Удар астероида в планету и пробитие брони танка кумулятивным снарядом- это одно и то же физическое явление в разных масштабах.
Гидродинамическая модель столкновения астероидов
Часто в фильмах про «конец света» показывают падение гигантского астероида на Землю.
Такое происшествие действительно может прекратить существование нынешнего человечества, отбросив его в каменный век, или даже полностью уничтожив всё живое на поверхности планеты.
Но при этом хотелось бы разобраться с тем, как именно будет происходить такое столкновение?
Ведь сцены ударов каменных глыб в планету мы часто видим со стороны космоса в фантастических фильмах, то есть как сторонние наблюдатели.
Наблюдателям при этом ничего не угрожает, что позволяет им спокойно наблюдать процесс и последствия такой планетарной катастрофы.(см.рис.1.)
Рис.1. Размеры астероидов, падающих на Землю: частота их появления в зависимости от размера и последствия для планеты от их падения.
Физика удара астероида в планету
Столкновение гигантских каменных глыб на космических скоростях интересны не только как яркое зрелище в кино, но и как самостоятельный физический процесс.
Например, если рассматривать столкновение с планетой Земля астероида диаметром в несколько десятков километров на скорости в 8км/с, то событие будет длиться на столько долго, что будут различимы его отдельные фазы.
Скорость менее 8 км/с у падающего на Землю астероида быть не может, так как скорость 8км/с – это минимальная скорость на околоземной круговой орбите.
При этом любой астероид, входящий извне в гравитационную сферу Земли, разгонится уже до скорости более 11 км/с при падение на Землю. Где 11 км/с- это вторая космическая скорость.
Угол встречи с планетой примем небольшой, например, около 15 градусов к горизонту, чтобы удар был скользящим, а не прямым.
При более пологом угле возникает риск отскока астероида обратно в космос или пролёта через атмосферу по касательной, что нам не нужно.
Предположим, что диаметр астероида 100км- это позволяет пренебрегать плотностью атмосферы из-за её ничтожной массы в отношении к массе каменной глыбы.
В этих условиях удар с планетой будет длиться несколько десятков секунд, пока весь огромный астероид не достигнет поверхности планеты своим самым дальним от Земли краем.
На подлёте к Земле по касательной через атмосферу вид астероида будет достаточно скучным, но достаточно ярким. Так астероид при соприкосновении с атмосферой создаст перед собой слой заторможеннного сжатого воздуха с высокой температурой, как в дизельном двигателе при сжатие воздуха в цилиндре (см.рис.2.)
Рис.2. Картина падения астероида на Землю, адекватная реальности по температуре каления астероида в средних слоях атмосферы на высоте 5-10км от поверхности Земли. Но на высоте несколько сотен километров от поверхности Земли астероид будет ещё чёрным и холодным. Так на картине показан астероид на высоте явно выше орбиты МКС, судя по видимой кривизне земного шара.
При ударе воздуха об астеройд слой воздуха адиабатически сожмётся до давления скоростного напора более 3 МПа:
Рv-возд=8000^2*0,12/2=3,84 МПа
Где 0,12кг/м3-это плотность воздуха на высоте 15км от Земли.
При адиабатическом сжатии от давления 0,1бар=10кПа до 3,84кПа воздух нагреется почти в 6 раз от температуры 223К (минус 50C) до 1200К (+927С).
То есть на большой высоте астероид будет неярко светится оранжевым цветом, как не сильно разогретая железяка в горне. (см рис.3.)
Рис.3. Цветовая шкала каления стали по температурам.
При приближении к поверхности Земли с ростом давления атмосферы температура свечения будет расти и на высоте 5км с давлением 0,5бар=50кПа температура свечения поверхности астероида составит уже 1478К (+1200С), что соответствует уже более яркому светло- жёлтому накалу железяки в горне.
В качестве косвенного подтверждения верности оценки температурного свечения астеройда при «горение» в атмосфере приведу некое изображение от «Роскосмоса» со свечением разогретых газов вокруг спускаемого аппарата. (см.рис.4.)
Рис.4. Картинка от «Роскосмоса» с изображением пламене вокруг спускаемого аппарата при торможении об верхние слои атмосфера на скорости чуть менее 8км/с.
Это не фотография ( с такого ракурса сделать фото просто не от куда), а некое нарисованное на компьютере изображение по мотивам реального вида обгорающего спускаемого аппарата. Но тут хотя бы рисовали картинку инженеры, которые что-то реально знают о действительном цвете пламени вокруг обгорающих в атмосфере предметов при входе в атмосферу на скорости более 7км/с.
Как вообще будут взаимодействовать такие гигантские массы как планета Земля и астероид диаметром 100км?
