Pociski przeciwpancerne i pancerze

Już niesłychanie dawno, bo z chwilą wynalezienia maczugi, pojawiły się środki obrony przed nią: różnego rodzaju tarcze i osłony na ciało wojownika. Przez wszystkie epoki obserwujemy swoisty "pojedynek" pomiędzy mieczem i tarczą: ilekroć ktoś wymyśli jakiś skuteczny "miecz", natychmiast pojawia się odpowiednia "tarcza" i tak to trwa do dziś, a będzie trwało dopóty, dopóki ludzkość nie wymyśli innych sposobów załatwiania sporów.

Na razie trwa nakręcanie spirali zbrojeń i kosztów, za które można by nawodnić i rekultywować np. Saharę i zamknąć problem wyżywienia głodującej części ludzkości... Pomijając więc czasy dawne: szable damasceńskie i pancerze rycerskie, można powiedzieć, że konflikt miecz-tarcza wszedł w ostrą fazę w okresie I wojny światowej, kiedy to pojawił się karabin maszynowy w wersji już dojrzałej i zdobył uznanie wojskowych. Oczywiście musiała pojawić się odpowiedź i był nią czołg, ciężki, opancerzony pojazd bojowy uzbrojony w działo i karabiny maszynowe. Odpowiedzią była artyleria przeciwpancerna. Jeszcze w początkach II wojny światowej podstawowe działka ppanc. to niewielkie armatki o kalibrach 37-56 mm i stosunkowo niewielkiej zdolności przebijania pancerzy czołgów. Przyjmowało się wtedy, że zdolność przebicia pancerza jest równa kalibrowi działka, czyli działko kaliber 57 mm przebijało pancerz o takiej grubości. Te pierwsze pociski były dość prymitywne: zwykły kształt, opływowy i dość łatwo rykoszetujący na nachylonych powierzchniach pancerza czołgu.

Pierwszym więc wynalazkiem były pociski tępogłowicowe (1), mające opływowy czepiec balistyczny, wykonany z łatwo odkształcającego się metalu; jego zadaniem było wyłącznie zmniejszenie oporu powietrza. Pod tym czepcem znajdował się główny pocisk o ściętym wierzchołku, który już tak łatwo nie rykoszetował. Dalszy rozwój pocisków przebiegał w kierunku dążenia do skupienia energii kinetycznej na możliwie małej powierzchni. Stąd pojawiły się pociski tzw. podkalibrowe (2), które przy kalibrze działa np. 85 mm miały cienkościenny czepiec balistyczny i rdzeń, wykonany z twardego stopu, na bazie uranu lub wolframu, o średnicy ok. 30 mm. Wszystko to opierało się na procesie przebijania i było w zasadzie wyjściem "siłowym". Zdolność przebijania tego typu amunicji była jednak dość spora i wynosiła do 500-700 mm pancerza RHA (Rolled Homogeneous Armour - jednolity walcowany materiał). Problemem jednakże nadal były rykoszety i - oczywiście - odpowiedź konstruktorów czołgów: pochylone ściany wieży i pancerza czołowego w obszarze pracy kierowcy. Ponieważ atutem tych pocisków jest ich wysoka prędkość początkowa sięgająca 1000 m/s, strzelanie np. torem stromym, który mógłby dać bardziej prostopadłe uderzenia w nachyloną ścianę wieży - nie wchodzi w rachubę. Tu jednak przychodzi z pomocą najnowocześniejszy i wciąż rozwijany pocisk: z ładunkiem kumulacyjnym, czyli z ładunkiem wydrążonym. Zjawisko kierunkowego zwiększenia efektów detonacji znane było już w XVIII w. Polega ono na koncentracji energii detonacji, która powoduje lokalne nasilenie działania wybuchu na otoczenie. Jako przykład może posłużyć efekt kumulacji osiowej, przedstawiony na rysunku (3).

