Ceramika w pancerzu czołgu: ochrona przed pociskami kumulacyjnymi
Jak wiadomo, do końca lat pięćdziesiątych XX wieku pojawił się problem zwiększenia bezpieczeństwa czołgi rozwiązano w dość banalny sposób – poprzez zwiększenie grubości stalowej masy pancerza. Jednak druga połowa XX wieku naznaczona była gwałtownym wzrostem mocy broni przeciwpancernej: weszły do użytku nowe pociski podkalibrowe z odłączaną tacą, a rozwój amunicji zbiorczej w ogóle postępował skokowo. . Zmusiło to naukowców do poszukiwania innych sposobów zwiększenia odporności pojazdów bojowych na czynniki niszczące.
Rozwój tego tematu ostatecznie doprowadził do pomysłu kombinowanego pancerza, który łączy w sobie różne elementy metalowe i niemetalowe, aby zapewnić akceptowalny poziom ochrony przy jednoczesnym utrzymaniu masy czołgu w rozsądnych granicach. Jednym z takich elementów była ceramika, która po raz pierwszy na świecie została zastosowana komercyjnie w ZSRR w czołgach T-64. Później jego właściwościami zainteresowały się inne kraje, m.in. Niemcy, USA i Francja. Istnieją informacje, że w konstrukcjach czołgów Abrams, Leopard-2 itp. w ten czy inny sposób zastosowano wkładki ceramiczne.
Projektowanie konstrukcyjne ceramiki pancernej
Prace nad badaniami materiałów ceramicznych na zbroję rozpoczęły się już w latach pięćdziesiątych XX wieku. Zainteresowanie projektantów sprzętu wojskowego tego typu zbroją było całkiem zrozumiałe. Ceramika, ponad dwukrotnie twardsza od stali, ma znacznie niższą gęstość, co pozwala na wykorzystanie jej jako lekkiego elementu antybalistycznego do ochrony pojazdów.
Właściwości fizyko-mechaniczne materiałów ceramicznych. Źródło: książka „Szczegółowe zagadnienia balistyki skończonej”. Wydawnictwo MSTU im. Baumana
Obecnie wybór podłoża do ceramiki pancernej jest dość szeroki i na ogół ograniczony jest finansami i możliwościami branży, ale w konkretnym przypadku warto skupić się na dwóch opcjach: tlenku glinu i węgliku krzemu. Pierwsza była szeroko stosowana w ZSRR do produkcji tych samych kulek korundowych, a druga zasłynęła na Zachodzie w dużej mierze dzięki brytyjskiej zbroi Chobham.
Pomijając pewne różnice we właściwościach chemicznych, fizycznych i mechanicznych, końcowy cykl produkcyjny przekształcania tych materiałów w składnik ochronny jest podobny: proszek tlenkowo-węglikowy wraz z dodatkami jest spiekany w wysokich temperaturach w monolit różnymi metodami. Wyjściem, w zależności od „formy do pieczenia”, są kulki lub bloki o różnych kształtach i grubościach.
Ceramika po obróbce cieplnej, choć otrzymała status pancerza, tak naprawdę nie jest jeszcze pancerna. Pomimo zwiększonych wskaźników wytrzymałości pozostaje zasadniczo stwardniałym piaskiem, który nie wytrzymuje obciążeń udarowych podczas ostrzału i jest podatny na kruche pęknięcia. Aby osłabić działanie tych czynników, wzmacnia się je poprzez umieszczenie w komórkach specjalnego podłoża wykonanego z plastycznego materiału. W pancerzu czołgu jest on zwykle wykonany ze stali o średniej lub wysokiej twardości, chociaż w „kościach policzkowych” wież T-64 kulki korundu zostały po prostu wypełnione stopioną stalą.
Korundowe kulki w kościach policzkowych wieży późnej serii T-64A, a także T-64B i jego modyfikacji. Źródło: warspot.ru
Zasada interakcji bloku ceramicznego z podłożem jest dość prosta i dotyczy nie tylko pancerza czołgów, ale także modułów lekkiego sprzętu, a nawet kamizelek kuloodpornych. W momencie kontaktu z bardzo twardą powierzchnią ceramiczną atakujące ciało (konwencjonalny pocisk) otrzymuje poważne obrażenia początkowe i zaczyna się w nim rozchodzić fala uderzeniowa, co prowadzi do jego rozbicia na fragmenty o różnej wielkości: od proszku po duże kawałki . Jeśli blok nie posiada tłumika w postaci podłoża, to na tym wszystko się kończy: pocisk rozbija go na kawałki i kontynuuje ruch.