Наука утверждает, что если столкнутся твёрдые тела на скорости большей скорости звука в них, то взаимодействие этих масс будет протекать по законам жидких сред, а не твёрдых тел.
Смысл этого заявления в том, что кинетическая энергия тела на скорости звука в твёрдом теле превышает прочность межатомных связей внутри самого тела.
То есть взаимодействие слоёв внутри тел начинает протекать по законам гидродинамики, когда положение и направление движения отдельных молекул зависти от распределения давлений и соответствующих собственных ускорений молекул в сплошной подвижной и неразрывной среде.
Так столкновение гигантских каменных глыб на скорости 8км/с превращается в намазывание одной капли на другую в вязком неупругом столкновение.
В скользящем ударе касательные напряжения будут распространятся по астероиду быстрее, чем он падает на землю.
В тоже время при истирание астероида об каменную планету касательные напряжения превышают прочность материала астероида.
Таким образом, астероид при касательным ударом в Землю будет рассыпаться в мелкую крошку, а уже этот поток щебёнки будет ударять в поверхность Земли на космической скорости 8км/с и более.
Подобные гидродинамические вязко-раздробленные столкновения происходят непрерывно вокруг нас, например: при встрече потока воды из шланга с большим объёмом воды в пруду. Только яркость эффекта от струи из шланга не так велика, как от взрыва метеорита при ударе в планету.
Какая доля кинетической энергии астероида перейдёт в тепло?
Можно предположить, что в лобовом ударе все 100% кинетической энергии перейдёт в тепло при торможении, а уже потом эта сжато-расплавленно-испарившаяся масса начнёт разлетаться в разные стороны.
Такая модель удара будет достаточно просто рассчитываться.
Так при лобовом ударе двух одинаковых астероидов будет происходить полная остановка массы астероидов со сжатием слоёв до предельного давления и с резким повышением температуры без изменения направления движение массы астеройдов.
При этом в зависимости от скорости астероидов температура в сжатых слоях в момент удара может превысить температуру газов на Солнце.
Например, за счёт мгновенного торможения со скорости 8км/с произойдёт ударный нагрев и одностороннее сжатия материала астероида, что практически мгновенно не только расплавит весь астероид, но ещё успеет вскипятить и частично испарить его с конечной температурой более 30тыс. градусов Кельвина. (см.рис.5.)
Рис. 5. Кинетическая энергия 1 кг вещества при разных скоростях и температура нагрева при вязком ударном торможение.
Столкновение неравных по массе астероидов
Интересно рассматривать ситуацию, когда малый астероид врезается в большую планету, с массой в сотни и тысячи раз большей, чем у астероида.
Удар в планету может быть лобовым под углом 90 градусов или скользящим под малым углом 10-15 градусов.
Скользящий удар астероида в Землю
Предположим, что астероид ударяет в Землю под острым углом 15 градусов.
Скорость приближения к Земле под углом 15 градусов состави.
V верт=Vаст*sin15=8*0,259=2,07км/с
То есть вертикальная скорость сближения с Землёй будет всего 2 км/с, что в два раза ниже скорости звука в камне или металле(см.рис.6)
Рис.6. Скорость звука в некоторых х материалах.
7 км/с – это минимальная скорость, при которой астероид точно упадёт на Землю, а не отскочит обратно в космос.
Один килограмм вещества при скорости 7км/с имеет кинетическую энергию
Е=7000^2*1/2=24,5*10^6 Дж=24,5 МДж
Это составляет энергосодержание 0,6 кг солярки при сжигании или 6,8кВт*ч в пересчёте на электроэнергию.
Если считать метеорит сделанным из камня с теплоёмкостью 1кДж/кг*С (см.рис.7), то энергосодержание в 24,5 МДж будет соответствовать нагреву до 24 тыс.градусов.
Рис.7. Таблица теплоёмкости различных материалов, некоторые из которых могут присутствовать в астероидах (глина, силикаты, песок, железо).
Такая сверхвысокая температура вполне возможна и без испарения вещества, так как при таком большом тормозном давление любые вещества находятся в состоянии сверхкритической жидкости.
Но даже в случае полного испарения вещества это не сильно понизит температуру в зоне удара.
Теплота парообразования железа составит приблизительно 6,09 МДж/кг (см.рис.8.)
Рис. 8. Свойства железа. Указана даже энергия испарения железа при кипение 6088 кДж/кг, что в 2,5 раза больше, чем у воды (2400кДж/кг).
Тогда даже с учётом теплоты испарения железа (для камня параметр не нашёл) температура окажется около 18 тыс. градусов.
Получается, что лобовое столкновение двух равных булыжников со скорость 7км/с у каждого (относительная скорость 14км/с) вызовет яркую вспышку от мгновенного разогрева до более чем 20 тыс. К (ярче Солнца и электродуговой сварки) всего вещества в тонком слое фронта торможения астеройдов в зоне удара.
