Боеприпасы объемного взрыва (иногда они называются объемно-детонирующими), сравнимы с маломощными ядерными боеприпасами по поражающему воздействию ударной волны. Рассматривая принцип действия боеприпасов объемного взрыва, западные специалисты проводят определенную аналогию со случайными взрывами, происходящими порой на предприятиях химической промышленности, в элеваторах, зернохранилищах, подземных шахтах, на складах химических легковоспламеняющихся и летучих веществ, а также при перевозке таких веществ различными видами транспорта. В обоих случаях взрыв имеет одинаковый механизм - образование аэрозольной смеси летучих газообразных, жидких или твердых (порошковые взвеси) веществ с достаточно высокой калорийностью, которые воспламеняются случайно или с помощью детонаторов (в боеприпасах объемного взрыва). При этом в определенных условиях, зависящих в первую очередь от концентрации веществ в воздухе (в частности, углеводородных топлив), а также от ряда физико-химических свойств и сложных газодинамических процессов перемешивания и горения, в подобном топливно-воздушном облаке может возникнуть детонационный процесс в виде взрыва, вызывающего значительные разрушения.
Основным поражающим фактором боеприпасов объемного взрыва является избыточное давление во фронте ударной волны, которое при возникновении детонации в топливно-воздушном облаке достигает в его центре около 30 кг/см2, а в зоне детонации за несколько десятков микросекунд развивается температура 2500-3000° С. По своим параметрам (длительность затухания внутри и вне облака) избыточное давление боеприпаса объемного взрыва превосходит давление во фронте ударной волны, создаваемой обычным ВВ. За пределами облака ударная волна с затянутыми областями сжатия и разряжения распространяется со скоростью 1500-3000 м/с и на удалении 100 м избыточное давление во фронте ударной волны может составлять 1 кг/см2.
Поскольку топливно-воздушная смесь способна проникать в негерметичные объемы и формироваться по профилю рельефа местности, то при создании условий детонации от поражающего воздействия боеприпасов объемного взрыва не защищают ни складки местности, ни полевые оборонительные сооружения. Кроме того, попадая в замкнутые объемы через вентиляционные входы фортификационных сооружений или открытые окна зданий, топливно-воздушные смеси оказываются в более благоприятных условиях для развития детонационного процесса и производят разрушения несущих конструкций этих сооружений и вывод их из строя.
Подобные свойства боеприпасов объемного взрыва позволяют рассматривать это оружие в качестве средства поражения неукрытой и слабозащищенной живой силы, боевой техники на открытой местности, фортификационных и оборонительных сооружений, проделывания проходов в минных заграждениях, расчистки и подготовки временных площадок для десантирования и посадки вертолетов, разрушения зданий и подавления опорных пунктов при ведении уличных боев в городе, борьбы с противокорабельными ракетами и надводными кораблями, уничтожения растительности и посевов сельскохозяйственных культур и т. д.
Первые штатные боеприпасы объемного взрыва были созданы в США в 1969-1971 годах и применялись в войне в Вьетнаме. В качестве боевого заряда в этих боеприпасах использовались жидкие углеводородные топлива, находившиеся при нормальном или повышенном давлении, в том числе окись этилена или пропилена, метан, гропилнитрат, смесь МАРР и другие.
Смесь МАРР имеет в своем составе насыщенные и ненасыщенные углеводороды. Один из типовых ее вариантов включает 18 проц. пропана, 7,4 проц. пропилена, 10 проц. нормального бутана, 26,1 проц. пропадиена и 37 проц. метилацетилена, а также менее 1 проц. этана, циклопропана и ненасыщенных бутанов. Эта смесь изготовляется американской фирмой «Доу кемикл», стяжавшей себе незавидную славу поставками Пентагону так называемой «оранжевой смеси», котороя широко применялась во Вьетнаме и ввиду наличия в ней высокотоксичного диоксина оказалась фактически длительно действующим химическим оружием, запрещенным соответствующими международными конвенциями как варварское средство вооруженной борьбы.
