Cấu tạo bom đạn

[huyphongssi]

Thực hiện chỉ đạo của các thủ trưởng chuyên mục "Kiến thức quốc phòng", Huyphong xin phép mở chủ đề "Cấu tạo bom đạn" trong khi thực hiện các chủ đề khác.

Đây là chủ đề có tính phi quy ước, phạm vi rộng, nội dung nhiều nên huyphong mong nhận được sự hỗ trợ về tư liệu của các thủ trưởng, các đồng chí và các bạn thành viên Diễn đàn.

Về cơ bản, chủ đề gồm 2 phần chính:
Phần 1 - Nguyên lí cấu tạo chung
Phần 2 - Cấu tạo các loại bom đạn cụ thể 

[huyphongssi]

Phần 1 - Nguyên lí cấu tạo chung
Phần đầu nổ

Nhập môn đầu nổ và thuốc nổ

Đầu nổ (боевая часть/warhead) là bộ phận chứa liều nổ giữ chức năng sát thương hay phá huỷ mục tiêu chủ yếu của bom đạn. Mặc dù cách thức phá huỷ mục tiêu của các loại đầu nổ là khác nhau, nhưng chúng có đặc điểm chung là gây sát thương bằng việc chuyển hoá năng lượng phản ứng nổ từ đầu nổ sang mục tiêu qua sóng nổ và động năng mảnh đạn.

Phản ứng nổ là một phản ứng hoá học giải phóng năng lượng tức thời của thuốc nổ trong liều nổ của đầu nổ. Phản ứng này phải diễn ra đủ nhanh để năng lượng được giải phóng từ liều nổ tạo thành các sản phẩm nổ phù hợp với thiết kế của loại đầu nổ tương ứng.

Tổng số năng lượng được giải phóng trong phản ứng nổ được gọi là nhiệt nổ. Do nhiệt nổ là năng lượng phát sinh từ phản ứng ô xi hoá thuốc nổ, nên hàm lượng ô xi có sẵn trong thuốc nổ là yếu tố then chốt đối với hiệu năng toả nhiệt của phản ứng nổ. Nếu hàm lượng ô xi không đủ cho phản ứng đốt lượng các bon và hi đrô cơ hữu trong thuốc nổ, thì loại thuốc nổ đó được gọi là thuốc nổ yếm khí. Ngược lại, nó được gọi là thuốc nổ cầu khí. Loại thuốc nổ quy ước TNT (Trinitrotoluene - C₇H₅N₃O₆) là loại thuốc nổ yếm khí, tức nó có thể tham gia phản ứng nổ ngay cả trong môi trường thiếu ô xi. Theo tính toán, mỗi 1 kg thuốc nổ TNT giải phóng 2,175x10⁶ Jun năng lượng.

Cấu tạo phân tử thuốc nổ TNT (ảnh cornellbiochem.wikispaces.com)

Yếu tố quyết định việc chuyển nhiệt nổ thành công cơ học là số lượng khí nổ dùng vào việc giãn nở. Ví dụ trong trường hợp thuốc nổ TNT, cứ mỗi 1 thể tích mol thuốc nổ cho ra sản phẩm nổ là 10 thể tích mol khí nổ. Hệ số tạo khí nổ của thuốc nổ được gọi là sức nổ. Trên cơ sở sức nổ tiêu chuẩn của thuốc nổ TNT vừa nêu, sức nổ của các loại thuốc nổ hay phản ứng nổ khác được quy ra đơn vị tương đương TNT gọi là đương lượng TNT.     

Khí nổ với áp suất và nhiệt độ cao là sản phẩm quan trọng nhất của phản ứng nổ. Khi phản ứng nổ diễn ra, các sản phẩm của phản ứng nổ như khối khí nổ có áp suất và nhiệt độ cao giãn nở nhanh chóng tạo thành sóng xung kích hay truyền động năng cho lớp mảnh đạn, hoặc kết hợp giữa sóng xung kích và động năng mảnh đạn khi lớp vỏ đạn bọc đầu nổ bị phá vỡ.

