Наклонная броня

Наклонная броня — это броня, не ориентированная ни вертикально, ни горизонтально . Такая угловая броня обычно устанавливается на танки и другие боевые бронированные машины (ББМ), а также на военные корабли, такие как линкоры и крейсеры . Наклон броневого листа затрудняет пробитие противотанковыми средствами, такими как бронебойные снаряды , проникающие снаряды с кинетической энергией и ракеты , если они следуют более или менее горизонтальной траектории к своей цели, как это часто бывает. Улучшенная защита вызвана тремя основными эффектами.

Во-первых, снаряд, поражающий пластину под углом, отличным от 90°, должен проходить через броню большей толщины, по сравнению с попаданием в ту же пластину под прямым углом. В последнем случае необходимо пробить только толщину пластины ( нормаль к поверхности брони). Увеличение наклона брони повышает при заданной толщине плиты уровень защиты в месте попадания за счет увеличения толщины, измеряемой в горизонтальной плоскости , угла атаки снаряда. Защита области, а не одной точки, обозначается средней горизонтальной толщиной, которая идентична плотности области (в данном случае относительно горизонтали): относительная масса брони, используемая для защиты этой области.

Если горизонтальная толщина увеличивается за счет увеличения наклона при сохранении постоянной толщины пластины, для защиты определенной области потребуется более длинный и, следовательно, более тяжелый бронелист. Это улучшение защиты просто эквивалентно увеличению плотности площади и, следовательно, массы, и не может дать никакого преимущества в весе. Таким образом, в конструкции бронетехники мотивом для применения наклонной брони послужили два других основных эффекта наклона.

Одним из них является более эффективный охват определенного объема техники броней. Как правило, более округлые формы имеют меньшую площадь поверхности по сравнению с их объемом. В бронемашине эта поверхность должна быть покрыта тяжелой броней, поэтому более эффективная форма приводит либо к существенному снижению веса, либо к более толстой броне при том же весе. Наклон брони приводит к лучшему приближению к идеальной округлой форме.

Конечным эффектом является отклонение, деформация и рикошет снаряда. Когда он ударяется о пластину под крутым углом, его траектория может искривиться, заставляя его проходить через большее количество брони, или же он может полностью отскочить. Также его можно согнуть, уменьшив его пробивную способность. Боеголовки с кумулятивными зарядами могут не пробить или даже взорваться при попадании в броню под сильным углом . Однако эти желаемые эффекты в решающей степени зависят от конкретных материалов брони, используемых в отношении характеристик поражающего снаряда: наклон может даже привести к лучшему проникновению.

Самые острые углы обычно имеют лобовую лобовую пластину, поскольку именно в этом направлении корпус с наибольшей вероятностью будет поражен при столкновении с атакой, а также потому, что в продольном направлении машины имеется больше места для наклона.

Принцип

Причиной повышенной защиты определенной точки при заданной нормальной толщине на прямой видимости ( LOS является увеличенная толщина брони ), которая представляет собой толщину в горизонтальной плоскости, вдоль линии, описывающей общее направление встречного снаряда. путешествовать. При заданной толщине броневого листа снаряд должен пройти через броню большей толщины, чтобы проникнуть в машину, когда она находится под наклоном.

Однако сам факт увеличения толщины LOS при наклоне пластины не является мотивом для применения наклонной брони в конструкции бронетехники. Причина этого в том, что это увеличение не дает никакой пользы для веса. Чтобы поддерживать заданную массу транспортного средства, плотность площади должна оставаться одинаковой, а это означает, что толщина LOS также должна оставаться постоянной, в то время как наклон увеличивается, что снова означает, что нормальная толщина уменьшается. Другими словами: чтобы избежать увеличения веса автомобиля, пластины должны становиться пропорционально тоньше, а их наклон увеличивается, что эквивалентно сдвигу массы.

Наклонная броня обеспечивает повышенную защиту боевых бронированных машин за счет двух основных механизмов. Самый важный из них основан на том факте, что для достижения определенного уровня защиты определенный объем должен быть окружен определенной массой брони и что наклон может уменьшить соотношение поверхности к объему и, таким образом, обеспечить либо меньшую относительную массу для данной объем или больше защиты для данного веса. Если бы нападение было равновероятным со всех сторон, идеальной формой была бы сфера ; поскольку на самом деле следует ожидать горизонтальной атаки, идеал становится сплюснутым сфероидом . Наклонные плоские пластины или изогнутая литая броня позволяют дизайнерам приблизиться к этим идеалам. По практическим соображениям этот механизм чаще всего применяется в передней части машины, где достаточно места для наклона и сосредоточена большая часть брони, исходя из предположения, что однонаправленная лобовая атака является наиболее вероятной. Простой клин, подобный тому, который можно увидеть в конструкции корпуса M1 Abrams , уже является хорошим приближением, которое часто применяется.