Правда, при лобовом ударе в Землю придётся учитывать всего половину скорости подлетающего к Земле астеройда на скорости 8км/с.
И тогда после удара в планету яркость свечения перегретой каменной массы будет в 4 раза ниже при расчётной встречной скорости 4км/с, что всё равно даёт температуру свечения 6 тыс.К, то есть как на Солнце. (см.рис.9-10)
При этом слой раскалённого вещества будет равномерно поглощать астероид, двигаясь от точки первого соприкосновения до дальнего края астероида со скоростью ударной волны внутри астероида, которая превышает скорость звука в самом холодном астероиде.
Рис.9. Наиболее адекватная картина из интернета про лобовое соударения гигантского астероида с крупной планетой. Явно выраженный эффект светового излучения из перегретой зоны ударного торможения: перегрев и воспламенение атмосферы под действием светового излучения и прямого тепла от вещества астероида с температурой более 6 тыс.К
Рис.10. Вменяемая картина из интернета про лобовое соударения гигантского астероида с крупной планетой. Но даже здесь есть лишние детали, а именно: разлетающиеся из зоны контакта целые камни, которых быть не должно, так как они все уже расплавились и испарились, не успев далеко улететь от зоны удара астероида в планету.
Так как скорость звука в камне меньше скорости фронта удара, то падающий астеройд на своём дальнем конце даже не будет знать о начале столкновения с планетой на другом конце самого себя.
То есть волна «огня» будет двигаться навстречу астероиду, поглощая его, пока астероид будет без остановочно погружаться в планету своей задней ещё холодной частью.
Картина достаточно эффектная, если наблюдать её со стороны из безопасного места.
Лобовой удар двух одинаковых астеройдов
Самой простой схемой будет столкновение лоб в лоб двух одинаковых по массе астероидов на равных скоростях.
В этой ситуации получается простая эквивалентная модель расплющивания одного астероида об абсолютно прочную неподвижную стену.
При таком ударе даже не произойдёт разрушение камня в мельчайшую пыль при прохождении ударной волны сквозь массу астероида, так как волна торможения и разогрева будет быстрее скорости звука в камне или в металле астероида. (см.рис.11.)
Рис. 11.Столкновение двух каменных астероидов равной массы в лобовом ударе: А- скорости равны, Б- одно тело покоится, а у второго тела скорость удвоенная. После неупругого удара итоговый нагрев тел и суммарный импульс в обоих случаях будут одинаковыми. Такой результат следует из условия, что физическое явление никак не поменяет ход своего события если мы будем наблюдать его из разных инерциальных систем отсчёта.
При соударении малого астероида с гигантской планетой можно также использовать модель лобового удара в астероид с равной массой на равной встречной скорости, только при этом расчётную скорость падающего астероида придётся уменьшить в два раза.
Это понижение скорости инерциальной системы наблюдателя следует из закона сохранения импульса при вязком ударе двух равных по массе тел. При этом ранее неподвижная точка наблюдения в месте встречного удара будет уже двигаться с половинной скоростью астероида при встрече с неподвижной планетой.
Столкновение астероида с планетой можно рассматривать как двух фазное событие:
На первом этапе астероид сталкивается с неподвижным куском планеты равной массы (по схеме-Б на рис. 12.)
Такое предположение применимо в случае одинакового равнопрочного вещества той же плотности и упругости в составе планеты и астероида, из чего последует равная динамика распространения тормозящих напряжений в ударных волнах по планетарному и астероидному веществу.
После первой фазы удара астероида в планету следует вторичное столкновение, а именно: боковой разлёте удвоенной раскалённой и сжатой массы из смеси астеройда и грунта планеты.
При разлёте раскалённого ударом вещества происходит его встреча со следующей порцией ещё неподвижного вещества планеты, а затем формирование кратера. (см.рис.12.)
Рис.12. Фазы лобового удара каменного астероида в каменную планету.
Вторичное торможение в окружающем грунте идёт с понижением температуры общей массы за счёт разбавления первичной и вторичной горячей смеси третичными порциями ещё холодного оружающего грунта.
На второй фазе идёт интенсивный разлёт перегретых астероидно-планетарных масс в разные стороны с образованием кратера и небольшой лужи не разлетевшейся расплавленой и остывшей астероидно-планетарной смеси в центре кратера.
Причём в расплаве по центру кратера будет преобладать планетарное расплавленное вещество, так как исходный астероид начнёт разлёт назад и в стороны уже после первичной фазы удара.
Получается, что искать исходный каменный метеорит в кратере бесполезно, а его оплавленные остатки скорее можно обнаружить в боковых валах вокруг кратера.