(còn tiếp)

[huyphongssi]

Phần 1 - Nguyên lí cấu tạo chung
Phần đầu nổ

Nhập môn đầu nổ và thuốc nổ

(tiếp)

Thuốc nổ chứa trong đầu nổ bom đạn không những cần giàu năng lượng, mà còn phải phản ứng nổ cấp thời khi được kích nổ. Tốc độ tham gia phản ứng nổ là yếu tố sống còn cho việc giải phóng một lượng năng lượng lớn của thuốc nổ trong một thể tích giới hạn của đầu nổ, qua đó hình thành sóng xung kích và truyền động năng cho mảnh đạn đủ đáp ứng hiệu năng tiêu diệt mục tiêu theo thiết kế của đầu nổ. Vì thế, tốc độ phản ứng nổ quyết định loại thuốc nổ được dùng cho đầu nổ của bom đạn. Đầu nổ của các loại bom đạn thường sử dụng loại thuốc nổ mạnh có độ nhạy nổ thấp nhưng tốc độ phản ứng nổ rất cao.

Cấu tạo đầu nổ (hình ru.wikipedia.org)

Cấu tạo đầu nổ: đầu nổ cơ bản gồm 3 cấu phần chính là ngòi nổ, liều nổ và vỏ đầu nổ.

Ngòi nổ (Взрыватель/Fuze) có nhiều bộ phận thực hiện các chức năng khác nhau như: bộ phận dò cận đích dùng phát hiện sự hiện diện của mục tiêu trong tầm sát thương để kích hoạt quá trình nổ; bộ phận khoá an toàn dùng bảo hiểm cơ chế kích hoạt ngòi và kíp nổ để tránh kích nổ đầu nổ ngoài ý muốn; bộ phận kíp nổ và thuốc mồi dùng kích nổ liều nổ, v.v. (phần ngòi nổ sẽ được đề cập trong phần riêng).

Liều nổ (Взрывчатое вещество/Explosive charge), còn gọi là lượng nổ, là khối lượng thuốc nổ nhất định nhồi trong đầu nổ nhằm phục vụ chức năng phá huỷ mục tiêu theo thiết kế của đầu nổ. Thuốc nổ của liều nổ là loại thuốc nổ chính có độ nhạy nổ thấp và tốc độ phản ứng nổ cao.

Vỏ đầu nổ (Корпус/Warhead casing) là phần bọc phía ngoài liều nổ có tác dụng tích áp làm tăng tính sát thương của đầu nổ. Vỏ đầu nổ có thể bằng vật liệu kim loại hoặc vật liệu tống hợp.

Cơ chế nổ được thực hiện như sau: Khi ngòi nổ kích nổ liều nổ, phản ứng nổ giải phóng lượng lớn khí nổ có áp suất và nhiệt độ cao từ khối thuốc nổ của liều. Khí nổ bị vỏ đầu nổ giữ lại cho tới khi toàn bộ lượng thuốc nổ cháy hết tạo thành ngưỡng quá áp phá vỡ vỏ đầu nổ. Khi được giải thoát khỏi vỏ đầu nổ, khí nổ giãn nở nhanh chóng sẽ nén lớp không khí bao quanh và tạo thành sóng nổ (sóng xung kích) lan toả theo hướng li tâm ngang với tốc độ lan truyền âm thanh trong không khí là 340 mét/giây.

Vụ nổ đầu nổ tạo ra 2 hiệu ứng tiêu diệt mục tiêu chính là mảnh đạn văng từ vỏ đầu nổ và sóng nổ. Tuỳ theo tính chất mục tiêu mà đầu nổ được thiết kế để tối ưu hoá một trong hai hiệu ứng này. Ngoài ra, còn một hiệu ứng tiêu diệt mục tiêu bằng luồng xuyên sản phẩm nổ là hiệu ứng đạn liều lõm. Các hiệu ứng này sẽ được trình bày trong phần giới thiệu về các dạng đầu nổ tiếp sau.

