hulladning

Den svært høye hastigheten til spissen av jetstrålen fra en hulladning vil ved anslag, for eksempel mot en panserplate, skape et trykk som er så stort at panserstålet presses ut til siden – litt som en kraftig vannstråle kan grave ut et hull i leire. Styrken til stålet er faktisk ikke avgjørende i denne sammenhengen, fordi dette trykket er langt høyere enn den mekaniske styrken til noe metall.

Det er hovedsakelig tettheten til materialet i målet jetstrålen treffer som er av betydning for penetrasjonsdybden. Penetrasjonsdybden til en jetstråle fra en hulladning følger generelt en slags «tetthetslov» som sier at denne dybden skalerer med kvadratroten av forholdet mellom tetthetene til henholdsvis materialet i hulladningens liner og materialet i målet. Linermaterialer med høy tetthet gir derfor høy penetrasjon, og slike materialer gir også mest beskyttelse.

Det er en utbredt misforståelse at jetstrålen fra en hulladning har en slags «brennende» funksjon, altså at virkningen er avhengig av noen form for smeltende effekt eller «plasma». I virkeligheten er virkningen rent kinetisk av natur, og både dannelsen av jetstrålen fra metallet i lineren og virkningen i målet er plastiske deformasjoner. Etter at jetstrålen har penetrert et mål kan den deretter imidlertid gi opphav til branneffekter gjennom å antenne drivstoff, ammunisjon eller annet.

Penetrasjonsdybden oppnådd ved hjelp av en hulladning avhenger av ulike geometriske relasjoner i ladningen. For eksempel avhenger jetstrålens diameter og lengde av linerens og ladningens diametere. Avstanden mellom ladningen og målet ved avfyring (kalt standoff) er viktig for optimal funksjon, for plastiske ustabiliteter kan bryte opp lange jetstråler.

Nedenfor er det listet opp noen eksempler på våpen som har brukt eller bruker stridshoder med hulladning (flere av systemene kan, i andre konfigurasjoner, også utstyres med helt andre typer stridshoder enn hulladninger):

• Bazooka (amerikansk bærbart panservernvåpen)
• Panzerfaust (tysk bærbart panservernvåpen)
• RPG-7 (sovjetisk bærbart panservernvåpen)
• M72 (bærbart panservernvåpen laget i Norge av Nammo)
• Carl Gustaf / AT4 (to varianter av svensk bærbart panservernvåpen)
• TOW (amerikansk trådstyrt panservernvåpen)
• Javelin (amerikansk bærbart panservernvåpen)
• NLAW (svensk-britisk bærbart panservernvåpen)
• Hellfire (amerikansk missil)

En vanlig hulladning er ineffektiv på store avstander fordi jetstrålen da fragmenterer til mindre metallpartikler. Gjennom å bruke en hulladning med stump vinkel, der metallineren har en konkav form som kan minne om et fat, vil hele lineren kunne danne ett distinkt metallprosjektil (kalt slug) med høy hastighet. En slik innretning kalles for en explosively formed projectile (EFP).

Eksplosivformede prosjektiler fra EFP-ladninger har lavere hastighet enn spissen av jetstrålen i vanlige hulladninger, typisk 2000–3000 meter per sekund hvis lineren er av kobber, men de har større masse. Slike prosjektiler har også høyere hastighet enn konvensjonelle høyhastighetsprosjektiler fra kanoner. Prosjektiler fra EFP-ladninger kan uskadeliggjøre pansrede kjøretøy på større avstander enn vanlige hulladninger, enten gjennom direkte penetrasjon eller ved å forårsake avskallinger i pansringen på innsiden av kjøretøyet under anslaget.

Med tiden har det blitt utviklet en rekke modifiserte EFP-er. Det finnes blant annet EFP-ladninger som kan danne multiple prosjektiler eller prosjektiler med ulike geometriske former, slik som sfæriske, stavformede eller asymmetriske.

Foruten bruk av konvensjonelt panserstål er det med tiden blitt utviklet mer sofistikerte former for pansring av stridsvogner og kjøretøy, inkludert panser bestående av komposittmaterialer. Her er ulike materialer, blant annet keramiske materialer, lagt lagvis. Slike sammensetninger av materialer med til dels svært ulike egenskaper kan forstyrre jetstrålen fra en hulladning.

Komposittpanser ble først brukt i stridsvogner som den sovjetiske T-64 og den britiske Chieftain. Mer moderne typer av slikt panser kalles ofte for Chobham-panser, og slikt komposittpanser brukes for eksempel i stridsvognene Abrams, Challenger 1, Challenger 2 og Leclerc.

En annen type pansring, utviklet spesielt for å beskytte stridsvogner mot hulladninger, er såkalt reaktivt panser. Disse består av kassetter fylt med et tynt lag av sprengstoff lagt mellom plater av annet materiale, ofte metall. Ved anslag med hulladning vil sprengstoffet omsette seg eksplosivt og drive metallplatene fra hverandre. De akselererte metallplatene treffer jetstrålen fra hulladningen og beskytter mot gjennomtrenging ved å forstyrre og bryte den opp.

