Amunicja termobaryczna.pdf

(228 KB) Pobierz
kpt. mgr inż. Jacek BORKOWSKI*
dr inż. Eugeniusz MILEWSKI*
dr hab. inż. Bogdan ZYGMUNT**
*Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia
**Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechatroniki
AMUNICJA TERMOBARYCZNA -
RODZAJ AMUNICJI PRZESTRZENNEJ
W artykule
przedstawiono definicje amunicji
przestrzennej
oraz
amunicji
termobarycznej.
Scharakteryzowano efekt wydłużenia czasu trwania impulsu
nadciśnienia
fali
uderzeniowej
podczas
wybuchu
przestrzennego, który znalazł zastosowanie w amunicji
termobarycznej. Przedstawiono materiały wybuchowe, które
proponuje się do wywołania tego efektu. Zaprezentowano
przykłady amunicji wojskowej, w których zastosowano ładunki
termobaryczne.
1. Wstęp
Wybuchy przestrzenne są destrukcyjnym zjawiskiem dosyć powszechnie występującym
w przemyśle. Wybuchy pyłu w elewatorach zbożowych, kopalniach, młynach czy innych
zakładach produkcyjnych są stałym zagrożeniem, przed którym należy chronić się poprzez
zastosowanie odpowiednich przedsięwzięć technicznych i organizacyjnych. Niszczące skutki
niezamierzonych eksplozji mieszanin wybuchowych typu ciało stałe/gaz oraz mieszanin typu
ciecz/gaz spowodowały duże zainteresowanie zjawiskiem wybuchu przestrzennego.
Zainteresowania te poskutkowały opracowaniem skutecznych metod ochrony przed
wybuchami takiego typu mieszanin. Innym kierunkiem badań stało się praktyczne
wykorzystanie zjawiska wybuchu przestrzennego. Pierwszymi próbami wykorzystania tego
zjawiska w technice wojskowej były bomby paliwowo-powietrzne. W literaturze
anglojęzycznej zjawisko to jest nazywane
fuel-air explosives
(FAE or FAX) a także czasami
fuel-air munitions
lub
vacuum bombs.
W polskim nazewnictwie odpowiednikiem tych
terminów jest nazwa amunicja paliwowo-powietrzna [1,2].
Kolejnym krokiem nad praktycznym wykorzystaniem zjawiska wybuchu
przestrzennego było opracowanie mieszanin wybuchowych typu ciało stałe/powietrze [3].
W końcu lat 60. XX w. W USA, w trakcie trwającego konfliktu w Wietnamie, uruchomiono
program badawczy mający na celu określenie przydatności nowej generacji górniczych MW –
zawiesinowych, do zastosowania w amunicji lotniczej o dużym tonażu. Opracowano
i przeprowadzono testy z wielko tonażową bombą lotniczą zawierająca jako ładunek
wybuchowy 5,7 t zawiesinowego MW. Zastosowany MW posiadał oznaczenie GSX,
co można odszyfrować jako
gelled slurry explosive.
Źródła
podają następujący skład: saletra
amonowa, aluminium i polimer. Zjawiska następujące w trakcie wybuchu bomby BLU-82 są
porównywane do działania amunicji paliwowo-powietrznej. Po detonacji ogromnego ładunku
wybuchowego powstawał wolny od roślinności teren o
średnicy
kilkuset metrów. Dzięki
wybuchowi bomby ponad powierzchnią gruntu, w centrum wybuchu nie powstawał krater,
jednakże w najbliższym sąsiedztwie gleba ulegała utwardzeniu, co korzystnie wpływało
na jakość lądowiska
śmigłowców.
W literaturze podaje się,
że
w pierwszym etapie działania
35
bomby ma miejsce rozproszenie ładunku w powietrzu za pomocą mniejszego ładunku
wybuchowego, a następnie detonacja rozproszonego ładunku zainicjowana silnym
detonatorem. Taki opis dokładnie odpowiada działaniu amunicji paliwowo-powietrznej,
wydaje się jednak wątpliwe, aby taki był przebieg detonacji bomby BLU-82 zawierającej
zawiesinowy MW. Bardziej prawdopodobne jest,
że
w pierwszym etapie następuje detonacja
całego ładunku bomby na skutek pobudzenia silnym detonatorem. Zakładając,
że
w ekspandujących produktach detonacji znajduje się nadmiar nie przereagowanych cząstek
aluminium o wysokiej temperaturze, jest wysoce prawdopodobna egzotermiczna reakcja
dopalania z wykorzystaniem tlenu atmosferycznego. Dopalanie może wytwarzać wtórny
płomień widziany dla obserwatora z oddali jako drugi wybuch. Dopalanie produktów
wybuchu przedłuża oddziaływanie impulsu ciśnienia na otoczenie co zwiększa efekty
niszczące wybuchu.