----

Nguồn tham khảo:
- Характеристики и свойства зажигательных веществ
- Боевые части ракет для поражения воздушных целей - 1987
- Military Explosives - 1967
- Weapons Systems Fundamentals - 1971
- Joint Munitions Effectiveness Manual - 1974
- Introduction to Naval Weapons Engineering - 1998

[huyphongssi]

Phần 1 - Nguyên lí cấu tạo chung
Phần đầu nổ

Đầu nổ phá 

Đầu nổ phá (Фугасная боевая часть/Blast warhead) là loại đầu nổ được thiết kế để tiêu diệt mục tiêu chủ yếu bằng hiệu ứng sóng nổ khi nổ trên không hoặc ngầm dưới mặt nước. Loại đầu nổ này thường được thiết kế cho các loại bom phá, ngư lôi, thuỷ lôi và bom ngầm.

Loại đầu nổ phá ứng dụng nguyên lí cơ bản của phản ứng nổ với hiệu ứng tối ưu là sóng nổ. Khi liều nổ mạnh trong đầu nổ loại này được kích nổ, năng lượng thuốc nổ trong liều nổ chuyển đổi cấp thời thành khí nổ với áp suất và nhiệt độ cao. Khi áp suất khí nổ tích luỹ phía trong vỏ đầu nổ đạt tới ngưỡng quá áp, vỏ đầu nổ sẽ bị phá vỡ dẫn tới việc giải phóng khí nổ ra môi trường không khí bên ngoài với tốc độ giãn nở cực nhanh, gây ra sóng xung kích phá huỷ mục tiêu.

Bản chất sóng xung kích là một loại sóng cưỡng bức phát sinh từ tâm nổ, theo đó khí nổ được giải phóng khỏi vỏ đầu nổ đã ép không khí từ tâm nổ ra xung quanh theo hướng li tâm, với áp suất vùng mặt sóng tăng từ mức áp suất khí quyển tới mức áp suất của ngưỡng quá áp trong khoảng thời gian cực ngắn cỡ phần triệu giây khi sóng di chuyển trong không khí. Tiếp sau mặt sóng xung kích đi qua, áp suất hạ từ ngưỡng quá áp tới mức áp suất khí quyển trong khoảng thời gian vài phần trăm giây. Giai đoạn biến đổi của sóng xung kích kể từ ngưỡng quá áp tới ngưỡng áp suất khí quyển này được gọi là pha sóng áp suất dư. Từ ngưỡng áp suất khí quyển, áp suất vùng đuôi sóng xung kích tụt xuống dưới mức áp suất khí quyển rồi trở về trạng thái cân bằng. Giai đoạn biến đổi này của sóng xung kích được gọi là pha sóng áp suất âm. Ngoài ra, các vụ nổ có đương lượng nổ lớn còn tồn tại loại sóng bồi từ pha áp suất dư thứ phát ngay sau pha áp suất âm.

Biểu đồ mô tả ngưỡng quá áp (trên) và áp suất động (dưới) của sóng xung kích theo nguồn Introduction to Naval Weapons Engineering - 1998

Chú thích hình: Quá áp (Overpressure); Ngưỡng quá áp (Peak overpressure); Pha áp suất dư (Positive phase); Pha áp suất âm (Negative phase); Pha áp suất dư thứ phát (Second positive phase); Áp suất động (Dynamic pressure); Áp suất động đỉnh (Peak dynamic pressure); Gió tạt ra từ tâm nổ (Wind away from explosion); Gió giật về tâm nổ (Wind toward explosion); Gió quẩn (Feeble afterwinds)

Hai pha sóng xung kích áp suất dư và áp suất âm vừa nêu tạo ngẫu lực xô đẩy và kéo giật lên mục tiêu, khiến mục tiêu có cấu trúc lớn bị phá huỷ. Với các loại đầu nổ quy ước, pha sóng xung kích áp suất dư là tác nhân diệt mục tiêu chủ yếu. Đối với các liều nổ có khối lượng nhất định, áp suất đỉnh và xung động áp suất dư của sóng xung kích giảm dần theo khoảng cách li tâm từ tâm nổ do sự suy giảm áp suất dư của sóng xung kích tỉ lệ thuận với mức độ dãn nở của khối khí nổ. 

