw. resztkowy strumień kumulacyjny, czyli taki, który pokonał pancerz, a jego prędkość wciąż wynosi kilka kilometrów na sekundę. Może on stosunkowo łatwo wywołać eksplozję amunicji lub jej deflagrację, znajdujący się na jego trasie członek załogi zapewne poniesie śmierć. Za równie poważne zagrożenie uznaje się chmurę odłamków powstałych po penetracji pancerza. Ma ona postać rozszerzającej się elipsy z wierzchołkiem przy otworze powstałym w pancerzu, podstawą zaś przy poruszającym się wierzchołku strumienia kumulacyjnego. Maksymalna prędkość jej rozchodzenia się przy podstawie chmury równa jest 90% szybkości wierzchołka resztkowego strumienia kumulacyjnego, minimalna zaś około 1400 m/s. Na szczęście dla załóg odłamki jakie ze sobą niesie są zwykle o bardzo małej masie i rozmiarach, dlatego łatwo mogą zostać zneutralizowane (przeszło 97% z nich określa się mianem „minimalnie śmiercionośnych”). Dużo poważniejszym zagrożeniem są nieliczne odłamki o masie większej niż 2 gramy i prędkości od 200 do 1400 m/s – powstaje ich tylko około 3%. Łącznie, podczas penetracji płyty stalowej symulującej np. bok kadłuba wozu powstaje około 2000-2500 odłamków o różnej masie i prędkości, rażących przedział załogi.

Za średnie zagrożenie uznano w badaniach błysk towarzyszący penetracji pancerza oraz podmuch eksplozji znajdujący się „na zewnątrz” pancerza. Koresponduje to z rosyjskimi doświadczeniami z obu wojen w Czeczenii, gdzie zwracano uwagę na ryzyko dostania się fali nadciśnienia przez otwarte włazy, w przypadku trafienia w ich okolicę. Za mało istotne zagrożenie uznano natomiast wzrost temperatury, dym oraz...podmuch eksplozji i wzrost ciśnienia wewnątrz pojazdu. Ostatnia kwestia wymaga rozwinięcia. Przez lata uważano, że wzrost ciśnienia w trafionym pojeździe po penetracji głowicą kumulacyjną jest istotnym czynnikiem letalnym. Okazało się jednak, że wniosek taki płynął po pierwsze z niedoskonałości metod badawczych lat 50. i 60. oraz charakteru ówczesnych głowic. Dodatkowo próbowano bez głębszych badań przenieść wnioski z prac na temat śmiercionośności podmuchu eksplozji w zamkniętych pomieszczeniach na wnętrze pojazdów opancerzonych po przebiciu osłony strumieniem kumulacyjnym. Efektem były mocno wadliwe wnioski. Niekiedy wręcz zalecano załogom pozostawianie otwartych włazów w celu zapobieżeniu wzrostowi ciśnienia. Dopiero w 1989 roku w amerykańskim Department of Respiratory Research Division of Medicine uznano, że „nie jest do końca jasny” mechanizm powstawania obrażeń powstałych od fali ciśnienia wewnątrz pojazdów oraz stwierdzono, iż nie istnieją szerokie dane pozwalające na wyjaśnienie obrażeń powstających na skutek oddziaływania fali ciśnienia wewnątrz trafionego pojazdu. Wyjaśnienie przyniosły dopiero dość zaskakujące wyniki badań z lat 90., prowadzonych równolegle na Zachodzie i w Rosji. Wzrost ciśnienia w trafionym pojeździe może nastąpić tylko na skutek działania resztkowego strumienia kumulacyjnego (o bardzo małej masie i bardzo dużej szybkości) oraz poprzez kanał penetracji o średnicy zwykle od 5 do 10 mm. W efekcie okazało się, że wzrost ciśnienia w pojeździe ma wpływ na załogę, ale nie jest to istotny czynnik zagrażający załodze, co więcej – okazało się, że otwarte włazy niosą ze sobą dużo większe ryzyko, ponieważ podmuch eksplozji po trafieniu jest w stanie częściowo wniknąć przez włazy do przedziału załogi. Paradoksalnie zatem otwarte włazy mogły przyczynić się do większych obrażeń załogi niż wzrost ciśnienia w pojeździe po penetracji. Niestety, mit morderczej fali ciśnienia i rzekomo zbawiennego wpływu otwartych włazów pokutuje do dziś wśród załóg wozów bojowych. Jest on wytłumaczalny, ponieważ istotnie dochodzi do wzrostu ciśnienia w trafionym pojeździe, podmuch bliskiej eksplozji jest zaś w stanie przykładowo zerwać właz lub otworzyć go, co dodatkowo sprawia wrażenie „ujścia” dzięki temu ciśnienia. Wyniki badań stoją jednak w zdecydowanej opozycji wobec powyższych przeświadczeń.