А вот железный метеорит будет пробивать лёгкие грунт как пуля, оставаясь сравнительно целым в длинно узком канале сравнительно медленного торможения.
Удар железного метеорита в каменную планету сравним с пробиванием железным ударным ядром от кумулятивной мины лёгкой алюминиевой брони от БТРа. (пример с кумулятивной миной будет разобран подробнее чуть ниже)
Скорость ударной волны.
При вертикальном падение астероида на планету скорость астероида оказывается больше скорости звука в камне.
Таким образом, движение волны торможения по астероиду будет происходить быстрее скорости звука, а именно: со скоростью ударной волны в камне астероида (металле).
Скорость такой ударной волны можно вычислить по деформациям одностороннего сжатия при торможении астероида.
Так давление торможения (или скоростной напор) каменного астероида со скорости 8км/с в неподвижное вещество планеты составит:
Рv=(8000/2)^2*2500/2=2*10^10 Па= 20 тыс. Мпа= 200 тыс. бар.
Эта величина эквивалентна давлению каменного столба высотой 700км
То есть можно считать, что существует некий предел степени сжатия вещества, не зависящий от дальнейшего повышения давления.
Чтобы получить скорость ударной волны необходимо знать величину удельного сжатия вещества при таком давлении, то есть нужно знать «модуль упругости» вещества астероида во всём диапазоне давлений.
Например, по мере нагружения давлением у гранита модуль упругости резко возрастает.
Если верить Википедии про плотность ядра Земли на уровне всего в 11-14г/см3, то это будет соответствовать сжатию камня приблизительно в 4 раза по объёму.
А на глубине до 1000км при давление более 30 тыс.МПа плотность мантии составляет менее 5кг/см3, то есть граниты сжаты не более чем в 2 раза по объёму.(см.рис.13.)
Рис.13. Изменение плотности вещества Земли по мере роста глубины.
То есть при одностороннем сжатие заторможенного астероида длина слоя сократится менее чем в 2 раза до толщины около 60% от исходной.
Тогда ударная волна будет выбирать зазор в оставшиеся 40% на скорости удара астероида, что составит скорость фронта ударной волны:
Vуд=4000/0,4=10 000 м/с
То есть ударная волна торможения будет приблизительно в 2,5 раза быстрее скорости звука в камне астеройда.
Получается, что ударная волна побежит назад по телу астероида быстрее, чем сам астероид падает на Землю.
Выглядеть со стороны это будет так, что когда половина астероида погрузится в тело планеты, то огненный вал сжатия уже дойдёт до дальнего конца астероида.
После прохождения ударной волны весь раскалённый тормозным сжатием астероид начнёт разлетаться в стороны (взрывной разлёт) под действием некомпенсированных с боков сил от давления одностороннего сжатия.
Визуально при взрыве астеройда не будет наблюдаться разлёта раскалённого вещества назад от Земли, так как разлёт назад будет с меньшей скоростью, чем у заторможенного до половинной скорости астероида (схема-Б).
Так взрыв астероида будет выглядеть как плоское расползание над поверхностью планеты раскалённого облака вещества взорвавшегося астероида.
Летящее горизонтально со скоростью до 4 км/с вещество астероида, при этом ещё и раскалённое до расплавленного состояния, неизбежно вскоре упадёт на Землю, где перемешается с холодным грунтом и расплавит его. При этом вокруг места падения астероида образуется воронка с гигантской лужей расплавленной смеси из астероидного вещества и планетарного грунта в отношение приблизительно 1:20.
Разлёт перегретого вещества из-под астероида
Разлёт перегретого вещества из слоя контакта астероида и планеты будет происходить перпендикулярно вектору скорости астероида в координатах привязанных к зоне удара (движущейся с постоянной скоростью). При этом скорость разлёта вбок составит половину скорости от скорости астероида относительно планеты.
То есть в неподвижной системе координат Земли вещество астеройда будет лететь вперёд и в стороны со скоростью около 50% от исходной скорости астероида.
Такой поток раскалённого вещества будет встречаться с окружающим веществом планеты и ударно с ним смешивать.
В итоге после вторичного соударения горячей струи с холодными массами планеты дальше полетит поток смеси вещества на 10 кратно меньшей скорости в 10 кратно большем количестве по массе от исходной массы астероида.
Собственно этот боковой разлёт окружающего вещества и вызывает образование кратера вокруг вертикально падающих метеоритов.
По мере набора массы разбрасываемого грунта исходное перегретое вещество замедляется в те же разы по закону сохранения импульса и теряет температуру при многократном торможении и перемешивании, отдавая собственное тепло и кинетическую энергию на нагрев разбрасываемого из кратера грунта.
Скользящий удар астероида в планету
При скользящим ударе под острым углом астероид будет намазываться на поверхность планеты, вырывая при торможении куски породы из планеты.