Типичным образцом первых боеприпасов объемного взрыва (в западной прессе их относят к боеприпасам первого поколения) является авиационная бомбовая кассета CBU-55 калибра 500 фунтов, поступившая на вооружение авиации морской пехоты, а также армейской и тактической авиации США в 1969-1971 годах. Эта кассета применялась с легких дозвуковых самолетов типов A-37 и OV-10 и вертолетов UH-1 при высоте полета около 600 м и скорости 120 км/ч. Кассета (в ней три бомбы BLU-73) имеет следующие характеристики: общий вес 235 кг, заряда (жидкая окись этилена) в каждой бомбе - 32,6 кг, одной бомбы - 45 кг, диаметр зоны поражения одной бомбой 100 м, длина кассеты 2285 мм, диаметр корпуса - 356 мм, размах хвостового стабилизатора 712 мм, база подвески 356 мм.
Вдоль борта корпуса кассеты от очка головного взрывателя до донной крышки проложен детонирующий шнур, который при подрыве обеспечивает раскрытие кассеты в воздухе. Затем каждая из трех бомб (представляет собой контейнер с окисью этилена) снижается на индивидуальном тормозном парашюте, обеспечивающем уменьшение скорости снижения у земной поверхности до 33 м/с. При падении бомбы на грунт срабатывает ударный взрыватель, подрывающий вышибной заряд, который расположен вдоль продольной оси контейнера. В результате этого происходит распыление окиси этилена и образование топливно-воздушного облака диаметром 15-17 м и высотой 2,5-3 м.
Подрыв топливно-воздушного облака производится детонаторами спустя 125 мс на высоте примерно 1 м. При образовании облака с достаточной концентрацией (1-3x10 г/см3) и дисперсностью капель окиси этилена около 1 мм инициирование детонаторов обусловливает возникновение горения с образованием ударной волны, распространяющейся со сверхзвуковой скоростью. Согласно приводимым в зарубежной печати данным, при нормальной организации детонационного процесса избыточное давление во фронте ударной волны (на удалении 15 м от центра топливно-воздушного облака) достигает почти 29 кг/см2, что позволяет полностью уничтожать даже густую растительность на площади диаметром 30 м.
В 1971 году была создана модификация этой кассеты, получившая обозначение CBU-72. Ее можно применять со скоростных самолетов типов A-4, A-7 и F-4. Кассета оснащается дополнительным тормозным парашютом, замедляющим снижение до скорости, при которой возможно раскрытие и дальнейшее самостоятельное падение бомб BLU-73.
Наряду с этими кассетами, основным заказчиком которых являлись ВМС США, в тот же период разрабатывались боегрипасы объемного взрыва и для других видов вооруженных сил. Так, для ВВС в рамках программы «Пейв Пэт» были созданы малокалиберные бомбы объемного взрыва BLU-72 и BLU-76, снаряжаемые в кассеты и предназначенные для использования соответственно с дозвуковых и сверхзвуковых самолетов. Боевым зарядом в них является окись этилена (33,5 кг), время задержки подрыва после распыления и образования топливно-воздушного облака может составлять около 4 с. Для авиации морской пехоты создана система MADFAE (до 12 бомб объемного взрыва, подвешиваемых на вертолеты СН-46, СН-53 и UH-1), предназначенная для проделывания проходов в минных заграждениях. Каждая бомба снаряжается 62 кг окиси этилена или прошлена. Сброс бомб может производиться одновременно, одиночно или поочередно. Максимальная длина прохода в минном заграждении составляет около 300 м.
Опыт боевого применения и результаты многочисленных испытаний позволили оценить эффективность боеприпасов объемного взрыва первого поколения и выявить их недостатки. В частности, одним из наиболее серьезных недостатков американские специалисты считают существенную зависимость эффективности боеприпасов от соблюдения методики бомбометания и метеорологических условий, которые непосредственно влияют на образование топливно-воздушного облака. В случае неоптимальной концентрации топлива, зависящей от ряда факторов, в том числе метеорологических (давление, влажность и температура окружающего воздуха, наличие ветра и т. п.), или от несвоевременного подрыва, в облаке вместо детонации может развиться процесс простого горения.
В бомбах BLU-73 был выявлен такой конструктивный недостаток, как ограничение боевого применения в условиях отрицательных температур. В частности, было установлено, что при температурах ниже -7°С возникает объемное сжатие окиси этилена, что обусловливает образование пустот внутри контейнера и оголение вышибного заряда. В результате может образоваться топливно-воздушное облако с неоптимальной концентрацией, что вызовет снижение боевой эффективности.