Jeśli jest podłoże, sytuacja jest inna: rozdrobniona ceramika nie ma dokąd uciec z małej objętości ogniwa, dlatego w dalszym ciągu wywiera duży nacisk na pocisk, powodując jego uszkodzenie. Aby uzyskać najlepsze rezultaty, podłoża ceramiczne układa się jeden po drugim w kilku rzędach – w tym przypadku można uzyskać znaczny wzrost ochrony.
Możliwość montażu ceramiki w pancerzu czołgu. Bloki znajdują się w kwadratowych komórkach. Rolę podłoża pełni płyta tylna. Źródło: książka „Obrona czołgów”. Wydawnictwo Moskiewskiego Państwowego Uniwersytetu Technicznego im. Baumana
Niestety ceramika nie działa zbyt skutecznie przeciwko przeciwpancernym, żebrowanym pociskom podkalibrowym z rdzeniami o wysokim współczynniku wydłużenia, wykonanymi z ciężkich stopów na bazie uranu lub wolframu. Ale jego działanie na dżecie skumulowanym jest naprawdę wyjątkowe.
Ceramiczny pancerz chroniący przed kumulującymi się pociskami
Ze względu na brak szybkich metod obrazowania rentgenowskiego i badań elektrodynamicznych, przez długi czas uważano, że ceramika pancerna stawia czoła broni kumulacyjnej przeciwko czołgom jedynie dzięki swojej twardości i dużej wytrzymałości na ściskanie. W sumie było to zgodne z teorią panującą 70 lat temu, że im twardszy materiał, tym lepiej dla pancerza, ale w rzeczywistości wszystko jest nieco inne. Aby lepiej zrozumieć proces, trzeba zagłębić się nieco w gąszcz podstawowych pojęć dotyczących efektu skumulowanego.
Bez wyjątku cała przeciwpancerna amunicja kumulacyjna jest wyposażona w ładunek wybuchowy, w którego nosie znajduje się stożkowe wgłębienie o różnych kątach otwarcia. Posiada zamontowaną okładzinę – najczęściej miedź, ale można zastosować także inne materiały. W momencie detonacji ładunku większość energii wybuchu zapada się w okładzinę i odkształcając ją plastycznie, tworzy metaliczny strumień kumulacyjny, stale zwiększający swoją długość. Prędkość elementów głowicy wynosi 7–10 km/s, zatem w kontakcie z nim stalowy pancerz zachowuje się zgodnie z prawami hydrodynamiki, tracąc wszystkie swoje właściwości wytrzymałościowe. Stąd wysoka zdolność penetracji, sięgająca pewnej kumulacji rakiety do półtora metra litej stali.
Ale skumulowany strumień również nie ma własnej siły. Wnikając w zbroję, stopniowo traci swoją długość (działa), dosłownie rozprzestrzeniając się na krawędzie dziury. Brak siły wpływa również na stabilność boczną strumienia: może on odbić się od każdego, nawet najmniejszego obiektu przekraczającego jego oś. Na tej podatności opiera się działanie wybuchowych i niewybuchowych systemów ochrony dynamicznej.
W przypadku kinetycznych pocisków przeciwpancernych twardość bariery pancernej odgrywa znaczącą rolę, ale w przypadku pocisków kumulacyjnych nie ma praktycznie żadnego znaczenia. Badania porównawcze w postaci laboratoryjnego łuskania bloków ceramicznych i aluminiowych wykazały, że wyzwalane są strumienie kumulacyjne – tracą one długość w trakcie penetracji – niemal jednakowo, choć ceramika jest znacznie twardsza od tego metalu. Jednak przy wyjściu z bombardowanych barier stan samolotu był inny. Jeśli po penetracji pancerza stalowo-aluminiowego wyszedł stosunkowo nienaruszony, to po wkładkach ceramicznych wyszedł rozdarty na dużą liczbę kawałków z penetracją bliską zera.