Так при равенстве прочностей и плотностей вещества планеты и астероида будет происходить смешивание вещества планеты и астероида в равных долях с образованием отстающего потока из смеси вещества с удвоенной массой и половиной скорости ( неупругий удар по закону сохранения импульса).
При торможении в 2 раза вещество астероида теряет 75 % кинетической энергии, из которых 25% уходят в виде импульса в оторванное от планеты вещество, а 50% уходят на нагрев себя и оторванного планетного вещества до некой температуры.
Температура смеси из каменных масс планеты и астероида в скользящем ударе должна будет составить 25% от посчитанных ранее 24 тыс.К при торможении в абсолютно прочную стену, то есть составит уже всего 6 тыс.К.
Получается, что и в скользящем ударе на относительной скорости 7км/с за астероидом будет образовываться шлейф раскалённых «газо-жидких» масс с температурой около 6 тыс. градусов Кельвина, то есть почти как в фотосфере Солнца.
При температуре более 6 тыс. Кельвина и под чудовищным давлением скоростного напора на относительной скорости более 3,5км/с любое вещество переходит в состояние перегретой сверхкритической жидкости.
При этом эта перегретая «газ-жидкость» из сжатого слоя будет пытаться разлететься в разные стороны от астеройда (в бок и назад ) по направлениям к более низкому окружающему давлению. (см.рис.14)
Рис. 14. Скользящий удар астероида в планету и формирование лужи расплава за ним.
Вылет расплавленого вещества из зоны истирания вперёд невозможен, так как вещество при ударе не может обрести больше кинетической энергии, чем было у него до удара.
Разлёт раскалённого вещества будет проходить по законам истечения жидкости из сосуда под давлением, то есть вся энергия давления преобразуется в кинетическую энергию жидкого раскалённого вещества астероида.
Применение законов жидкости связаны с тем, что при высокой температуре кипение камня или металла (около 3 тыс.К) создаётся слишком низкое давление насыщенных паров в 1 атм. (см.рис.15.)
Рис. 15. Характеристики оксида кремния (песок обыкновенный) при плавление и кипение. Так по определению самого термина «кипение» давление паров камня при этой температуре Тк составляет ровно 1 атм. Для справок: Вода в чайнике с температурой +100С и камень с Тк= 2950С кипят при одном и том же давлении, равном при кипение 1 атм= 100кПа = 750мм.рт.ст.
Хотя рост давления насыщеных паров камня и железа при росте температуры сильно быстрее самого роста температуры, но обогнать давление низкокипящих перегретых газов ( кислород-О2, Вода-Н2О, углекислый газ- СО2) оно всё равно не сможет.
Так давление в камере сгорания ЖРД превышает 250 атм при температуре в 4000К, при этом создаёт давление в ЖРД газобразная смесь из СО2 и Н2О, полученных при сгорание керосина в кислороде.
Результат столкновения после полного торможения астероида
Общая энергия астероида на скорости 7-8км/с после полного торможения и перемешивания с веществом планеты даст лужу расплавленного камня приблизительно в 20 раз большей массы, чем исходная масса астероида.
Кстати, на поверхности Земли есть пример такой каменной лужи гигантского размера- это «плато Путорана», которое расположено на севере Сибири. (см.рис.16-17.)
Рис.16. Расположение плато Путорана на карте Сибири и Дальнего востока (красный овал)
Рис.17. Спутниковый снимок плато Путорана. Сентябрь 2003г.
Плато Путорана- это огромный массив столовых гор, изрезанных глубокими ущельями от термических разрывов пород при остывании толстых слоёв каменных расплавов.
В дальнейшем ущелья подвергались ветро-водяной эрозии с образованием рек и озёр на дне каньонов (см.рис.18-20.).
Рис.18. Вид с высоты на плато Путорана летом или ранней осенью, когда вода в низинах ещё не замёрзла, а на высоком плато лежит снег.
Рис.19. Вид с высоты на плато Путорана. Снега на вершинах плато в оранжевых лучах низкого северного Солнца кажутся песком из южной пустыни.
Рис.20. Вид из ущелья на склоны гор плато Путорана. Для понимания масштаба и высоты гор нужно знать, что зелёный «мох» на склонах дальних гор справа на фото – это ЛЕС из таких же полноразмерных хвойных деревьев, как и на переднем плане.
Площадь плато Путорана составляет около 250 тыс.км2, что при высоте плато около 1500м над уровнем моря составляет общий объём более 400тыс.км3.
Тогда породивший его астероид должен иметь объём приблизительно в 20 раз меньше, то есть около 20 тыс.км3.
Шар с объёмом 20тыс.км3 будет иметь диаметр более 33 км:
R=(20 000/ (4/3*3,14))^(1/3)=16,84к.