(còn tiếp)

[huyphongssi]

Phần 1 - Nguyên lí cấu tạo chung
Phần đầu nổ

Đầu nổ phá  

(Tiếp theo)

Đầu nổ phá có các cơ chế nổ tối ưu sóng nổ để tiêu diệt mục tiêu là nổ trên không, nổ xon khí và nổ ngầm.

Cơ chế nổ trên không (Воздушная взрывная волна/Air burst detonation): Các loại bom phá, đạn tên lửa và đạn pháo gắn đầu nổ phá cỡ lớn thường được kích nổ cách mặt đất một khoảng cách định trước nhằm lợi dụng sự giao thoa giữa sóng nổ tới trực tiếp từ tâm nổ với sóng nổ dội lên từ bề mặt để khuếch đại hiệu năng tiêu diệt mục tiêu của sóng nổ. Hiện tượng khuếch đại hiệu năng diệt mục tiêu của sóng nổ từ vụ nổ trên không như vừa nêu được gọi là hiện tượng sóng hội Mách, hay còn được gọi là “Hiệu ứng Mách”; khu vực có sự giao thoa giữa sóng nổ trực tiếp tới từ tâm nổ với sóng nổ dội lên từ bề mặt được gọi là “vùng hội sóng Mách”; khoảng cách tâm nổ cách bề mặt để hiệu ứng Mách đạt mức lớn nhất được gọi là “chiều cao tâm nổ tối ưu”; điểm giao hội của ba sóng là sóng tới, sóng dội và sóng hội Mách được gọi là “Điểm hội ba”.

Đồ hình vùng hội sóng Mách (nguồn www.dvgu.ru)

Chú thích hình: Э - tâm nổ (эпицентр взрыва); П - mặt sóng tới (фронт падающей волны); О - mặt sóng dội (фронт отраженной волны); Г - mặt sóng hội (фронт головной ударной волны); Т - cung điểm hội ba (траектория тройной точки); А - vùng dội thẳng (зона регулярного отражения); Б - vùng dội lệch (зона нерегулярного отражения)

Hiệu ứng Mách được diễn giải như sau: khi đầu nổ được kích nổ phía trên mặt đất ở một khoảng cách định trước, sóng nổ dội (sóng dội) lên từ mặt đất kết hợp với sóng nổ tới từ tâm nổ (sóng tới) để tạo thành loại sóng nổ kết hợp gọi là sóng Mách hay hội sóng Mách, với mặt sóng Mách có chiều thẳng đứng vuông góc với mặt đất. Trong vùng hội sóng Mách, sóng tới được sóng dội tăng cường năng lượng khiến cả ngưỡng quá áp lẫn áp suất động của sóng nổ đều được nhân lên gấp đôi so với ngưỡng quá áp và áp suất động của sóng nổ nếu vụ nổ cùng đương lượng được thực hiện ngay trên mặt đất.

Phần tiếp: Đầu nổ phá có cơ chế nổ xon khí

[huyphongssi]

Phần 1 - Nguyên lí cấu tạo chung
Phần đầu nổ

Đầu nổ phá  

(Tiếp theo)

Cơ chế nổ xon khí (Взрыв аэрозолей/Aerosol detonation): Các loại bom đạn gắn đầu nổ nhiệt áp, còn được gọi là bom đạn chân không và bom đạn nổ thể tích, sử dụng cơ chế nổ xon khí trên không hoặc trong không gian kín để phá huỷ mục tiêu chủ yếu bằng sóng truyền nổ trong đám mây xon khí và sóng nổ ngoài đám mây xon khí, đồng thời tiêu diệt sinh mạng binh lính và sinh vật sống của đối phương bằng cách đốt cháy hết lượng ô xi cần thiết cho hoạt động hô hấp trong vùng tác động của đám mây xon khí. Các loại bom đạn gắn đầu nổ nhiệt áp thường được dùng vào việc dọn bãi đổ quân, chống các mục tiêu không bọc giáp hoặc giáp mỏng như bãi mìn, phương tiện chiến đấu bộ binh, máy bay trú đỗ ngoài sân, binh lính đối phương chiến đấu trong và ngoài hầm ngầm.