Detonacja cylindrycznego ładunku materiału wybuchowego, który został przyłożony bezpośrednio do płyty, wykonanej np. ze stali, powoduje powstanie jedynie niewielkiego wgłębienia w płycie. Wykonanie wgłębienia w ładunku w kształcie stożka (tzw. wnęki kumulacyjnej) powoduje, iż w wyniku detonacji materiału wybuchowego następuje koncentracja energii detonacji na niewielkiej powierzchni, w wyniku czego powstaje krater o głębokości zbliżonej do średnicy ładunku. Ładunki takie nazywano ładunkami wnękowymi. Efekt ten zauważył pod koniec XVIII w. inżynier górniczy Franz von Bader. Spostrzegł on, że napisy, jakie były wytłoczone na ładunku materiału wybuchowego, w wyniku detonacji odbijają się na płytach wykonanych z metalu. Było to swoistego rodzaju grawerowanie. Dalsze badania prowadzili w Niemczech E. Neumann oraz M. Neumann (1911), którzy odkryli, że efekt kierunkowego działania ładunku wnękowego można znacznie zwiększyć, jeśli wnęka kumulacyjna zostanie wyłożona warstwą ciała stałego, np. metalu, szkła, ceramiki, o kształcie wgłębienia (4). Warstwę tę nazywa się wkładką kumulacyjną, natomiast ładunek wnękowy z wkładką nazywa się ładunkiem kumulacyjnym. Efekt kumulacyjny jest nazywany efektem Munroe'a (w Stanach Zjednoczonych) lub efektem Neumanna (w Niemczech). W badaniach nad zjawiskiem kumulacji uczestniczył także Polak - inż. Jerzy Bałaczyński, który opublikował pracę Matematyczna analiza działania naboi wydrążonych w "Przeglądzie Artyleryjskim" nr 1/1924.

Podczas II wojny światowej efekt kumulacyjny został wykorzystany w wielu odmianach broni przeciwpancernej, a jako przykłady można podać ręczne granatniki: w Niemczech o nazwie "Panzerfaust" (5) oraz w USA "bazooka" (6). Jak to często bywa, praktyka wyprzedziła analizy teoretyczne i właściwie do dziś nie wiadomo dokładnie, jak naprawdę działa struga kumulacyjna i czy efekt przebicia pancerza jest skutkiem wysokiej temperatury, czy wysokiego ciśnienia. Obecnie przyjmuje się, że materiał wkładki podczas formowania się strugi kumulacyjnej zachowuje się jak ciecz, a dokładniej ciecz nieściśliwa, ponieważ w analizach pomija się ściśliwość materiału wkładki. Założenie to nie jest dokładnie spełnione, ponieważ w obszarze kolizji występują wysokie ciśnienia sięgające 100 GPa! Efekt kumulacyjny można wzmocnić przez odpowiednie ukształtowanie frontu fali detonacyjnej, która rozgrzana do temperatury powyżej 2000°C tworzy czoło strumienia i osiąga największą prędkość 7-10 km/s.

Rozkład prędkości wzdłuż strumienia można traktować w przybliżeniu za liniowy; masowo stanowi 10-20% wkładki. W wyniku występowania efektów ścinania, strumień i wkładka obracają się w przeciwnych kierunkach. Badania właściwości ładunków kumulacyjnych wykazały, że ze wzrostem kąta rozwarcia stożka maleje prędkość czoła strumienia kumulacyjnego. Dla dużych kątów rozwarcia (powyżej 140° - brak jednak dokładnej granicy) zamiast strumienia kumulacyjnego powstaje kilka wysokoenergetycznych odłamków. Przy odpowiednim doborze parametrów prawie cały materiał tworzy jednolite ciało o dużej prędkości rzędu 2-3 km/s - jest to tzw. pocisk formowany wybuchowo. Zdolność przebijania pancerzy wozów bojowych sięga dziś 1000 mm stali HPA. Jest to grubość nierealna dla żadnego pojazdu (7). Cóż więc robią konstruktorzy czołgów? Przede wszystkim projektują pancerze jako wielowarstwowe. Struga kumulacyjna na granicy różnych ośrodków ulega częściowemu rozproszeniu, które znacznie osłabia działanie pocisku. To oczywiście za mało, więc opierając się na znanym zjawisku najsilniejszego oddziaływania strugi w odległości równej tzw. ogniskowej, wystarczy doprowadzić do wybuchu ładunku inicjującego wcześniej i efekt ostrzału może być zupełnie niegroźny dla czołgu. Stąd pojawiły się różne osłony wokół czołgów: fartuchy z blachy, twardej gumy, a nawet siatki.