или D=2*R=33,68кМ
Получается, что плато Путорана возникло из-за падения на Землю астеройда размером 30-40 км в диаметре.
Исходя из такой модели можно по возрасту пород в плато Путорана посчитать, когда же именно был катастрофический прилёт астероида на Землю.
Понятно, что от такого удара планету изрядно тряхнуло, что привело к формированию катастрофических ударных волн в атмосфере и гигантских цунами в океанах.
Так что если кто-то на Земле тогда не умер от акустической ударной волны в атмосфере, тогда его должно было смыть гигантской океанской волной- цунами.
Ну, а выживших после цунами изжарят горячие ветры с пеплом от медленно остывающей гигантской лужи расплавленного камня на месте будущего плато Путорана.
В такой ситуации могли выжить только рыбы и прочие животные в глубоких слоях океана, где волны от цунами не оказывают сильного влияния, а температура воды не сильно изменится даже при остывание такой гигантской массы расплавленного камня.
На сколько нагреется вода в мировом океане при остывании условного «плато Путорана»?
Полная энергия астероида с плато Путорана составит:
Е=3000*400*10^(3+3*3)*1200*1000 =1,44*10^24 Дж.
Где 3000*400*10^(3+3*3) – это 400тыс.км3 расплавленных при Т=1200 С каменных масс с плотностью 3000кг/м3 выраженная в килограммах.
Масса воды в океане Земли около М=1,34*10^21 кг , что эквивалентно объёму около V=1340 млн.км3
Тогда энергия лужи расплавленного «плато Путорана» сможет нагреть весь объём воды в океанах в среднем менее чем на 0,3 К при теплоёмкости воды С=4186Дж/кг*К .
дТ =(1,44*10^24)/( ( 1,34*10^21)*4186)=0,256К
То есть в дальних глубоководных участках океана живность почти не заметит изменений в температурном режиме своей жизни после катастрофы на поверхности.
Правда, в непосредственной близи к расплавленному «плато Путорана» мелководные участки морей могут нагреться очень сильно и даже вскипеть. Ну, а речки и озёра могут не только вскипеть, но и полностью испариться.
Натурный эксперимент по столкновению астероидов
Можно ли проверить предположения о режиме столкновения астероидов на практике?
Оказывается, такие проверки регулярно происходят!
Причём такие столкновения твёрдых тел на астероидных скоростях имеют вполне прикладное значение в жизни на Земле.
Примером такого ударного столкновения твёрдых тел на космических скоростях является взаимодействие кумулятивного снаряда с бронёй танка. (см.рис.21-30.)
Тема противотанковых кумулятивных снарядов вполне актуальная на фоне сводок об СВО в новостях по ТВ.
Рис.21. Типичное объяснение из интернета про действия кумулятивного снаряда.
Рис.22. Фото пробитой танковой башни от попадания кумулятивного снаряда. Виден широкий кратер в начале пробитого отверстия, где вторично-третичный разлёт вещества брони в стороны был ещё возможен на малой глубине отверстия.
Рис.23. Кумулятивный снаряд и пороховой метательный заряд для гладкоствольной танковой пушки с калибром Ф125мм. Стабилизация снаряда в полёте происходит за счёт раскрытия пластин воздушных стабилизаторов сзади снаряда.
Рис.24. Разрез кумулятивного снаряда для гладкоствольной танковой пушки. Стабилизация снаряда в полёте происходит за счёт раскрытия воздушных стабилизаторов сзади.
Рис. 25. Кумулятивные снаряды для пушек разных типов: нарезных (а-б) и гладкоствольных (в-г).
Рис.26. Общий вид и ТТХ ручного гранатомёта РПГ-7 с кумулятивной гранатой.
Рис.27. Общий вид и разрез кумулятивной гранаты ПГ-7Л «морковка» для ручного гранатомёта РПГ-7
Рис.28. Различные гранаты для ручного гранатомёта РПГ-7 и их ТТХ.
Рис.29. Ручная кумулятивная граната РКГ-3 с выкидным стабилизирующим парашютом и ударно-инерционным взрывателем в рукоятке.
Рис.30. Этапы срабатывания кумулятивного бронебойного заряда. Номерами обозначено: 1- взрвчатый зард, 2- детонатор, 3- металическая облицовка конусной воронки заряда, 4- броневая плита, 5- фронт детонации во взрывчатке от детонатора, 6- обратные выброс взрывной волны, 7- формирование бронепробивающей кумулятивной «иглы» из обжатой взрывом облицовки, 8- поверхность бронеплиты в начале касания «иглой», 9- Полное пробитие брони кумулятивной «иглой» с отрывом её от отставшего «песта».
Согласно описанию выше, металлическое ударное ядро кумулятивной струи после подрыва снаряда летит на скоростях 8-10км/с, продавливая броню как вязкую жидкость.
