CC BY
243
УДК 623.438.3
АНАЛИЗ БРОНЕВОЙ ЗАЩИТЫ ТАНКОВ
Иван Дмитриевич Шадрин
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Нижнетагильский технологический институт (филиал), 622000, Россия, г. Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 59, студент, тел. (960)787-21-47, e-mail: ivan.shadrin.91.91@mail.ru
Евгений Александрович Хмельников
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Нижнетагильский технологический институт (филиал), 622000, Россия, г. Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 59, доктор технических наук, зав. кафедрой специального машиностроения, тел. (922)220-20-46, e-mail: khmelnikov7@gmail.com
Исак Иосифович Вендер
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Нижнетагильский технологический институт (филиал), 622000, Россия, г. Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 59, кандидат технических наук, доцент кафедры специального машиностроения, тел. (922)220-78-23, e-mail: khmelnikov7@gmail.com
Татьяна Евгеньевна Заводова
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Нижнетагильский технологический институт (филиал), 622000, Россия, г. Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 59, аспирант, зав. лабораторией кафедры специального машиностроения, тел. (922)115-93-08, e-mail: zavodovat.e@gmail.com
Константин Владимирович Смагин
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Нижнетагильский технологический институт (филиал), 622000, Россия, г. Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 59, ассистент кафедры специального машиностроения, тел. (950)197-75-13, e-mail: smaginkv@gmail.com
В работе рассмотрена эволюция броневой защиты танков, от времени их появления и до наших дней. Приведены описание, особенности, недостатки и преимущества всех видов и типов защиты танков от различных противотанковых средств. Рассмотрены современные способы защиты танков. Показаны перспективные разработки в области защиты танков.
Ключевые слова: бронетанковая военная техника, танк, кумулятивный снаряд, броневая защита, бронебойный оперённый подкалиберный снаряд, противотанковая управляемая ракета.
ANALYSIS OF THE TANK ARMOURED PROTECTION
Ivan D. Shadrin
Ural Federal University named after first President of Russia B. N. Yeltsin, Nizhny Tagil technological Institute (branch), 59, Krasnogvardeyskaya St., Nizhny Tagil, 622000, Russia, Student, phone: (960)787-21-47, e-mail: ivan.shadrin.91.91@mail.ru
Evgeny A. Khmelnikov
Ural Federal University named after first President of Russia B. N. Yeltsin, Nizhny Tagil technological Institute (branch), 59, Krasnogvardeyskaya St., Nizhny Tagil, 622000, Russia, D. Sc., Head of Department of Special Engineering, phone: (922)220-20-46, e-mail: khmelnikov7@gmail.com
Isak I. Vender
Ural Federal University named after first President of Russia B. N. Yeltsin, Nizhny Tagil technological Institute (branch), 59, Krasnogvardeyskaya St., Nizhny Tagil, 622000, Russia, Ph. D., Assistant Professor, Department of Special Engineering, phone: (922)220-78-23, e-mail: khmelnikov7@gmail.com
Tatiana E. Zavodova
Ural Federal University named after first President of Russia B. N. Yeltsin, Nizhny Tagil technological Institute (branch), 59, Krasnogvardeyskaya St., Nizhny Tagil, 622000, Russia, Ph. D. Student, Head of Laboratory of Department of Special Engineering, phone: (922)115-93-08, e-mail: zavodovat.e@gmail.com
Konstantin V. Smagin
Ural Federal University named after first President of Russia B. N. Yeltsin, Nizhny Tagil technological Institute (branch), 59, Krasnogvardeyskaya St., Nizhny Tagil, 622000, Russia, Assistant, Department of Special Engineering, phone: (950)197-75-13, e-mail: smaginkv@gmail.com
In this project, the evolution of armor protection of tanks was considered from the time of their appearance to our days. The description, features, disadvantages and advantages are described for all types and kinds of tank protection against various anti-tank weapons. The method of operation of various means against engagement for armored vehicles was described. Modern methods of tank protection was considered. Promising developments was shown for the field of tank protection.