Второй механизм заключается в том, что выстрелы, поражающие наклонную броню, с большей вероятностью отклонятся, рикошетят или разобьются при ударе. Современные технологии вооружения и брони значительно уменьшили это второе преимущество, которое первоначально было основным мотивом, по которому наклонная броня была включена в конструкцию транспортных средств во время Второй мировой войны.

Правило косинуса

Несмотря на то, что повышенная защита в определенной точке, обеспечиваемая наклоном определенного броневого листа заданной нормальной толщины, вызывающим увеличение толщины прямой видимости ( LOS ), не имеет значения при проектировании бронированной машины, она имеет большое значение при определении уровень защиты проектируемого автомобиля. Толщину LOS для машины в горизонтальном положении можно рассчитать по простой формуле, применяя правило косинуса: она равна нормальной толщине брони, деленной на косинус наклона от брони перпендикулярности к ходу снаряда (считается равным в горизонтальной плоскости) или:

T_{L}={\frac {T_{N}}{cos(\theta )}}

где

$T_{L}$ : Толщина линии видимости
$T_{N}$ : Нормальная толщина
$\theta$ : Угол наклона бронелиста от вертикали.

Например, броня, наклоненная на шестьдесят градусов назад от вертикали, представляет для снаряда, движущегося горизонтально, толщину на линии визирования, в два раза превышающую нормальную толщину брони, поскольку косинус 60 ° равен ⁠ 1/2 ⁠ . Когда значения толщины брони или эквивалента катаной гомогенной брони (RHAe) для ББМ указаны без наклона брони, представленное значение обычно учитывает этот эффект наклона, а когда значение имеет формат «x единиц в точке y градусов», влияние наклона не учитывается.

Отклонение

Наклонная броня может повысить защиту за счет такого механизма, как разрушение хрупкого пенетратора с кинетической энергией (KEP) или отклонение этого пенетратора от нормали к поверхности, даже если плотность площади остается постоянной. Эти эффекты наиболее сильны, когда снаряд имеет низкий абсолютный вес и мал по сравнению с его шириной. Бронебойные снаряды времен Второй мировой войны, особенно первых лет, обладали этими качествами, и поэтому наклонная броня была довольно эффективной в тот период. Однако в шестидесятые годы были представлены проникающие снаряды с длинным стержнем, такие как бронебойные и оперенные стабилизированные подкалиберные снаряды, снаряды, которые одновременно очень удлинены и очень плотны по массе. При попадании в наклонную толстую однородную пластину такой проникающий снаряд с длинным стержнем будет, из-за того, что приближающаяся задняя часть снаряда действует как рычаг , после первоначального проникновения в толщину LOS брони изгибается в сторону нормальной толщины брони и идет по траектории с длина между LOS брони и нормальной толщиной. Кроме того, деформированный пенетратор имеет тенденцию действовать как снаряд очень большого диаметра, что растягивает оставшуюся броню, что приводит к ее более легкому выходу из строя. Если эти последние эффекты проявляются сильно – для современных пенетраторов это обычно происходит при наклоне от 55° до 65° – лучшую защиту обеспечит вертикально установленная броня с той же плотностью площади. Еще одним событием, снижающим важность принципа наклонной брони, стало внедрение керамической брони в 1970-х годах. При любой заданной плотности площади керамическая броня также лучше всего подходит для установки более вертикально, поскольку для поддержания той же плотности площади требуется, чтобы броня была тоньше, поскольку она наклонена, и керамика разрушается раньше из-за ее уменьшенной нормальной толщины. ^[1]

Наклонная броня также может стать причиной рикошета снарядов , но это явление гораздо более сложное и пока не полностью предсказуемое. Высокая плотность стержня, скорость удара и соотношение длины к диаметру являются факторами, которые способствуют высокому критическому углу рикошета (углу, при котором ожидается начало рикошета) для снаряда с длинным стержнем. ^[2] но разные формулы могут предсказывать разные критические углы рикошета для одной и той же ситуации.