Скоростной напор на скоростях 8км/с для кумулятивной струи из стали с плотностью 7900 кг/м3 составит тормозное давление:
Pv=((8000/2)^2)*7900/2= 6,32*10^10 Па =63,2 тыс.МПа= 0,63 млн. кг/см2.
Скоростной напор на скоростях 10км/с для кумулятивной струи из меди с плотностью 8920 кг/м3 составит тормозное давление:
Pv=((10000/2)^2)*8920/2= 11,2*10^10 Па =112 тыс.МПа= 1,12 млн. кг/см2.
Данные цифры тормозного давления вполне вписываются в заявляемые параметры давления кумулятивной струи (см.рис.21)
Использование обкладки кумулятивной воронки из более плотной меди создаёт пропорционально более высокую пробивную способность (приблизительно на 12%), чем стальная облицовка.
При этом стальная облицовка значительно дешевле и более доступна в производстве, чем дорогая медь, что важно при массовом производстве боеприпасов в военное время в условиях острого дефицита всех материалов.
Механизм взаимодействия кумулятивной струи с бронёй танка
При столкновении с бронёй метал кумулятивной струи вовсе не прожигает броню, а просто расплёскивает металл в стороны при послойном торможении себя об броню. (см.рис.31.)
Рис.31. Схема процессов расплёскивания жидкого металла в стороны в зоне контакта твёрдого металла кумулятивной струи с пробиваемой бронёй.
Истечение перегретой брони из зоны удара кумулятивной струи будет происходить по законам истечения жидкости из отверстия, то есть скоростной напор расплёскиваемого в бок металла брони будет равен давлению в слое торможения кумулятивной струи.
В любом случае боковой разлёт брони будет происходить на скорости более 4 км/с, проминая окружающие слои брони в радиальном направлении, тем самым расширяя отверстие пробития значительно шире диаметра самой кумулятивной струи.
Таким образом, получается, что картина пробития кумулятивной струёй брони танка и удара каменного астероида в каменную планету практически идентичны.
Механизм создания кумулятивной струи
Кумулятивная струя – это частое явление в нашей повседневной жизни даже без использования динамита и танковых пушек.
Так кумулятивную струю небольшого размера создаёт обычная капля воды, падающая в стакан с водой. Это явление столь скоротечно и не велико по масштабам, что его не получается наблюдать без скоростной фотографии (см.рис.32).
Но бывают и очень крупные кумулятивные всплески воды, если в воду падают достаточно крупные тела специально подобранной формы (см.рис.33).
Рис.32. Кумулятивный всплеск от упавшей капли воды.
Рис.33. Гигантский кумулятивный всплеск от упавшего в воду металлического конуса специальной формы. Полное видео всплеска см.по ссылке.
https://www.youtube.com/shorts/eGLJigVlyic?feature=share
Описание явления формирования кумулятивной струи при всестороннем взрывном обжатие конусной воронки приводится в учебниках по гидродинамике для ВУЗов.
Ниже приведена картинка с одной из страниц учебника, объясняющей механизм создания кумулятивной струи в снаряде по законам гидродинамики идеальной жидкости. . (см.рис.34)
Рис.34. Страница учебника с описанием гидродинамики формирования кумулятивной струи при обжатии взрывом кумулятивной воронки.
На следующих картинках приведены иллюстрации по динамике развития кумулятивной струи при взрыве кумулятивного бронебойного боеприпаса. (см.рис.35-39.) Их я даю для лучшего понимания того, чего вообще можно найти в учебниках по этому вопросу.
Рис.35. Картинка из учебника с изображением этапов формирования кумулятивной струи при обжатии взрывом кумулятивной воронки.
Рис. 36. Картинка из учебника с изображением этапов формирования кумулятивной струи при обжатии взрывом кумулятивной воронки.
Рис. 37. Картинка из учебника с указанием распределения скоростей в кумулятивной струе при обжатии взрывом кумулятивной воронки.
Рис.38. Фото распила по каналу пробития кумулятивной струёй в толстой броне. Резкое расширение в начале канала пробития до глубины в 120мм вероятнее всего связано с попаданием отставшего «песта» на скорости всего 2 км/с. Максимальная глубина пробития составляет более 65см, что соответствует бронепробитию кумулятивного снаряда танковой пушки ф125мм.
Рис.39. Схемы пробивания толстой брони одинаковым кумулятивным снарядом, но с различными расстоянием срабатывания. Максимальное бронепробивание достигается на расстояние подрыва около 60см, которое невозможно обеспечить контактным взрывателем в габаритах стандартного снаряда для танковой пушки. Реалистичны только варианты №2-3 с расстоянием от кумулятивного заряда 15-30 см.