Następna wersja amunicji przestrzennej zawierała w ładunku wybuchowym klasyczne
kruszące MW.
Środkiem
do wytworzenia wybuchu przestrzennego były skondensowane
mieszaniny wybuchowe z silnie ujemnym bilansem tlenowym, detonujące z umiarkowaną
prędkością i wytwarzające obłok produktów detonacji zawierających składnik palny
(rozdrobniony metal), który ulegał samozapłonowi po wymieszaniu z powietrzem. Cechą
charakterystyczną wybuchu takich mieszanin jest zdolność do generowania w otoczeniu
intensywnych fal ciśnienia o wydłużonym w porównaniu do klasycznych MW czasie trwania
fazy nadciśnienia. Po raz pierwszy zostały opracowane w byłym Związku Radzieckim
w latach 80. ubiegłego wieku i użyte skutecznie w Afganistanie i Czeczenii do zwalczania
żołnierzy
ukrywających się w bunkrach, budynkach, jaskiniach i wąwozach.
W literaturze anglojęzycznej takie mieszaniny wybuchowe noszą nazwę
enhanced-blast
explosives
(EBX),
high-impulse thermobaric weapons
lub
heat and pressure weapons
(HITs).
Podobnego terminu używa się w literaturze rosyjskojęzycznej (термобарический
эффект).
W polskim nazewnictwie brak jest odpowiedniego terminu do opisu zjawiska. Nie było
ono stosowane do tej pory w polskiej technice wojskowej. Wydaje się,
że
stosowanie terminu
„termobaryczny” do opisu efektu wybuchu, w którym czas trwania impulsu nadciśnienia
został wydłużony w stosunku do klasycznych kruszących materiałów wybuchowych, jest
właściwe i pozwoli na uniknięcie nieporozumień. Nazwa ta oddaje efekty oddziałujące
na otoczenie w wyniku wybuchu ładunku termobarycznego – efekt termiczny oraz
intensywną falę ciśnienia generowaną przez ładunek materiału wybuchowego. Prace
dotyczące amunicji termobarycznej prowadzone są w WAT [4,5].
2. Amunicja przestrzenna
Amunicja przestrzenna (objętościowa –
volume-detonate weapon, volumetric weapon)
to rodzaj amunicji oddziałujący na otoczenie o znacznej powierzchni przede wszystkim
poprzez impuls cieplny oraz falę uderzeniową, trwającą kilkakrotnie dłużej niż w przypadku
klasycznych kruszących materiałów wybuchowych, wywołaną detonacją mieszaniny
wybuchowej i następującej po niej wybuchowym dopalaniem produktów wybuchu z udziałem
tlenu atmosferycznego. Do podstawowych rodzajów amunicji przestrzennej należy amunicja
paliwowo-powietrzna oraz amunicja termobaryczna.
Istnieje kilka różnic pomiędzy ładunkami paliwowo-powietrznymi a ładunkami
termobarycznymi.
Źródłem
pochodzenia rozprzestrzeniającej się fali nadciśnienia
w ładunkach termobarycznych jest, oprócz wybuchu ładunku zasadniczego, dopalanie się
stałych składników ładunku wybuchowego. W wybuchu paliwowo-powietrznym fala
nadciśnienia generowana jest przez wytworzony wcześniej aerozol (układ ciecz/gaz).
Podobnie jak w ładunkach paliwowo-powietrznych, w ładunkach termobarycznych następuje
wykorzystanie tlenu atmosferycznego jako dodatkowego utleniacza biorącego udział
36
w procesie wybuchu. Zjawisko termobaryczne w ładunkach przestrzennych jest generowane
poprzez wybuch pojedynczego ładunku. W bombach paliwowo-powietrznych następuje
w pierwszej fazie dyspergowanie cieczy, która w powietrzu tworzy obłok, następnie
pobudzany oddzielnym ładunkiem. Utleniaczem staje się tlen zawarty w powietrzu.