Utviklingen av komposittpanser og reaktivt panser fra 1960-tallet og utover var en pådriver for utvikling av forbedrede hulladninger. Etter hvert ble sprengstoffkomposisjoner basert på TNT og RDX gradvis erstattet av komposisjoner basert på HMX, som har høyere detonasjonshastighet. Nye linermaterialer, slik som molybden eller tantal, kunne gi ladninger med økt penetrasjon.

Med tiden er det blitt utviklet stridshoder med såkalte tandemladninger. Slike ladninger inneholder to hulladninger. Den første ladningen utløser det reaktive panseret på en stridsvogn, mens den andre ladningen angriper hovedpanseret. De amerikanske panservernvåpnene TOW og Javelin benytter slike ladninger.

Nyere hulladninger kan også inneholde et element for å endre formen på detonasjonsbølgen (wave shaper), et stykke inert materiale som plasseres i sprengstoffet. Dette kan påvirke kollapsen av lineren og dannelsen av jetstrålen, noe som kan resultere i økt penetrasjonsevne.

I petroleumsutvinning brukes hulladninger som del av brønnkompletteringen, for å åpne opp for flyt av hydrokarboner mellom oljebrønnen og reservoaret. De områdene av brønnen som antas å gi best produksjon perforeres ved hjelp av et perforeringsverktøy. På et slikt verktøy sitter en rad med hulladninger, knyttet sammen ved hjelp av detonerende lunte. Ladningene er vinklet i forhold til hverandre.

Ved avfyring projiseres jetstrålene fra ladningene radielt utover og perforerer fôringsrør, sementeringen og omkringliggende bergart opp til flere titalls centimeter ut. Også her er sprengstoff basert på HMX mye anvendt, primært fordi dette sprengstoffet er varmebestandig og resistent mot høye temperaturer, slik som de som finnes langt nede i en petroleumsbrønn.

Prinsippet bak hulladninger anvendes også i håndplasserte ladninger for bruk i rivning av bygninger og strukturer, spesielt for kutting av stålbjelker og kabler. Slike ladninger er ofte lineære i formen og ikke sylindriske. Hulladninger kan også brukes for mindre oppgaver som steinknusing, oppbrytning av issvuller og kutting av trær, stolper og lignende.

Like før andre verdenskrig ble det oppdaget at bruk av liner i en hulladning økte effekten av ladningen dramatisk. Det var spesielt den østerrikske fysikeren Franz Rudolf Thomanek (1913–1990) som gjennom sitt arbeid i Tyskland i løpet av 1930-årene utviklet konseptet med panservernvåpen basert på hulladning med liner av metall. Thomanek hadde studert i Berlin under Carl Julius Cranz (1858–1945), en kjent autoritet innen ballistikk.

Thomanek utviklet i 1932 det første panserbrytende våpenet som benyttet seg av en hulladning, en form for geværgranat utstyrt med hulladning, men ladningen var uten liner. Den første prototypen ble bygget i Tyskland i 1934–1935, men den var ingen stor suksess. Blant annet var den store rekylen som oppstod ved utskytning av den store geværgranaten problematisk. Det var også krevende å få satt av hulladningen på helt riktig tidspunkt i anslaget mot målet.

Mens han jobbet ved Deutsche Forschungsanstalt für Luftfahrt (DFL) i Braunschweig, oppdaget Thomanek 4. februar 1938 den dramatiske forbedringen som kunne oppnås ved bruk av liner i hulladninger. Mens man tidligere hadde antatt at effekten av hulrom i eksplosivladninger skyldtes en enkel form for «kanalisering» av detonasjonsgasser, var det en oppfatning i noen fysikkmiljøer om at effekten heller skyldtes overlapp av sjokkbølger (Mach-effekt).

Hvis den nye antagelsen skulle stemme, måtte virkningen av hulladningen avhenge av lufttrykket inni hulrommet. Thomanek ønsket derfor å studere effekten av å ha vakuum i dette hulrommet, og for å oppnå dette på enkleste måte la han en lufttom (evakuert) glasskjegle inni hulrommet. Det viste seg at bruken av denne glasskjeglen forbedret virkningen av hulladningen dramatisk. I stedet for halvkuleformede fordypninger med liten grad av dybde i målblokken, en kloss av aluminium, oppstod det etter dette eksperimentet et dypt krater som hadde en form som lignet en gulrot.

Thomanek flyttet i mai 1938 sitt arbeid til et militært forskningsinstitutt for ballistikk i Berlin, ledet av Hubert Schardin (1902–1965), en fysiker som også hadde studert under Cranz. Eksperimenter utført her viste at forbedringen i virkning fra hulladninger med glasskjegle heller skyldtes glassmaterialet enn betydningen av vakuumet. Påfølgende eksperimenter med linere av metall gav enda bedre resultater, og hulladninger med metallinere ble patentert av Thomanek i 1939–1940.