Key words: armored vehicles, tank, cumulative shell, armor protection, armor piercing fin-stabilized discarding sabot, anti-tank guided missile.
Проблема «броня - снаряд» достаточно стара. Появление и бурное развитие бронебойно-подкалиберных снарядов (БПС) и кумулятивных снарядов (КС), дало толчок к качественному развитию броневой защиты. Произошёл переход от монолитной стальной брони к комбинированным броневым структурам, которые включают в себя помимо стальных броневых слоёв ряд других материалов и устройств, обеспечивающих защиту бронетехники в рамках приемлемой массы бронирования.
Бронебойные сердечники снарядов типа APFSDS (Armor Piercing Fin-stabilized Discarding Sabot) в настоящее время, и в обозримой перспективе, будут представлять для лобовой защиты танка наибольшую угрозу. Эти снаряды являются одними из самых передовых, находящихся на вооружении в странах НАТО. В последние годы бронебойно оперённые подкалиберные снаряды (БОПС) в значительной степени вытеснили из боекомплектов танков КС. Из всего спектра средств поражения танков, реальную конкуренцию БОПС могут составить только противотанковые управляемы ракеты (ПТУР) с тандемными кумулятивными боевыми частями (БЧ).
Целью работы являлось исследование истории создания и развития броневой защиты танков. Поиск перспектив её дальнейшего развития.
Развитие бронирования происходило поэтапно: сначала была гомогенная броня, затем в начале 1960-х появляется комбинированная броня, после - появление в середине 1980-х первой серийной динамической защиты, и в 1983 году использование первого комплекса активной защиты. Но, обо всём по порядку.
В годы Первой Мировой войны, активные действия на фронте велись только один год, при этом, ни одна из стран не успела достигнуть каких-либо серьёзных успехов. В 1915 году война перешла в позиционную стадию борьбы. Любая атака стоила огромных человеческих потерь, при этом успеха они не приносили. Для преодоления позиционного тупика и обеспечения прорыва обороны противника требовалось новое средство. Этим средством в последствии стал - танк.
Основой, и начальной ступенью, при проектировании новых броневых преград и/или брони, для бронетехники, является выбор материала для них. Основу броневой стали составляют - высокопрочные стали.
По способу производства сталь подразделяется на катанную и литую.
• Катанная сталь (прокат) - это сталь, которая подвергается обработке на прокатном стане. Из-за этого её внешний слой становится твёрже, а сама она становится прочнее;
•Литая сталь - это сталь, которая отливается в формах для литья. Она менее устойчивая к воздействию снарядов чем катанная.
Катанная броня превосходит литую по противоснарядной стойкости при одинаковой твёрдости, а форма литой башни не даёт каких-либо преимуществ по стойкости по сравнению со сварными башнями из проката. Так к примеру, литая башня Т-34 имела стенки 53 мм, что соответствовало той же катанной башне, но с бронированием в 45 мм. При этом литая основа башни тяжелее по массе по сравнению со сварной, при одинаковой бронестойкости.
Согласно конструкционной классификации, общее бронирование танка делится на равнопрочное (весь корпус бронетехники собирается из плит равной толщины, исключая крышу и днище корпуса) и дифференцированное (нерав-ность толщины брони в различных частях бронетехники). Примером использования равнопрочного бронирования можно видеть на основе бронирования танка Т-34, представленного на рис. 1, 2.
По принятой классификации стальная броня бывает двух видов: противо-пульная и противоснарядная.
• Толщина противопульной брони, как правило, не превышает 30 мм. Она должна защищать от пуль, также от осколков снарядов, гранат и мин.
• Броня толщиной 40 мм и более, является противоснарядной, и в зависимости от своей толщины должна служащей защитой от снаряда соответствующего калибра.
15мм
Рис. 1. Схема бронирования танка Т-34 обр. 1940 года (главный вид)
ж
Рис. 2. Схема бронирования танка Т-34 обр. 1940 года (вид слева)
Противоснарядная стойкость в первую очередь связана с такими механическими свойствами, как прочность, упругость, вязкость, твёрдость.