AMUNICJA PRZESTRZENNA
AMUNICJA
TERMOBARYCZNA
GAZOWE
MATERIAŁY
WYBUCHOWE
AMUNICJA
PALIWOWO-POWIETRZNA
MIESZANINY
WYBUCHOWE
CIAŁO STAŁE
/
GAZ
HETEROGENICZNE
MATERIAŁY
WYBUCHOWE
STAŁE
MATERIAŁY
WYBUCHOWE
MIESZANINY
WYBUCHOWE
CIAŁO STAŁE
/
CIECZ
MIESZANINY
WYBUCHOWE
CIECZ
/
GAZ
CIEKŁE
MATERIAŁY
WYBUCHOWE
Rysunek 1. Klasyfikacja materiałów wybuchowych ze względu na stan skupienia [6]
a amunicja przestrzenna
Oba efekty, ze względu na podobny mechanizm i skutki oddziaływania na otoczenie są
przez niektórych autorów traktowane jako jedno zjawisko. Występuje jednak między nimi
zasadnicza różnica. Efekt termobaryczny wywołują stałe mieszaniny wybuchowe,
które w drugiej fazie reakcji wykorzystują tlen zawarty w powietrzu otaczającym miejsce
wybuchu. W tej ostatniej fazie można je potraktować jako mieszaniny wybuchowe typu ciało
stałe/gaz. Pomimo odmiennej przyczyny obu zjawisk, efekty oddziaływania na otoczenie są
zbliżone do siebie [7].
2. Materiały wybuchowe generujące efekt termobaryczny
Materiały wybuchowe generujące efekt termobaryczny są mieszaninami wybuchowymi
złożonymi z kilku składników. Zawierają zarówno klasyczne materiały wybuchowe jak
również utleniacze nieorganiczne i substancje palne, głównie proszki metali lekkich.
Przykładowy skład chemiczny termobarycznego materiału wybuchowego przedstawiono
w Tabeli 1 [8]. Ogólną budowę ładunków termobarycznych przedstawiono na Rysunku 2.
Zarówno ładunek kulisty jak i walcowy składa się z dwóch części. W
środku
znajduje się
klasyczny kruszący materiał wybuchowy pobudzany inicjatorem. W zewnętrznej warstwie
znajduje się mieszanina utleniacza i metalu aktywnego, którego cząsteczki pokryte są cienką
warstwą flegmatyzatora. Wybuch klasycznego ładunku wybuchowego powoduje częściowe
wybuchowe przereagowanie oraz dyspersję materiału otoczki. Mieszanina utleniacza i metalu
37
reaktywnego rozkłada się następnie z wykorzystaniem tlenu z powietrza. Wydziela się
przy tym duża ilość ciepła oraz intensywna fala uderzeniowa. Masa ładunku wybuchowego
z efektem termobarycznym daje więcej energii, podczas wybuchu, niż porównywalna masa
klasycznego kruszącego materiału wybuchowego.
Tabela 1. Skład termobarycznego materiału wybuchowego [8]
Lp.
1.
2.
3.
4.
Składnik
nadchloran amonu
metal reaktywny (aluminium)
flegmatyzator (polimer)
Kruszący materiał wybuchowy
Zawartość [%]
12 – 36
30 – 40
4–7
30 - 55
W skład ładunków termobarycznych wchodzą klasyczne kruszące materiały
wybuchowe. Do najpopularniejszych należą: oktogen (HMX, cyklotetrametylenotetraamina),
heksogen (RDX, cyklotrimetylenotrinitroamina), Cl-20 (heksanitroheksaazaizowurcytan).
Do najpowszechniej stosowanych utleniaczy należy nadchloran amonu NH
4
ClO
4
oraz azotan amonu -NH
4
NO
3
. Stosuje się drobno sproszkowany nadchloran o rozmiarach
ziarna 11 – 100
µm.
Zawartość utleniacza w mieszaninie wybuchowej to 12 – 36 %.
W optymalnej mieszance wybuchowej jest go około 20 % [8]. Stosować można także inne
utleniacze: sól amonową dinitroaminy NH
4
N(NO
2
)
2
czy azotan baru BaNO
3
.