Форма кумулятивных воронок.
Различная форма кумулятивных воронок может создавать кумулятивные струи разной скорости и разной массы.
Так сферическая вогнутость малой глубины создаёт компактное тяжёлое кумулятивное ядро со скоростью около 2км/с, что значительно меньшей скорости 10км/с у кумулятивной «иглы» снаряда с глубокой конической воронкой. (см.рис.40-45.)
Рис. 40. Формирование высокоскоростного проникающего металлического ядра в кумулятивных боеприпасах различного типа: вверху ударное ядро со скоростью около 2км/с от бортовой противотанковой мины, внизу кумулятивная струя со скоростью 10км/с от кумулятивного противотанкового снаряда.
Рис. 41. Различные варианты кумулятивных взрывных устройств (различного калибра с разной формой кумулятивной воронки) и соответствующее им бронепробитие.
Рис.42. Схемы пробивания тонкой брони (Ф снаряда= h брони) снарядами разных типов: А(1-2-3)- твёрдые бронебойные снаряды с низкой скоростью до 1000 м/с, Б (1-6)- пробитие характерное для ударного ядра со скоростью 2000 м/с
Рис. 43. Формирование ударного ядра и бронепробитие ударным ядром от кумулятивной мины. Скорость кумулятивного ядра всего 2 км/с, а потому пробитие идёт за счёт создания высоких сдвиговых напряжений в тонком листе брони с выламыванием конусного куска брони с задней поверхности бронеплиты (выкрашено красным на фото в середине). Мины с кумулятивным ядром применяют для кассетных противотанковых боеприпасов, поражающих танки с верхней полусферы (картинка вверху справа)
Рис.44. Фото сферическая пластина малой глубины (справа) и получаемое из неё ударное ядро (слева).
Рис.45. Фазы формирования ударного ядра и фото поражения кассетной кумулятивной миной танка сверху (фото даны в зеркальной последовательности: справа налево).
Ударное ядро со скоростью 2 км/с имеет значительно меньшую глубину пробивания брони, чем струя на скорости 10км/с.
Но при этом компактное ударное ядро может давать стабильное пробивание брони на сравнительно больших дистанциях в 5-50м от места подрыва кумулятивного боеприпаса.
Это позволяет использовать такие ударные кумулятивные ядра для применения в дистанционных противотанковых минах, пробивающих тонкую боковую броню в танках и БМП. (см.рис.46-49)
Рис.46. Схема установки и срабатывания противобортовой кумулятивной противотанковой мины.
Рис.47. ТТХ и вид установки противобортовой кумулятивной противотанковой мины ТМ-83.
Рис.48. Варианты установки противобортовой кумулятивной противотанковой мины ТМ-83.
Рис.49. Фото установки противотанковой противобортовой мины ТМ-83 с крепежом на ствол тонкого дерева.
Гражданское применение кумулятивных боеприпасов.
Кумулятивные заряды имеют не только военное, но и прикладное гражданское применение.
Так с помощью специальных кумулятивных взрывчатых устройств производят перфорацию стальных стенок обсадных труб скважин на большой глубине в нефте-газовой добыче (см.рис.50-54)
Рис. 50. Описание метода взрывной перфорации стволов скважин.
Рис.51. Этапы взрывной перфорации ствола скважин.
Рис.52. Схема работы промышленного кумулятивного заряда.
Рис. 53. Внешний вид промышленного кумулятивного заряда. Наружный корпус из анодированной стали, а внутри виден красноватый блеск медной облицовки конусной кумулятивной воронки. Применение более дорогой меди (вместо дешёвой стали) может быть оправдано в мирное время, так как снижен риск случайного подрыва ВВ при сборке взрывного устройства: так случайный удар медью по стали при сборке не высекает взрывоопасных искр.
Рис.54. Сечение корпуса устройства для взрывной перфорации стенок скважины путём подрыва набора промышленных кумулятивных зарядов. При подрыве группы кумулятивных зарядов в скважине их кумулятивные струи пробивают укреплённые стенки обсадной трубы и создают проколы в окружающей породе, что увеличивает дебет добываемых углеводородов из породы вокруг скважины.
Линейные кумулятивные заряды
Кроме осевых кумулятивных зарядов для пробивания глубоких тонких отверстий существуют ещё и линейные заряды для создания длинных глубоких разрезов.
Линейными кумулятивными зарядами можно перерубать крупные опоры в сносимых взрывом зданиях (см.рис.).
Рис.55. Разрез и принцип работы промышленного линейного кумулятивного заряда. Линейный кумулятивный заряд обеспечивает мгновенное перерубание крупных конструкций в труднодоступных или опасных местах, например: мгновенная дистанционная резка несущих колон и балок при взрывном обрушении мостов и зданий.