Forsøkene fikk nå hjelp av nyutviklet eksperimentell metodikk. Ved bedriften Siemens hadde fysikeren Max Steenbeck (1904–1981) like før 1938 utviklet høyhastighetsfotografering ved hjelp av røntgenstråler (Röntgenblitztechnik), en teknikk som skulle vise seg å bli et meget viktig verktøy innenfor ballistikk.

Fra juli 1938 innledet Steenbeck og Schardin et samarbeid, og ved Siemens ble det laget ny røntgenapparatur som var tilpasset bruk innenfor ballistikk. I mai 1939 ble fysikeren Gustav Thomer overført fra forskningslaboratoriet til Siemens til Schardins institutt for å bruke den nye teknikken til å visualisere dannelsen av jetstråler fra hulladninger med liner. Fra og med 1940 gav bruk av denne metoden svært viktige bidrag til forståelsen av virkningsprinsippet i hulladninger.

Under andre verdenskrig ble Thomanek og Schardin, som nå ikke lenger arbeidet ved samme institusjon, tett involvert i utviklingen av en rekke tyske våpen som benyttet seg av stridshoder som inneholdt hulladning med liner, slik som den rekylfrie kanonen Panzerfaust. Linermaterialet i disse hulladningene var stål med høy grad av duktilitet gjennom sitt lave innhold av karbon. Sprengstoffet i hulladningene bestod typisk av en blanding av like deler RDX og TNT.

Parallelt og uavhengig av arbeidet til Thomanek og Schardin i Tyskland hadde den sveitsiske kjemiingeniøren Heinrich Mohaupt (1915–2001) også oppdaget effekten av liner i hulladninger. Det hersker noe usikkerhet om akkurat når, men etter Mohaupt sitt eget utsagn fra 1966 skjedde dette sent i 1935. Mohaupt lyktes imidlertid ikke med å interessere verken sveitsiske eller britiske myndigheter i sine prosjektiler med hulladning.

Mohaupt reiste sammen med sin far til Paris i Frankrike høsten 1939. De to greide der å interessere våpeningeniøren Edgar William Brandt (1880–1960) for sine oppfinnelser. I november 1939 fikk Mohaupt patentert sine hulladninger i Frankrike. Etter den tyske okkupasjonen av Frankrike i juni 1940, delte Brandt deretter disse utviklingene videre med amerikanerne i løpet av august 1940. Mohaupt reiste selv til USA høsten 1940 for å videreutvikle konseptet der i samarbeid med den amerikanske hæren.

Mohaupt sine panserbrytende prosjektiler fikk i starten liten betydning, men dette endret seg så snart den amerikanske hæren lyktes med å utvikle rakettdrevne prosjektiler med hulladninger. Denne utviklingen resulterte i rakettkasteren Bazooka. Etter at dette våpenet kom i hendene til styrker fra andre land, ble lignende hulladningsvåpen raskt utviklet i Tyskland (Panzerschreck), Sovjetunionen (RPG-2) og Storbritannia (PIAT).

Etter krigen stiftet Mohaupt et selskap som tok i bruk hulladninger til perforering av oljebrønner, noe som brakte anvendelsen av hulladninger inn i det sivile.

Ladninger som gav eksplosivformede prosjektiler ble utviklet sent under andre verdenskrig av Hubert Schardin og den ungarske offiseren og ingeniøren József Misnay (1904–1968). Effekten som oppnås ved å bruke hulladninger med slike brede linere kalles ofte for Schardin-Misnay-effekten («tallerkeneffekten»). Grunnprinsippet bak slike ladninger hadde blitt beskrevet for første gang i 1936 i en publikasjon av den amerikanske fysikeren Robert Williams Wood (1868–1955).

En teoretisk beskrivelse av dannelsen av jetstrålen fra hulladninger gjennom kollaps av lineren, samt den påfølgende penetrasjonen i målet, ble gitt i 1948 som del av en åpen publikasjon utarbeidet av matematikeren Garrett Birkhoff (1911–1996), kjemikeren Duncan Peck MacDougall (1909–1990), fysikeren Emerson Martindale Pugh (1896–1981) og fysikeren Geoffrey Ingram Taylor (1886–1975).

Den hydrodynamiske teorien til Birkhoff, MacDougall, Pugh og Taylor kunne imidlertid ikke gi noen tilfredsstillende forklaring på hvorfor jetstrålen fra en hulladning med liner strakk seg ut til å bli flere ganger lengre enn man skulle forvente. En teori for dette ble lagt frem i 1952 i en publikasjon utarbeidet av Pugh i samarbeid med fysikeren Robert J. Eichelberger (1921–2009) og fysikeren Norman Rostoker (1925–2014).

En gruppe ledet av den britiske matematikeren Donald Cecil Pack (1920–2016) publiserte i 1951 artikler som gav viktige teoretiske bidrag til forståelsen av mekanismen rundt penetrasjon i mål av jetstrålen fra hulladninger med liner.