Твёрдость является одним из главных параметров, определяющих сопротивление проникания средства поражения. Установлено, что наряду с высокой твёрдостью броневые стали должны обладать высокими пластичностью и вязкостью. Эти два свойства броневой стали являются основными.
Стальную броню по внутреннему строению и механическим свойствам подразделяют на два типа: гомогенную и гетерогенную. 1. Гомогенная броня -характеризуется относительной однородностью механических свойств и химического состава по толщине плит; 2. Гетерогенная броня - имеет различные механические свойства по толщине листа.
В связи с улучшением конструкции и повышением прочности корпусов и сердечников пуль и бронебойных снарядов гетерогенная стальная броня поте-
ряла своё преимущество по стойкости. Поэтому, основным типом современной танковой брони является стальная гомогенная броня.
Как катанная, так и литая гомогенная броня бывают высокой, средней и низкой твёрдости: 1. Броня высокой твёрдости (НВ = 3670...5440 МПа) применяется в качестве противопульной, а также для защиты от снарядов малых калибров. В противоснарядной защите послевоенных средних и тяжёлых танков броня высокой твёрдости в качестве монолитной не применялась, так как имела склонности к хрупким разрушениям при увеличении калибра снаряда; 2. Броня средней твёрдости (НВ = 2700.3340 МПа) используется для изготовления корпусов и башен современных ОБТ; 3. Броня низкой твёрдости (НВ = 2200.2560 МПа) использовалась для производства корпусов, так как имела хорошие показатели защищённости от крупнокалиберных снарядов, потому что обладала высокой вязкостью. Также её ранее использовали для изготовления днищ корпусов и конструкционных деталей. Используется для изготовления отдельных деталей корпуса.
Основные проблемы монолитного стального бронирования были выявлены на завершающей стадии Второй Мировой войны (ВМВ), когда бронирование танков прошло настоящее испытание. Так, к концу войны, Германия обзавелась сверхтяжёлым танком Panzerkampfwagen VIII «Maus». Он наглядно показал свою неуязвимость от любого существующего противотанкового средства (ПТС). Но полная беззащитность от воздушных атак, крайне низкие показатели мобильности, привели к полному принятию того факта, что монолитная стальная броня изжила себя. Требовалось новое средство броневой защиты техники.
К тому же, к концу войны, многие страны занимались разработками компактного оружия для пехоты, предназначенного для борьбы с танками. Германия в этом вопросе шагнула далеко вперёд с «Панцерфаустом» («Panzerfaust»); у Америки таким оружием выступала - «Базука» («Bazooka»); Англия активно применяла - PIAT (Projector Infantry Anti-tank). Появление таких ПТС, и развитие КС подтолкнули конструкторов к разработке брони, защищающей равно как от КС, так и от БПС.
Первыми разработками, призванными повысить стойкость броневых преград служили некоторые конструктивные приёмы. Одним из самых простых приёмов является придание угла наклона бронеплитам. То есть, броневые плиты получали угол отклонения от нормали. В результате этого на снаряд действуют ассиметричные силы, которые могут вызвать рикошет снаряда от плиты или же при его проникании в преграду необходимо будет пробить значительно большую толщину брони. В случае, когда угол наклона брони превышает 65°, это может привести к рикошету снарядов или к их разрушению.
Первая комбинированная противоснарядная броня представляла собой комбинацию стальных плит разной твёрдости. Такой способ бронирования танков назывался - броня с твёрдым слоем. Данная броня имела форму навесных плит с твёрдым верхним слоем (НВ = 3924 МПа), она была установлена на некоторых немецких танках времён ВМВ. Данный способ бронирования больше не используется.
Одним из первых способов защиты от КС были экраны из стальных листов. Смысл заключается в их установке на некотором расстоянии от бортовой брони танков. Это вызывало детонацию взрывчатого вещества (ВВ) КС на расстоянии от основной брони. Впервые такие экраны были применены на немецких танках вовремя ВМВ. В данный момент используется их дальнейшая модификация, а именно - резинотканевые экраны. Они служат для защиты ходовой части танка от КС. Танк с резинотканевыми экранами представлен на рис. 3.