Учитывая накопленный опыт боевого применения и результаты испытаний боеприпасов объемного взрыва, в США в первой половине 70-х годов был развернут широкий фронт работ по теоретическим исследованиям проблемы детонации топливно-воздушных смесей, а также по практическим разработкам указанных боеприпасов второго поколения. Эти работы велись по двум основным направлениям: создание теоретических основ процесса оптимального образования топливно-воздушного облака и механизма его подрыва с уменьшением зависимости от метеорологических факторов и обеспечением максимальной боевой эффективности; поиски новых, более энергоемких топлив и создание мощных боеприпасов, способных развивать Убыточное давление во фронте ударной волны до 100 кг/см2.
В 1975 году была составлена специальная машинная модель DICE-FAE, которая позволяет моделировать в ЭВМ такие процессы, как образование топливно-воздушной смеси, динамика дробления капель жидкого топлива в воздухе под действием аэродинамических сил и детонация топливно-воздушного облака. Данная модель использовалась, например, для исследования и моделирования указанных процессе в бомбе BLU-73, причем результаты практически совпали с параметрами, измеренными при экспериментальном подрыве аналогичного боеприпаса объемного взрыва с зарядом, содержащим окись этилена.
Так, выявилось, что после срабатывания вышибного заряда окись этилена распыляется в облако высотой 3 м и радиусом 6 м, при этом завихрения, образующиеся в воздухе при взрыве вышибного заряда, обеспечивают такое дробление капель окиси этилена: спустя 10 мс все капли диаметром менее 10 мм распадаются на капли диаметром 0-2 мм и к моменту истечения 30 мс, когда производится подрыв топливно-воздушного облака детонатором (вес ВВ в нем должен быть не менее 350 г), до 90 проц. окиси этилена в облаке существует в виде капель диаметром 0-2 мм. В этот момент в облаке возникает детонационная волна, воздействие которой обусловливает испарение капель окиси этилена и их горение до полного израсходования топлива или кислорода воздуха. Процесс испарения мелких капель происходит на отрезке времени между 60-й и 63-й мс, процесс детонации завершается к 67-й, а полное выгорание топлива в воздухе - к 77-й. В целом из 32,6 кг окиси этилена в процессе детонации используется 27 кг (83 проц.). 1,35 кг (4 проц.) выпадает на грунт, 0,25 кг (1 проц.) остается в виде капель диаметром более 10 мм и 4 кг (12 проц.) - в виде несгоревших паров. Максимальное давление на поверхность земли при подрыве облака составляет 14 кг/см2 на удалении 3 м.
Считается, что машинная модель DICE-FAE позволяет не только обходиться без натурных испытаний, но и определять весовое соотношение топлива и вышибного заряда, распределение топлива по размерам капель в топливно-воздушном облаке, высоту и скорость падения боеприпаса в момент подрыва вышибного заряда, характеристики топлива, влияющие на дробление и испарение капель, место и время подрыва детонаторов и их параметры.
К боеприпасам второго поколения относятся бомбы BLU-95 (калибра 500 фунтов) и BLU-96 (2000), предназначенные для применения со скоростных самолетов. Они снаряжаются окисью пропилена (соответственно 136 и 635 кг). Один из вариантов BLU-96 создан для использования в качестве боевой части в управляемых авиационных бомбах GBU-15. Разработанная авиационная бомба объемного взрыва калибра 1000 фунтов имеет заряд, содержащий 500 кг метана. Как сообщалось в иностранной прессе, избыточное давление во фронте ударной волны, создаваемой ею, составляет 0,9 кг/см2 на удалении 130 м и 0,42 кг/см2 на удалении 190 м. При этом отмечается, что при избыточном давлении 0,8 кг/см2 наносятся серьезные повреждения надводному кораблю, а давление 0,42 кг/см2 уже достаточно для вывода из строя оптических приборов и радиосвязных антенн, применяемых на танках.