Основные физические принципы отклонения

Как канавка, образовавшаяся в результате удара снаряда, увеличивает эффективный угол падения (эффект более низкого наклона)

Очень простая физическая модель эффекта наклона. Кинетическая энергия, поглощаемая броней, пропорциональна квадрату синуса угла (максимум для 90°). Трением и деформацией мишени пренебрегаем.

Поведение реального снаряда и броневой пластины, в которую он попадает, зависит от многих эффектов и механизмов, включая структуру их материала и механику сплошной среды , которые очень трудно предсказать. Поэтому использование лишь нескольких основных принципов не приведет к созданию модели, которая хорошо описывает весь спектр возможных результатов. Однако во многих условиях большинство из этих факторов оказывают лишь незначительное влияние, в то время как некоторые из них доминируют в уравнении. Таким образом, можно создать очень упрощенную модель, дающую общее представление и понимание основных физических принципов, лежащих в основе этих аспектов конструкции наклонной брони.

Если снаряд движется очень быстро и, таким образом, находится в состоянии сверхскорости , прочность материала брони становится незначительной, поскольку энергия удара заставляет и снаряд, и броню плавиться и вести себя как жидкость , и важна только плотность ее площади. фактор. В этом предельном случае после попадания снаряд продолжает проникать до тех пор, пока не перестанет передавать свой импульс веществу-мишени. В этом идеальном случае имеют значение только импульс, площадь поперечного сечения, плотность и толщина LOS. Ситуация с проникающей металлической струей, вызванной взрывом кумулятивного заряда осколочно -фугасных противотанковых (кумулятивных) боеприпасов, представляет собой хорошее приближение к этому идеалу. Следовательно, если угол не слишком велик, а снаряд очень плотный и быстрый, наклон не имеет большого эффекта и соответствующего отклонения не происходит.

С другой стороны, чем легче и медленнее снаряд, тем более актуальным становится наклон. Типичные бронебойные снаряды времен Второй мировой войны имели форму пули и имели гораздо меньшую скорость, чем струя кумулятивного заряда. Удар не приведет к полному расплавлению снаряда и брони. В этом случае важным фактором становится прочность материала брони. Если бы снаряд был очень легким и медленным, прочность брони могла бы даже привести к тому, что попадание приведет к просто упругой деформации , и снаряд будет побежден без повреждения цели. Наклон будет означать, что снаряд должен будет достичь более высокой скорости, чтобы поразить броню, поскольку при ударе по наклонной броне не вся кинетическая энергия передается цели, причем соотношение зависит от угла наклона. Снаряд в процессе упругого удара отклоняется на угол 2 $\alpha$ (где $\alpha$ обозначает угол между поверхностью бронеплиты и начальным направлением снаряда), однако изменение направления можно виртуально разделить на часть торможения , когда снаряд останавливается при движении в направлении, перпендикулярном плите (и будет двигаться вдоль плиты после отклонения на угол около $\alpha$ ) и процесс упругого ускорения, когда снаряд вылетает из пластины (скорость вдоль пластины считается инвариантной из-за незначительного трения). Таким образом, максимальную энергию, накопленную пластиной, можно рассчитать по фазе замедления события столкновения.

В предположении, что происходит только упругая деформация и что мишень является твердой, пренебрегая трением , легко вычислить долю энергии, поглощаемой мишенью при попадании в нее снаряда, что, если также не учитывать более сложные эффекты отклонения, после удара отскакивает (упругий корпус) или скользит по броневой пластине (идеальный неупругий корпус).

В этой очень простой модели часть энергии, направленная на цель, зависит от угла наклона:

$E_{d}/E_{k}={sin^{2}(\alpha )}$

где

$E_{d}$ : Энергия передана цели.
$E_{k}$ : Кинетическая энергия падающего снаряда
$\alpha$ : Угол наклона броневой пластины от начального направления снаряда.

Однако на практике AP-оболочки были достаточно мощными, чтобы приложенные силы достигали предела пластической деформации , и упругость пластины могла аккумулировать лишь небольшую часть энергии. В этом случае броневая пластина поддастся, и большая часть энергии и силы будет потрачена на деформацию. Таким образом, это означает, что можно принять примерно половину отклонения (только $\alpha$ а не 2 $\alpha$ ), и снаряд войдет в пластину, прежде чем скользить по ней, а не отскочить. Пластическое поверхностное трение также очень мало по сравнению с энергией пластической деформации, и им можно пренебречь. Это означает, что приведенная выше формула в принципе справедлива и для случая пластической деформации, но из-за того, что калибр врезан в пластину, угол поверхности больше. $\alpha$ следует принять во внимание.