Рис. 3. Резинотканевые экраны, установленные на танке Т-80У
Ещё одно новшество, которое было призвано для снижения бронепроби-ваемости кумулятивных зарядов было найдено в установке на танк, пакетов из разнесённых листов. Но, как оказалось, они также эффективно справлялись и с БОПС, типа ЛРЕБОБ. Суть конструкции заключается в нескольких листах, разнесённых воздушными зазорами. Такие пакеты использовались в ряде конструкций зарубежных танков. Но впоследствии, от применения таких многослойных пакетов отказались. Это было связано с их высокой массой.
Но самым значимым прорывом в вопросе защиты танков от КС, является разработка комбинированных броневых преград. Суть комбинированной брони заключается в использовании двух или более слоёв металлических и/или неметаллических материалов. По сравнению с гомогенной стальной бронёй, комбинированная броня имеет лучшую противокумулятивную стойкость. Первым серийным ОБТ, обладающим комбинированной бронёй был Т-64А.
В Т-64А комбинированная броня присутствовала только в верхняя лобовая деталь (ВЛД) корпуса, общая толщина которая составила 205 мм. Её конструктивный угол наклона составлял 68°. Верхний лобовой лист толщиной 80 мм был выполнен из стальной брони средней твёрдости, средний лист толщиной
105 мм - из листов бронестеклотекстолита, а подпорный тыльный лист толщиной 20 мм из стальной брони средней твёрдости. Такая ВЛД имела следующие параметры:
• Горизонтальная толщина элементов - 0,214 + 0,280 + 0,053 = 0,547 м;
• Плотность стеклотекстолита - 1850 кг/м ;
• Поверхностная плотность комбинированной брони - 2614 кг/м ;
• Эквивалентная по стойкости горизонтальная толщина по БПС - 0,333м;
• Эквивалентная по стойкости горизонтальная толщина по КС - 0,377м;
• Эквивалентная поверхностная плотность и коэффициенты стойкости по БПС - 2614 кг/м2, Кг = 1,64 и Км = 1,0;
•Эквивалентная поверхностная плотность и коэффициенты стойкости по КС - 2970 кг/м2, Кг = 1,45 и Км = 0,88.
Данное техническое решение обеспечивало заданную противокумулятив-ную защиту, а также надёжную стойкость от 100-мм бронебойных калиберных снарядов типа Armor Piercing stabilized Discarding. Т-64А представлен на рис. 4.
Рис. 4. Т-64А (1972 год)
Следующей ступенью защиты танка от КС явилась динамическая защита. Термину «динамическая защита» (ДЗ) дано следующее определение - это защитное устройство, принцип действия которого состоит в том, что направленный взрыв заряда ВВ воздействует на попавший в танк снаряд в целях резкого снижения его пробивной способности. Для установки ЭДЗ на танк и обеспечения их эффективного функционирования требуется создание специальной конструкции с соответствующими узлами её крепления к основной броне. Эту конструкцию называют комплексом динамической защиты (КДЗ). Заряды ВВ, образуют элементы динамической защиты (ЭДЗ). Они располагаются в специальных броневых контейнерах.
По расположению броневых контейнеров на танке, вся динамическая защита делится на навесную ДЗ (или противокумулятивную; располагается на внешней поверхности танка, предназначена для снижения эффективности КС) и встроенную ДЗ (или универсальную, размещается внутри броневых узлов танка; действует против всех типов противотанковых снарядов).