Одним из перспективных углеводородных топлив для боеприпасов второго поколения считается жидкий гептан. Химическая активность этого соединения увеличивается при введении в него дополнительно до 20 проц. пропилнитрата или бутилнитрата, что дает повышение его детонационных характеристик. Во время проведения экспериментов средняя скорость прохождения ударной волны при детонации гептано-воздушного облака диаметром 7 м (с добавлением 20 проц. пропилнитрата) достигала примерно 1600 м/с. По сравнению с окисью пропилена в таком объеме расходуется на 27 проц. больше атмосферного кислорода, что увеличивает зону детонации, а следовательно, и боевую эффективность боеприпаса. Отмечается также, что, если уменьшать диаметр капель гептана в топливно-воздушном облаке, детонационный процесс значительно усиливается.
К боеприпасам объемного взрыва второго поколения американские специалисты относят и наземную систему разминирования SLU-FAE. Она представляет собой 30-ствольную реактивную систему залпового огня, смонтированную на гусеничном транспортере М548, которая ведет стрельбу 346-мм неуправляемыми ракетами с зарядами объемного взрыва на дальность 300-1000 м. Каждая ракета имеет вес 87 кг, боевая часть снаряжается окисью пропилена (38 кг).
Боевое применение боеприпасов первого поколения в Юго-Восточной Азии показало, что это оружие противоречит принятым международным нормам ведения вооруженной борьбы. В частности, было установлено, что создаваемая при взрыве боеприпасов объемного взрыва ударная волна вызывает такие поражения, как воздушная эмболия кровеносных сосудов (закупорка пузырьками воздуха), контузия головного мозга, внутренние кровотечения ввиду разрыва паренхиматозных органов (печени, селезенки), пневмоторакс (проникновение воздуха в плевральную полость и в результате этого выключение легкого из акта дыхания), ателектазы легкого (выключение из функции дыхания отдельных участков легочной ткани вследствие потери их эластичности), выход из орбит глазных яблок, разрыв барабанных перепонок и т.п. Все это, а также неэффективность известных мер защиты послужили основой для того, чтобы в ООН боеприпасы объемного взрыва были квалифицированы как «негуманные средства ведения войны, вызывающие чрезмерные страдания людей». В результате в 1976 году в Женеве на заседании Чрезвычайного комитета по обычному оружию был принят документ, в котором боеприпасы объемного взрыва по квалификационным признакам признаны как вид оружия, требующий международного запрещения.
В итоге развернувшейся в тот период в ООН кампании за запрещение военного применения боеприпасов объемного взрыва американская администрация была вынуждена ввести в феврале 1977 года запрет на продажу этого оружия другим странам, хотя незадолго до этого США обещали поставить его Израилю. В это же время Израиль принял решение о разработке собственных боеприпасов объемного взрыва.
Работы по созданию новых видов высокоэффективного оружия в США продолжились, в том числе и боеприпасов объемного взрыва третьего поколения. Принципиальным их отличием является единый процесс образования топливно-воздушного облака и его детонации, то есть применение только одного вышибного заряда и исключение необходимости в инициирующих детонаторах. Подобный единый процесс сулит весьма большие выгоды, поскольку он существенно снижает влияние внешних, в том числе метеорологических, факторов.
Для детонации топливно-воздушного облака в боеприпасах объемного взрыва третьего поколения используются такие механизмы воздействия, как ударная волна, химическая реакция, фотохимическое и тепловое воспламенение. Отмечается, что ударная волна, создаваемая при взрыве 2 кг обычного ВВ, способна вызвать детонацию в топливно-воздушных смесях из метана и пропана с воздухом, имеющих процентное соотношение концентраций 70:30 и 60:40.
При химическом инициировании, считающемся одним из наиболее перспективных, используется окислитель, впрыскиваемый в основное топливо после его распыления, который либо самостоятельно, либо с участием катализаторов обеспечивает воспламенение газовой смеси. Функция катализаторов заключается в том, что благодаря вступлению в химическую реакцию с топливом или кислородом образуются промежуточные продукты горения (свободные радикалы), необходимые для возникновения детонационного процесса. Экспериментально детонация была получена в ацетилене, пропане и бутане при использовании фтора (в качестве катализатора) и чистого или атмосферного кислорода (окислителя).