Konstruktorzy pocisków dostrzegli to zjawisko i wymyślili pociski systemu "tandem", które mają dwa ładunki: pierwszy niszczący osłonę i drugi inicjujący strugę kumulacyjną. Co na to konstruktorzy czołgów? Ano wymyślili tzw. pancerz reaktywny (8). Jest to szereg płytek widocznych na zdjęciach nowoczesnych czołgów, z których każda składa się z trzech warstw: zewnętrzna stosunkowo cienka z miękkiej stali, w środku znajduje się materiał wybuchowy i płytka podkładowa. W chwili trafienia w taką "kanapkę" pociskiem kumulacyjnym następuje wybuch materiału ?klocka" i znaczne rozproszenie strugi kumulacyjnej. Klocki są łatwo montowane i zdejmowane, po każdym więc ataku artylerii przeciwnika łatwo jest uzupełnić braki. Ogromnym atutem pocisków kumulacyjnych jest ich niezależność od prędkości początkowej. Pozwoliło to na budowanie lekkich, przenośnych wyrzutni typu rakietowego, o ciężarze rzędu 20-30 kg, co jest niczym wobec masy armaty D-44, 85 mm, która wynosi ok. 1725 kg! Niezwykle niebezpiecznym przeciwnikiem dla czołgu stał się więc pojedynczy żołnierz wyposażony w taką wyrzutnię. I cóż na to konstruktorzy czołgów? Doskonalą opancerzenie reaktywne, które przeistoczyło się w aktywne. Różnica polega na tym, że aktywne opancerzenie ma wyposażenie wykrywające nadlatujący pocisk i powodujące eksplozję kostek z ładunkiem podobnym do tych z pancerza reaktywnego, ale moment ich odpalenia jest precyzyjnie dobrany do prędkości pocisku i długości ?ogniskowej". Powoduje to rozproszenie strugi i jej zerową skuteczność. I jeszcze najnowsza nowość!

Eksperci z brytyjskiego Defense Science and Technology Laboratory (DSTL), które stanowi jednostkę badawczą Ministerstwa Obrony, pracują nad... pancerzem z ochronnym polem siłowym. Silne pole elektromagnetyczne miałoby chronić pojazdy przed uderzeniem pocisków. Specjaliści twierdzą, że w pancerze czołgów można wbudować superkondensatory. Gdy pojazd wykryje, że w jego stronę lecą pociski, energia z superkondensatorów może zostać przekazana do pancerza. Wytworzy się wówczas pole elektromagnetyczne i takie pole siłowe byłoby w stanie ochronić pancerz pojazdu. Oczywiście, takie pole istniałoby jedynie przez ułamki sekundy, jednak odpowiednie dobranie momentu jego pojawienia się uchroniłoby pojazd przed ogniem wroga. Najpilniej strzeżoną tajemnicą w konstrukcji czołgu jest skład materiałów pancerza, chodzi mianowicie o warstwę zubożonego uranu. Oprócz uranu załogę np. Abramsa chroni pancerz Chobham. Parę słów o nim: na początku lat siedemdziesiątych ośrodek badawczy armii brytyjskiej w Chobham opracował nowatorski typ pancerza złożonego z warstwy kompozytu ceramicznego o strukturze plastra miodu, umieszczonej pomiędzy stalowymi płytami, kompozyt daje około 2,5-2 razy skuteczniejszą obronę przeciw ładunkom kumulacyjnym.

Czy ten wyścig się kiedykolwiek skończy? Należy wątpić. Warunkiem byłoby, żeby ludzkość nauczyła się rozwiązywać sprawy sporne metodą negocjacji. To jednak nie udało się od czasów Homera i jego Iliady i Odysei!