Принцип действия ДЗ, можно рассмотреть на примере воздействия кумулятивной струи на устройство с применением плоского ЭДЗ. При прохождении струи через ЭДЗ металлические пластины, первоначально примыкавшие к слою ВВ, в результате его детонации начинают двигаться. При этом они пересекают траекторию кумулятивной струи, вследствие чего происходит последовательное пробитие струёй вновь подставляемых участков движущихся пластин. В ходе этого процесса струя подвергается динамическому воздействию продуктов взрыва; кроме того, на неё оказывает влияние боковой импульс от соударения с пластинами. При этом первоначально прямолинейная кумулятивная струя приобретает зигзагообразную форму, происходят её неравномерное растяжение и разрыв на отдельные части. Деформирование и разрушение кумулятивной струи вызывает снижение её бронепробиваемости, примерно на 50.. .80%.
Рассмотрим противокумулятивную ДЗ. Для установки ЭДЗ на броне танка применяют контейнеры противокумулятивной ДЗ. КДЗ представляет собой совокупность контейнеров и узлов их крепления к основной броне, установленных на башне, а также на лобовых и бортовых частях корпуса танка. Каждый контейнер выполнен в виде полого штампованного корпуса из листовой стали толщиной 3 мм; он состоит из двух частей: короба-крышки и плоского дна. В коробе под некоторым углом друг к другу установлены два ЭДЗ. Создание такого варианта обусловлено необходимостью полного перекрытии ДЗ брони, включая зоны размером 35.40 мм между контейнерами. Такая ДЗ представлена на рисунке 5.
Рис. 5: 1 - корпус; 2, 3 - контейнеры с ВВ; 4, 5 - поверхности контейнеров образующие острый угол; 6, 7 - защищаемая поверхность; 8,10 - стенка корпуса; 9 - распорный элемент; 11 - упругие элементы
Обстрел БОПС, противокумулятивной ДЗ, выявил, что ЭДЗ в них практически не детонируют, а в случае детонации заметного снижения бронепроби-ваемости БОПС не происходит. Наряду с этим было выявлено, что при детонации плоских (в виде пластин) зарядов ВВ, установленных на бронеплиту и прикрытых стальными пластинами, при увеличении до определённых значений толщин заряда ВВ и стальной крышки наблюдается уменьшение бронепроби-ваемости БОПС. Опыт данных исследований был применён при разработке универсальной ДЗ. В ней используется крышка из стали высокой твёрдости толщиной 20 мм и более; схема установки ЭДЗ такая же, как при защите только от КС. Схема универсальной ДЗ представлена на рис. 6.
Появление ПТУР с тандемными БЧ, подтолкнули к разработке активной защиты танка. Это система защиты, принцип действия которой состоит в том, что с помощью средств, установленных на танке, обнаруживается подлетающий к нему снаряд и на этот снаряд оказывается воздействие в целях его разрушения или, снижения его эффективности. Активная защита танков, появилась относительно недавно и является эффективным средством противодействия ПТС. По принципу воздействия КАЗ делится на систему оптико-электронного подавления и систему с отстреливаемыми защитными зарядами.
Рис. 6. Универсальная ДЗ Контакт-5
Система оптико-электронного противодействия (КОЭП) - это средство противодействия, предназначенное для нарушения нормальной работы технических средств наведения и прицеливания, прежде всего высокоточных. Это достигается ухудшением их характеристики вплоть до полной нейтрализации, то есть обеспечением непопадания в танк снарядов, которые могут его поразить (срыв атаки противника).
В состав КОЭП входят источники направленных некогерентных излучений на основе высокоинтенсивных светотехнических излучателей (станция помех). Схема противодействия заключается в следующем: ПТУР с полуавтоматическим управлением на траектории имеет канал обратной связи «ракета - пелен-
гатор (координатор)», обеспечивающий выработку команд для совмещения траектории ракеты с линией визирования целей цели при воздействии на ракету внешних возмущений. При этом бортовой источник излучения работает в инфракрасном спектральном диапазоне, его излучение воспринимается наземной системой управления, которая с помощью координатора корректирует полёт ракеты. По мере удаления от пусковой установки воспринимаемая системой наведения интенсивность излучения ракеты. Таким образом происходит перезахват координатором цели, то есть наземная система управления ПТУР захватывает более яркий источник излучения на танке и перестаёт управлять полётом ракеты; что приводит к промаху при стрельбе по танку.