Cơ chế nổ xon khí được giải thích như sau: khi bom đạn nhiệt áp tới cách mục tiêu một khoảng cách nhất định, khối chất cháy trong đầu nổ được phát tán thành đám mây xon khí chụp lên trên mục tiêu trước khi bị kích nổ. Đám mây hỗn hợp xon khí cháy hình thành do sự kết hợp giữa các xon khí chất cháy được phát tán và không khí chứa ô xi bao quanh. Khi vụ nổ hỗn hợp xon khí cháy diễn ra, sóng truyền nổ nằm trong khối xon khí cháy phá huỷ các mục tiêu nằm trong tâm nổ, đồng thời khối khí nổ ở ngưỡng quá áp đẩy mặt sóng nổ mở rộng nhanh chóng san phẳng các mục tiêu nằm ngoài tâm nổ.  

Hình minh hoạ bom chân không loại ODAB-500PM của Nga (nguồn: tạp chí Điểm tin quân sự - Военное Обозрение)

Chú thích hình (từ trái sang): Hệ thống ngòi, Kíp nổ, Chất cháy hiệu suất cao, Dù hãm

Sức công phá từ vụ nổ của đám mây xon khí một phần tuỳ thuộc vào khối lượng chất cháy, nhưng quan trọng hơn là ở phương thức bùng nổ của khối xon khí. Mức quá áp rất cao và kéo dài trong vụ bùng nổ khối xon khí là sự kết hợp giữa hiện tượng nổ và hiện tượng bùng cháy hỗn hợp xon khí, trong đó hiện tượng bùng cháy là chủ đạo. Tốc độ dẫn cháy trong hỗn hợp xon khí thấp hơn tốc độ truyền âm thanh và tăng lên khi khối xon khí bùng cháy trong không gian giới hạn, giảm đi khi bùng cháy trong không gian mở. Tốc độ truyền nổ trong hỗn hợp xon khí cao hơn tốc độ truyền âm thanh và lan truyền tới tất cả các khu vực cháy của hỗn hợp xon khí. Hiện tượng nổ kết hợp với hiện tượng bùng cháy hỗn hợp xon khí tạo ra ngưỡng quá áp và mức năng lượng nổ rất cao trong vụ nổ xon khí.    

Phần tiếp: Đầu nổ phá có cơ chế nổ ngầm

[huyphongssi]

Phần 1 - Nguyên lí cấu tạo chung
Phần đầu nổ

Đầu nổ phá 

(Tiếp theo)

Cơ chế nổ ngầm (Подводный взрыв/Underwater blast): Các loại bom đạn chống ngầm, ngư lôi và thuỷ lôi được gắn đầu nổ phá có cơ chế nổ ngầm nhằm tối ưu sóng nổ truyền trong môi trường nước để tiêu diệt mục tiêu tàu nổi, tàu ngầm, công trình ngầm, thợ lặn vũ trang và sinh vật biển sử dụng vào mục đích quân sự của đối phương.

Cơ chế nổ ngầm được diễn giải như sau: Khi đầu nổ phát nổ ngầm dưới nước, vụ nổ tạo ra một khối khí nổ cao áp kết hợp cùng hơi nước phát sinh do nhiệt nổ làm hình thành bong bóng khí nổ, với mặt sóng nổ nguyên phát đẩy khối nước bao quanh ra các phía ngược hướng với hướng áp suất thuỷ tĩnh. Khi bong bóng khí nổ nở ra tới điểm áp suất trong bóng thấp hơn ngưỡng áp suất thuỷ tĩnh, khối nước bên ngoài sẽ ép bong bóng khí nổ co lại vượt qua mức áp suất cân bằng, khiến áp suất bên trong bong bóng lại trở nên cao hơn ngưỡng áp suất thuỷ tĩnh của khối nước bao ngoài làm bong bóng lại tiếp tục nở ra. Quá trình nở ra co lại kế tiếp của bong bóng khí nổ quanh điểm cân bằng áp suất thuỷ tĩnh làm hình thành các sóng nổ thứ phát giúp tăng hiệu ứng tàn phá của sóng nổ cộng hưởng lên phần vỏ và kết cấu bên trong của mục tiêu. 

