Na zdjęciu rosyjski pocisk rakietowy z głowicą termobaryczną 9M14F "Chryzantema"
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.
Kolejnym krokiem nad praktycznym wykorzystaniem zjawiska wybuchu przestrzennego było opracowanie mieszanin wybuchowych typu ciało stałe/powietrze. Angielskie oznaczenie - GSX, co można odszyfrować jako gelled slurry explosive.
Następna wersja amunicji przestrzennej zawierała w ładunku wybuchowym klasyczne kruszące MW (również TNT). 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.
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 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.
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 moŜna je potraktować jako mieszaniny wybuchowe typu ciało stałe/gaz. Pomimo odmiennej przyczyny obu zjawisk, efekty oddziaływania na otoczenie są zbliżone do siebie.
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.
W skład ładunków termobarycznych wchodzą klasyczne kruszące materiały wybuchowe. Do najpopularniejszych należą: oktogen (HMX, cyklotetrametylenotetraamina), heksogen (RDX, cyklotrimetylenotrinitroamina), Cl-20 (heksanitroheksaazaizowurcytan), czy trotyl TNT (Trójnitrotoulen).
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 %. Stosować można także inne utleniacze: sól amonową dinitroaminy NH 4 N(NO 2 ) 2 czy azotan baru BaNO 3 .
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 %.
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 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 %.
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.
Kolejnym czynnikiem destrukcyjnym podczas wybuchu termobarycznego materiału wybuchowego jest fala podciśnienia rozchodząca się za falą uderzeniową. Bezpośrednią przyczyną jej powstania jest rozchodzenie się fali uderzeniowej, tak jak w przypadku wybuchu klasycznego kruszącego materiału wybuchowego.
Efekt ten jest znacznie zwiększony (w skali jak i w odległości od miejsca wybuchu) ze względu na ubytek tlenu z powietrza znajdującego się w miejscu wybuchu. Ekspandujące gazy powybuchowe nie kompensują ubytku tlenu, co powoduje wydłużenie efektu działania fali podciśnienia na otoczenie. Dodatkowym efektem rozchodzenia się fali podciśnieniowej jest tłumienie powstających zarzewi ognia.
Należy również pamiętać, że paliwem w pociskach rakietowych produkowanych w Rosji są różne frakcje stałego paliwa rakietowego otrzymywane w dużej mierze z pochodnych prochu nitroglicerynowego. W latach 80-tych najczęściej stosowano kordyt, czyli mieszankę wieloskładnikową składającą sięz 58% nitrocelulozy, ok. 30% nitrogliceryny, ok. 3% centralitu, ok. 5,5% dinitrotoluenu, ok. 2% wazeliny i ok. 0,5% wody. Dziś najczęściej stosowanym stałym paliwem rakietowym jest balistyt nitroglicerynowy.
Podsumowując:
Amunicja termobaryczna (thermobaric weapon, термобарическиe боеприпасы) to jeden z rodzajów amunicji przestrzennej, w której do generowania impulsu nadciśnienia zastosowano układ ciało stałe/gaz, co powoduje wydłużenie czasu trwania impulsu nadciśnienia w porównaniu do klasycznych kruszących materiałów wybuchowych.
Podstawowym czynnikiem destrukcyjnego oddziaływania na otoczenie w przypadku wybuchu termobarycznego jest wydłużony impuls nadciśnienia oraz rozchodząca się za nim fala podciśnienia.
Wraz z falą uderzeniową generowany jest intensywny impuls cieplny powodujący pożary i poparzenia. Promień oddziaływania fali uderzeniowej jest większy niż promień oddziaływania impulsu cieplnego. Podążająca za falą uderzeniową fala podciśnieniowa powoduje "wyssanie" powietrza z otoczenia oraz tłumienie wywołanych zarzewi ognia. Dużo mniejsze znaczenie jako czynnik rażący amunicji, mają odłamki napędzone produktami wybuchu oraz toksyczne gazy powybuchowe.