Но несмотря на, всю развитость технологий в вопросе броневой защиты танков, разработки современных ПТС, тоже не стоят на месте. Поэтому, вопрос о бронировании техники будет всегда актуальным. Далее, представлены перспективные разработки в этой области. Некоторые из них уже начинают использоваться в танках.
Одним из перспективных броневых материалов, используемых для бронирования боевых машин, является керамика. Это связано с её уникальными физико-механическими свойствами. Для керамики характерно сочетание малой плотности, с чрезвычайно высокой прочностью, что позволяет использовать её в качестве одного из компонентов многослойной брони бронетанковой техники. Но, керамика - хрупкий материал, она деформируется только в упругой области и по достижению критических напряжений она разрушается, практически не переходя в пластическое состояние. Характеристики ряда видов керамики приведены в таблице.
Свойства керамик, применяющихся в бронезащитных конструкциях
Материал р, кг/м3 Сь, м/с с1, м/с аа, МПа ад, МПа
Карбид бора В4С 2500 9630 13780 15000 11500
Карбид кремния Б1С 3090 7710 11400 10000 6500
Сталь 35Х3НМ 7850 4600 5900 2300 1300
Где р - плотность материала, сь - скорость звука, с - скорость упругой волны в материале (продольная составляющая скорости звука), ое - упругий предел Гюгонио (продольное напряжение за фронтом предшествующей ударной волны, распространяющийся в материале), од - динамический предел текучести.
Но одним из самых перспективных, и малоизученных способов бронирования танков является электромагнитные способы защиты. В отличие от динамических и активных методов защиты, основанных на поражении боеприпасов полем осколков, продуктами взрыва и метаемыми им навстречу пластинами, при использовании электромагнитной защиты снижение бронепробиваемости снижается путём воздействия на поражающий элемент (кумулятивную струю, снаряд и др.) проникающий в комбинированную броню, сильных импульсных
электромагнитных полей и токов. Преимущества данного способа защиты связаны с его быстродействие. широкими возможностями управления электромагнитной энергией и эксплуатационной безопасностью.
Различают три основных типа защиты, базирующихся на использовании сильных импульсных электромагнитных полей токов:
• Электродинамическая защита (ЭлДЗ) - воздействие мощным электромагнитным импульсом на средство поражения;
• Магнитодинамическая защита (МДЗ) - электромагнитное метание пластин на средство поражения. Сочетает в себе принципы активной и динамической защиты, с применением импульсных электромагнитных полей для разгона броневых пластин;
• Электротермическая защита (ЭТЗ) - использование мощных импульсов токов для образования газообразного рабочего тела, с помощью которого осуществляется метание поражающих пластин. На сегодняшний день является наименее изученным типом защиты.
В настоящее время разрабатываемые типы электромагнитной защиты уступают более простой и дешёвой ДЗ. Основным ограничителем при использовании электромагнитных способов защиты являются объём и масса накопителя электрической энергии, определяемые требуемой энергоёмкостью (до 20.30 Мдж/м ).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Барятинский М. Б. Все современные танки - М. : Эксмо, 2013. - 464 с.: ил.
2. Григорян В. А., Белобородько А. Н., Дорохов Н. С. Частные вопросы конечной баллистики - М. : Изд-во МГТУ им. Баумана., 2007. - 592 с.: ил.
3. Григорян В. А., Юдин Е. Г., Терехин И. И. Защита танков - М. : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2006. - 327 с.: ил.
4. Бабкин А. В., Велданов В. А., Грязнов Е. Ф., учеб. пособие, Средства поражения и боеприпасы - М. : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2008. - 984 с.: ил.
5. Бирюков В. М. Применение брони в военном деле - М. : Воениздат, 1961. - 267 с.
6. Григорян В. А. Нужна ли современному танку современная защита - М. : Издательский дом, 2013. - 32 с.
© И. Д. Шадрин, Е. А. Хмельников, И. И. Вендер, Т. Е. Заводова, К. В. Смагин, 2018