Biểu đồ minh hoạ cơ chế hính thành sóng nổ nguyên phát và thứ phát của vụ nổ ngầm (nguồn: 4.bp.blogspot.com)

Chú thích hình (từ trái sang): Trục áp suất bong bóng khí nổ (Pressure), Trục thời gian (Time), Trục độ sâu (Depth), Sóng nổ (Shock wave), Xung thứ phát của bong bóng khí nổ dãn nở lần thứ nhất (1^st Bubble Pulse), Xung thứ phát của bong bóng khí nổ dãn nở lần thứ hai (2^nd Bubble Pulse), Xung thứ phát của bong bóng khí nổ dãn nở lần thứ ba (3^rd Bubble Pulse)

Mặc dù có bản chất tương tự như sóng nổ truyền trong không khí, nhưng trong môi trường nước, ngưỡng quá áp ở mặt sóng nổ được duy trì mà không giảm nhanh theo khoảng cách sóng tới từ tâm nổ, đồng thời sóng nổ có tốc độ lan truyền nhanh gấp 5 lần tốc độ lan truyền của sóng nổ trong không khí. Việc duy trì ngưỡng quá áp ở xa tâm nổ và tốc độ truyền sóng nổ nhanh làm tăng bán kính và hiệu năng tiêu diệt của đầu nổ ngầm so với đầu nổ phá cùng đương lượng nổ trên không.

Hình minh hoạ vụ nổ ngầm đánh chìm tàu hộ vệ Cheonan của Hải quân Hàn Quốc tại một điểm gần đảo Baekryong-do vào ngày 26/3/2010 (nguồn: www.informaworld.com)

Chú thích hình (từ góc trái sang theo chiều kim đồng hồ): Hình 1 - Vụ nổ ngầm tạo bong bóng khí nổ phía trong và mặt sóng nổ phía ngoài; Hình 2 - Bong bóng khí nổ dãn nở; Hình 3 - Bong bóng khí nổ co lại; Hình 4 - Bong bóng khí nổ tan vỡ

Hiệu năng diệt của cơ chế nổ ngầm đối với mục tiêu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: khoảng cách từ tâm nổ tới mục tiêu, đương lượng liều nổ, độ sâu tâm nổ và chiều sâu của khối nước bao quanh tâm nổ.

Phần tiếp: Đầu nổ mảnh 

[Hai Ruộng]

 Hôm nay mình mới phát hiện được Topic nầy thấy hay quá . Như vậy trong vụ nổ dưới  ta có thể tạo thành nhiều vụ nổ nhỏ cùng một thời điểm trên diện rộng , để tạo thành một vùng rộng bọt khí bao bọc tàu đối phương và nhấn chìm tàu của đối phương do khối lượng riêng của nước dưới tàu giảm đột ngột làm giảm đi sức đẩy ac-si - met . Khi ta bố trí một bải nhiều trái nổ nhỏ thì đối phương sẽ chủ quan và các thiết bị phát hiện mìn cũng khó phát hiện . Xin bạn cho ý kiến về vấn đề nầy .

[tuanquoc19]

ý này hay đấy nhưng đây mới là lý thuyết theo bạn nghĩ thôi chứ áp dụng thực tế hơi bị khó đó?

[Hai Ruộng]

 Bạn ơi ! Cái gì lúc đầu cũng khó , nhưng có cái được yếu tố bí mật bất ngờ giống như cụ Giáp mình cho vác cà nong lên núi vậy . Nhờ vậy mà quân ta lập nên chiến thắng ĐBP .