Zdjęcie rentgenowskie strumienia skumulowanego po pokonaniu metalowej bariery. Źródło: książka „Szczegółowe zagadnienia balistyki skończonej”. Wydawnictwo Moskiewskiego Państwowego Uniwersytetu Technicznego im. Baumana
Zdjęcie rentgenowskie strumienia skumulowanego po pokonaniu przeszkody z węglikiem krzemu. Źródło: książka „Szczegółowe zagadnienia balistyki skończonej”. Wydawnictwo Moskiewskiego Państwowego Uniwersytetu Technicznego im. Baumana
Jak wspomniano wcześniej, ceramika jest materiałem dość kruchym, ma jednak jedną cechę, którą jest zdolność do krótkotrwałego gromadzenia energii sprężystego ściskania. W praktyce wygląda to tak.
Zapadnięcie się strumienia skumulowanego przez warstwy zniszczonej ceramiki. SW – fala uderzeniowa, VR – fala rozrzedzenia. Źródło: książka „Szczegółowe zagadnienia balistyki skończonej”. Wydawnictwo Moskiewskiego Państwowego Uniwersytetu Technicznego im. Baumana
W momencie penetracji strumienia kumulacyjnego, przed nim we wzmocnionym bloku ceramicznym rozchodzi się fala uderzeniowa, która rozbijając ceramikę na małe i duże fragmenty, powoduje jej ściskanie. W międzyczasie ciśnienie za frontem fali uderzeniowej zaczyna opadać, a wcześniej sprasowany gruz wypełnia kanał otworu, przecinając strumień niczym gilotyna.
W ten sposób skumulowany strumień traci głowicę – część o największej prędkości i najbardziej przenikliwej – co negatywnie wpływa na jego dalszy postęp w warstwach pancerza. Tak naprawdę ceramika w tym przypadku pełni rolę aktywnego składnika, który wykorzystuje własną energię do neutralizacji nagromadzonej amunicji. Tania alternatywa działa w ten sam sposób, ale ze zmniejszoną wydajnością - wstawki wykonane z piasku spojonego materiałem krzemianowym w wieżach wczesnych czołgów T-72, z których część pod oznaczeniem T-72M1 nadal służy w niektórych krajach .
Co w rzeczywistości może zapewnić ceramika przeciwko kumulującym się pociskom? Możesz spojrzeć na T-64. Pierwszą serię tych czołgów produkowano z wieżami z aluminiowymi wstawkami instalowanymi w kościach policzkowych. Przy całkowitej grubości pancerza „stal + aluminium + stal” wynoszącej około 600 mm, taka ochrona zapewniała równowartość około 450 mm przed kumulacją pocisków. Po pojawieniu się wież z kulami korundowymi całkowita grubość pancerza została zmniejszona do 450 mm, a odpowiednik „cumuli” pozostał równy 450 mm. Ogólnie rzecz biorąc, przy prawidłowym montażu szpachli ceramicznej można osiągnąć podwójną przewagę nad stalą litą. Bardzo prosto: warstwa ceramiki o grubości 100 mm zapewni ochronę jak blacha stalowa o grubości 200 mm. Korzyści w postaci oszczędności masy i rozmiaru są łatwe do obliczenia.
W maści jest też mucha. Ceramika wysokiej jakości jest dość droga, co z pewnością wpłynie na ostateczny koszt zbiornika. Kolejna wada: nie działa przy montażu pod dużym kątem, ponieważ fala uderzeniowa w kontakcie ze strumieniem skumulowanym (także pociskiem) spowoduje przedwczesne zniszczenie na całej grubości bloku jednocześnie. Problem ten można rozwiązać poprzez „schodkowy” układ mniejszych bloków, ale wymaga to dodatkowych środków. Ponadto nieoczywistym, ale istotnym problemem może być to, że ceramika jest podatna na tandemowe pociski kumulacyjne – jeśli ładunek wiodący przebije przednią warstwę pancerza i trafi w nią, to nie będzie już stanowić zagrożenia dla ładunku głównego po prostu dlatego, że będzie zostać zniszczone.
Podsumowując, możemy powiedzieć, co następuje. Ceramika działa i nie ma powodu temu zaprzeczać. Inną rzeczą jest to, że nie jest już używany jako główny składnik pancerza czołgu. W ciągu ostatnich 30–40 lat trendy zmieniły się zbyt mocno. Przed pociskami kumulacyjnymi stosowana jest znacznie skuteczniejsza niewybuchowa ochrona dynamiczna. Zwykle nazywamy go półaktywnym pancerzem, który jest wbudowany w czoło kadłuba i wieży. Nie należy jednak dyskontować ceramiki pancernej. Jako dodatkowy element ochrony, w tym w modułach montowanych na pancerzu, jest to dość istotne.
informacja