Это не только будет означать, что энергия, переданная цели, будет использована для ее повреждения; это также означало бы, что эта энергия будет выше, потому что эффективный угол $\alpha$ в формуле теперь больше угла наклона брони. Стоимость соответствующего реального $\alpha$ ', который следует заменить, не может быть выведен из этого простого принципа и может быть определен только с помощью более сложной модели или моделирования.

С другой стороны, та же самая деформация в сочетании с наклоном бронелиста вызовет эффект, уменьшающий бронепробиваемость. Хотя в условиях пластической деформации прогиб и меньше, он, тем не менее, изменит курс нарезающего снаряда, что опять-таки приведет к увеличению угла между новой поверхностью брони и начальным направлением снаряда. Таким образом, снаряд должен пробить больше брони, и хотя в абсолютном выражении цель может поглотить больше энергии, его легче победить, причем в идеале этот процесс заканчивается полным рикошетом.

Историческое применение

Один из самых ранних задокументированных примеров концепции наклонной брони находится на рисунке боевой машины Леонардо да Винчи . Наклонная броня фактически использовалась на броненосцах Конфедерации в начале девятнадцатого века , таких как CSS Virginia , и частично была реализована на первом французском танке Schneider CA1 во время Первой мировой войны, но первыми танками, полностью оснащенными наклонной броней, были французские SOMUA. S35 и другие современные французские танки, такие как Renault R35 , имевшие полностью литые корпуса и башни. Его также для большего эффекта использовал на знаменитом советском боевом танке Т-34 советский танкостроительный коллектив Харьковского паровозостроительного завода под руководством Михаила Кошкина . Это был технологический ответ на более эффективных противотанковых орудий принятие на вооружение в это время .

Т-34 оказал огромное влияние на конструкцию немецких танков времен Второй мировой войны. До- или ранние военные конструкции, такие как Panzer IV и Tiger I, явно отличаются от машин, выпущенных после 1941 года, таких как, например, Panther , Tiger II , Hetzer , Jagdpanzer IV , Jagdpanther и Jagdtiger , которые все имели наклонную броню. Это особенно очевидно потому, что немецкая танковая броня, как правило, не была литой, а состояла из сварных листов.

Merkava Mark III имеет сильно наклоненную броню башни.

Наклонная броня стала очень модной после Второй мировой войны , и ее наиболее чистым выражением, возможно, стал британский вождь . ^{[ нужна ссылка ]} Однако в новейших основных боевых танках используется перфорированная и композитная броня , которая пытается деформировать и истирать пенетратор, а не отклонять его, поскольку отклонить пенетратор с длинным стержнем сложно. Эти танки имеют более блочный вид. Примеры включают Leopard 2 и M1 Abrams . Исключением является израильская «Меркава» .

См. также

ледяная броня

Ссылки

^ Язив, Д.; Чокрон, С.; Андерсон-младший, CE; Грош, диджей «Наклонное проникновение в керамические мишени». Материалы 19-го Международного симпозиума по баллистике IBS 2001, Интерлакен, Швейцария . стр. 1257–1264.
^ Тейт, А. (1979). «Простая оценка минимального угла наклона цели, необходимого для рикошета высокоскоростного снаряда с длинным стержнем». Журнал физики D: Прикладная физика . 12 (11): 1825–1829. Бибкод : 1979JPhD...12.1825T . дои : 10.1088/0022-3727/12/11/011 . S2CID 250808977 .

[1] Язив, Д.; Чокрон, С.; Андерсон-младший, CE; Грош, диджей «Наклонное проникновение в керамические мишени». Материалы 19-го Международного симпозиума по баллистике IBS 2001, Интерлакен, Швейцария . стр. 1257–1264.

[2] Тейт, А. (1979). «Простая оценка минимального угла наклона цели, необходимого для рикошета высокоскоростного снаряда с длинным стержнем». Журнал физики D: Прикладная физика . 12 (11): 1825–1829. Бибкод : 1979JPhD...12.1825T . дои : 10.1088/0022-3727/12/11/011 . S2CID 250808977 .

[1]

[2]