W badaniach naukowych za niemające wpływu na śmiertelność czołgistów uznano: toksyczne gazy wydzielające się po przebiciu pancerza oraz incydentalne płomienie. Czy powyższe wyniki badań potwierdziły się podczas ostatnich dwóch dekad i analiz z udziału czołgów w walkach? Zdecydowanie tak, przy czym nowsze opracowania powstałe na bazie doświadczeń z irackiego i afgańskiego pola walki wręcz pomijają inne czynniki rażące załogi niż resztkowy strumień kumulacyjny oraz odłamki. Rzekomy morderczy wzrost ciśnienia w trafionym pojeździe nie jest nawet wymieniany jako czynnik rażący, podobnie jak toksyczne opary, błysk, czy też zewnętrzny podmuch eksplozji. Generalnie, o ile nie dojdzie do zapłonu amunicji w trafionym pojeździe, ginie „tylko” członek załogi stojący na trasie resztkowego strumienia kumulacyjnego. Załoganci znajdujący się przy przeciwległej do pokonanej ściany pancerza pojazdu mogą również odnieść obrażenia od snopa odłamków, jednak najprawdopodobniej przeżyją incydent bez ciężkich obrażeń (zwłaszcza przy noszeniu kamizelki odłamkoodpornej i hełmu, pojazd posiada także warstwę przeciwodłamkową).  

Trochę historii

Głowice kumulacyjne (GK) funkcjonują w nomenklaturze anglosaskiej jako wspomniany HEAT lub SC (Shaped Charge). Ich geneza sięga jeszcze 1792 roku w Norwegii oraz 1806 roku w Niemczech, kiedy to zauważono, że ładunek prochowy z symetrycznym walcowatym wgłębieniem, użyty w górnictwie, pozwala zwiększyć siłę eksplozji przy mniejszej niż zwykle ilości prochu strzałowego. Oczywiście nie były to ładunki kumulacyjne w dzisiejszym rozumieniu, ale ich bezpośredni poprzednicy. Sama idea ładunków tego typu została opatentowana w Niemczech w 1910 i Wielkiej Brytanii w 1911 roku, przy czym w tym ostatnim kraju już w 1913 roku usiłowano używać tego typu głowic w torpedach.

Wielka Wojna, a potem okres powojenny nie przyniosły jednak popularyzacji tego typu głowic. W marynarce skuteczniejsze okazały się technologie z wysoce energetycznym materiałem wybuchowym, zwalczanie nowo powstałej broni pancernej spoczęło na barkach amunicji kinetycznej lub burzącej. Sytuacja zaczęła się jednak zmieniać w drugiej połowie lat 30., przełom zaś rozpoczął się w hitlerowskich Niemczech w 1937 roku. Dwaj naukowcy – H. Schardin i F. Thomanek – opracowali i następnie przetestowali ładunki kumulacyjne z wkładką z innych materiałów. Początkowo zastosowano szkło, ale dość szybko rozpoczęto badania nad stalą średniej twardości i miedzią – uznaną następnie za rozwiązanie optymalne. Obaj badacze opisali również kwestę ogniskowej ładunku (optymalnego dystansu inicjacji od celu) oraz precyzji wykonania wkładek. Ich odkrycia zostały opatentowane 9 grudnia 1939 roku. W taki sposób narodziły się głowice kumulacyjne w kształcie znanym do dziś. Należy jednak nadmienić, że praktycznie w tym samym czasie, a nawet wcześniej, podobne patenty zostały złożone we Francji, niewiele później w Szwajcarii. Dość szybko, bo już 18 października 1940 roku w Stanach Zjednoczonych zaprezentowano w działaniu 2,36” granat nasadkowy kumulacyjny M9A1, który następnie, w połączeniu z napędem rakietowym, ewoluował w M2A3 HEAT używany w dobrze znanych Bazookach, które już w 1942 roku trafiły do pododdziałów walczących w Afryce Północnej.

Pełna wersja artykułu w magazynie NTW 1/2019