Энергетический выход детонационного процесса при химическом механизме инициирования зависит от последовательного рассеивания топлива и окислителя, количества высвобождающейся энергии при реакции с окислителем, а также горения топлива. Для достижения максимального энергетического выхода изучаются два возможных способа. Один из них заключается в подборе точного времени задержки впрыскивания окислителя, которое обеспечивает возникновение химической реакции после рассеивания топлива в облако с нужной концентрацией и высвобождение энергии в пределах облака, что создает когерентные импульсы давления, планомерно усиливающие ударную волну до уровня развития детонационного процесса. При втором способе, исключающем необходимость в подобной временной задержке, используется окислитель в виде высокоактивных полигалогенов в сочетании с распыляющим вышибным зарядом. Это обеспечивает фактически одновременность процессов распыления топлива и воспламенения, протекающих с такой высокой скоростью, что при образовании облака и его горении возникает быстроперемещающийся фронт высвобождения больших количеств энергии, дающий в итоге ударную волну.
Один из экспериментальных боеприпасов объемного взрыва, где реализуется первый способ, представлял собой контейнер с порошковым наполнителем (например, алюминий) или жидким углеводородным топливом весом 5 кг. В нем находится стальной баллон с окислителем весом 400 г, заворачиваемый в листовое ВВ. При подрыве ВВ происходит распыление топлива, а спустя некоторое время - окислителя. Считается, что для нормальной организации детонационного процесса время задержки распыления последнего должно составлять 40-50 мс, причем эксперименты показали возможность регулирования скорости детонации путем изменения скорости распыления окислителя.
В основе механизма организации детонационного процесса по второму способу лежит образование направленных струй распыляемого топлива (дизельное топливо или гептан) и окислителя благодаря звездообразной форме вышибного заряда и возникновению кумулятивного эффекта в выемках между «зубцами» заряда, в которых размещается окислитель, помещенный в контейнеры из нержавеющей стали. Жидкие углеводороды и полигалогены являются абсолютно несмешивающимися соединениями, однако, будучи более тяжелыми, полигалогены перемешиваются в распыленном виде с распыленными углеводородами, поскольку существует нестабильность на границе «жидкость - жидкость». Дробление обеих жидкостей на мельчайшие капли происходит в результате воздействия давления от взрыва вышибного заряда величиной в несколько сотен тысяч килограммов на 1 см2. При этом струи топливно-окислительной смеси увлекают за собой массы воздуха, находящегося между ними, причем в большем количестве, чем требуется для горения топлива, которое происходит скоротечно в виде взрыва.
Экспериментально установлено, что при использовании окислителя CIF3 инициирование происходит через 10-15 мкс, а BrF3 - через несколько сотен микросекунд, так что в последнем случае получается больше времени на перемешивание топливно-окислительной смеси с воздухом, а следовательно, в детонационный процесс вовлекается большее количество кислорода. При цилиндрической форме боеприпаса объемного взрыва топливно-окислительные струи создают кольцевое облако, в котором ударная волна образуется как в радиальном, так и в осевом направлении, причем скорость осевой ударной волны достигает М = 4-5. В этом случае скачок температуры и давления в ее фронте будет значительно ускорять горение, что дает наращивание скорости ударной волны и развитие детонации более высокого порядка.
В основе фотохимического способа воспламенения находится принцип повышения концентрации свободных радикалов, образующихся в результате распада (фотодиссоциации) соединений под воздействием ультрафиолетовых лучей. Согласно зарубежным публикациям, энергия ультрафиолетовых импульсов, необходимая, например, для воспламенения пропано-воздушных смесей с концентрацией пропана примерно 4 проц. при давлении в облаке 0,675 кг/см2, составляет порядка 4 Дж. При этом воспламенение смеси вызывают ультрафиолетовые лучи с длиной волны 145-165 нм, а ускорение горения - с длиной 163-200 нм.
По тепловому механизму инициирования работают, в частности, лазеры на рубиновом кристалле (в импульсном режиме или режиме с переключением добротности). Экспериментально установлено, что в топливно-воздушном облаке с пропилнитратом и гептаном капли топлива распыляются без горения, но с образованием взрывной волны при облучении в режиме переключения добротности, а детонационный процесс получается при облучении лазерными импульсами (с периодом повторения 100 мкс) капелек топлива в смеси с кислородом. Топливо в смеси с обычным воздухом дает при этих условиях лишь простое горение.
В иностранной прессе отмечается, что, помимо США и Израиля, весьма активные работы по созданию боеприпасов объемного взрыва проводились также во Франции, Канаде, Великобритании, Японии и ряде других стран.