2
2
1
A
1
B
Rysunek 2. Ogólna budowa ładunków termobarycznych: A – kulisty, B - walcowy
1 – kruszący materiał wybuchowy, 2 – miesznina utleniacza i metalu reaktywnego
W materiałach termobarycznych występują dwa rodzaje substancji palnych: metal
reaktywny oraz związek wielkocząsteczkowy, który spełnia rolę flegmatyzatora lub jeśli
zachodzi konieczność plastyfikatora. Do zastosowania w odlewanych termobarycznych
mieszaninach wybuchowych zostały wytypowane następujące materiały wielkocząsteczkowe:
polibutadien zakończony grupą hydroksylową (HTPB), poliestry zakończone grupą
hydroksylową, polietery zakończony grupą hydroksylową, polimer azydku glicydu (GAP).
Oprócz powyższych związków jako flegmatyzator stosuje się również inne polimery: estry
kwasu akrylowego (Zeon), pochodne heksafluoropropylenu (Viton) czy nitrocelulozę.
Zawartość polimeru w mieszaninach prasowanych wynosi około 4 %, zaś w mieszaninach
odlewanych około 7 % [9].
Jako metal reaktywny proponuje się zastosować drobno sproszkowane aluminium (Al),
proszek tytanu (Ti), boru (B) lub magnezu (Mg). Możliwe jest stosowanie także nanostruktur
tych metali. Zastosować także można dwuskładnikowe mieszaniny metali: Al – Mg, B – Mg,
Al – B, Ti – B. W Stanach Zjednoczonych stosuje się także specjalne rodzaje drobno
sproszkowanego sferycznego aluminium – H-2 (średnica ziarna 2
µm)
oraz H-5 (średnica
ziarna 2
µm)
[9].
38
3. Charakterystyka efektu termobarycznego
W mieszaninach wybuchowych generujących efekt termobaryczny proces wybuchu przebiega
dwuetapowo. W pierwszym stadium następuje detonacja mieszaniny a ekspandujące produkty
wybuchu ulegają wymieszaniu z powietrzem. Ze względu na silnie ujemny bilans tlenowy
wyjściowej mieszaniny wybuchowej, w produktach wybuchu znajdują się rozżarzone cząstki
nieprzereagowanego w pełni aluminium i węgla (sadzy) oraz wodór i tlenek węgla o wysokiej
temperaturze. Substancje te będą energicznie reagować z tlenem atmosferycznym, w miarę
postępowania procesu ekspansji i mieszania produktów wybuchu z powietrzem. Proces ten
trwa wielokrotnie dłużej niż pierwotna detonacja mieszaniny, co powoduje podtrzymanie
wartości fali nadciśnienia propagującej się w powietrzu. Równowaga reakcji chemicznych
zachodzących w strefie reakcji przesuwa się w kierunku maksymalizacji ciepła reakcji
oraz zmniejszenia objętości produktów wybuchu. Nadmiar pyłu aluminiowego zawarty
w mieszaninie termobarycznej powoduje, iż tylko określona część pyłu przereaguje
bezpośrednio w strefie reakcji chemicznej przemieszczającej się bezpośrednio za frontem fali
detonacyjnej w materiale wybuchowym. Wykazano, iż stopień przereagowania pyłu
aluminiowego w mieszaninie z flegmatyzowanym oktogenem, przy zawartości pyłu powyżej
20 % wynosi 50 % [10].
p
p
2
TERMOBARYCZNY MW
KLASYCZNY KRUSZĄCY MW
p
1
p
0
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
Rysunek 3. Zależność ciśnienia p od czasu t
dla termobarycznego i klasycznego kruszącego materiału wybuchowego
Obecność nadmiaru pyłu aluminiowego w termobarycznych materiałach wybuchowych
powoduje kolejny etap współreagowania związków powstałych w etapie rozkładu składników
materiału wybuchowego. Jest to reakcja utleniania pyłu aluminiowego tlenem zawartym
w powietrzu otaczającym miejsce wybuchu. Wraz z gazowymi produktami wybuchu,
w otaczającej atmosferze, rozprzestrzenia się pył aluminiowy, który nie uległ reakcji
w procesie detonacji materiału wybuchowego. Gazowe produkty wybuchu, podgrzane
do wysokiej temperatury powodują rozgrzanie cząsteczek pyłu rozprzestrzeniającego się
w otoczeniu miejsca wybuchu i następuje jego spalanie w tlenie znajdującym się
w atmosferze. Proces ten generuje dodatkowy efekt cieplny reakcji rozkładu oddziałujący
na otoczenie oraz wydłuża czas trwania impulsu fali nadciśnienia i podciśnienia.
39

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin