Автор:  Дж.Феррари © Alex (btvt.narod.ru)

ВОПРОСЫ "КАК" И "ПОЧЕМУ" ОТНОСИТСЯ К

ПРОЦЕССУ БРОНИПРОБИВАНИЯ

(сокращенный перевод)*)

Для оценки рабочих гипотез, объясняющих происходящие при пробитии брони процессы, необходимо иметь эталон, в качестве которого следует принять идеальный процесс бронепробивания.

Идеальный процесс бронепробивания имеет место, когда  ско­рость внедрения снаряда в броню превышает скорость распростра­нения звука в материале снаряда. В этом случае снаряд взаимо­действует с броней только в области их соприкосновения (контак­та) и поэтому на остальную часть снаряда не передаются деформи­рующие нагрузки, так как ни один механический сигнал не может быть передан через среду со скоростью, большей, чем скорость распространения звука в той среде.

Скорость звука в тяжелых и прочных металлах составляет около 4000 м/с. Скорость бронебойных снарядов кинетического действия составляет примерно 40 процентов от этой величины, и поэтому эти снаряды не могут оказаться в идеальных условиях бронепробивания. Напротив, кумулятивный заряд воздействует на броню именно в идеальных условиях, поскольку скорость кумулятив­ной струи в несколько раз больше скорости звука в металле облицовки кумулятивного заряда.

Теория процесса бронепробивания делится на две части: одна (касающаяся кумулятивных зарядов) проста , ясна и бесспорна, а другая (относящаяся к бронебойным снарядам кинетического действия) все еще является неясной и крайне сложной. Последнее связано о тем, что когда скорость снаряда ниже скорости звука в его материале, снаряд в процессе бронепробивания подвергается зна­чительным деформирующим нагрузкам. Поэтому теоретическая модель бронепробивания оказывается затуманенной различными математическими моделями, касающимися деформаций, истираний и целостности снаряда   и брони. При анализе взаимодействия кинетического снаряда с броней их поведение необходимо рассматривать обязательно совместно, в то время как бронепробиваемость кумулятивных зарядов можно анализировать независимо от брони, для пробивания которой они предназначены.

Кумулятивный заряд

В кумулятивном заряде взрывчатое вещество размещено вокруг  пустого металлического (обычно медного) конуса (облицовки).  Детонация заряда осу-*)

Опущены ранее уже опубликованные в издаваемых войсковой частью 68064 Сборниках переводов статей сведения об основных конструктивных отличиях различных типов бронебойных подкалиберных и кумулятивных снарядов, сведения о различных типах современной танковой брони, а также имеющиеся в статье повторения.  Прим. Редактора

ществляется таким образом, чтобы волна  детонации распространилась от вершины облицовки к ее основанию  перпендикулярно к образующей конуса. Когда волна детонации достигает облицовки, последняя начинает с большой скоростью деформироваться (обжиматься) по направлению к своей оси, что вызывает течение металла облицовки. При этом материал облицовки  не плавится, а благодаря очень большой скорости и степени деформации переходит в когерентное (расщепленное на молекулярном уровне) состояние и ведет себя как жидкость , оставаясь твердым телом.

По физическому закону сохранения количества движения меньшая по массе часть облицовки, обладающая более высокой скоростью, потечет к основанию конуса, образуя кумулятивную струю. Большая по массе часть облицовки, но обладающая меньшей скоростью, потечет в противоположном направлении, образуя сердечник (пест). Описанные процессы иллюстрируются рисунками 1 и 2.

Рис.1.                    Образование сердечника (песта) и струи во время деформации облицовки, вызванной детонацией заряда. Фронт детонации распространяется от вершины облицовки к ее основанию, перпендикулярно к образующей конуса: 1 - взрывчатое вещество; 2 - облицовка; 3 - струя; 4 - фронт детонации; 5 - сердечник (пест)

Рис. 2.   Распределение металла облицовки до и после ее деформации взрывом и образование сердечника (песта) и струи. Вершина конуса облицовки создает головную часть струи и хвостовую часть сердечника (песта), а основание образует хвостовую часть струи и головку сердечника (песта)

Распределение энергии между струёй и сердечником (пестом) зависит от апертуры конуса облицовки. Когда апертура конуса меньше 90о, энергия струи больше энергии сердечника, обратное же верно для апертуры больше 90о. Поэтому обычные кумулятивные заряды, используемые в снарядах, предназначенных для пробития толстой брови кумулятивной струей, образующейся при непосредственном контакте снаряда с броней, имеют апертуру не более 45о. Плоские кумулятивные заряды (типа "ударное ядро"), предназначен­ные для пробития относительно тонкой брони сердечником со значи­тельного (до десятков метров) расстояния, имеют апертуру порядка 120о.

Скорость сердечника (песта) ниже скорости звука в металле. Поэтому взаимодействие сердечника (песта) с броней протекает как у обычных бронебойных снарядов кинетического действия.

Скорость кумулятивной струи выше скорости звука в металле. Поэтому взаимодействие  кумулятивной струи с броней протекает согласно гидродинамической теории, то есть кумулятивная струя и броня взаимодействуют как две идеальные жидкости при их соударении.

Из гидродинамической теории следует, что бронепробиваемость кумулятивной струи растет пропорционально длине струи и корню квадратному из отношения плотности материала облицовки кумулятив­ного заряда к плотности материала преграды. Исходя из этого может быть рассчитана теоретическая бронепробивная способность данного кумулятивного заряда.

Однако практика показывает, что реальная бронепробивная способность кумулятивных зарядов выше теоретической. Это объясня­ется тем, что фактическая длина струи оказывается большей, чем расчетная, из-за дополнительного вытягивания струи вследствие градиента скорости ее головной и хвостовой частей.

Для полной реализации потенциальной бронепробивной способности кумулятивного заряда (с учетом дополнительного вытягивания кумулятивной струи из-за градиента скорости по ее длине) необходимо, чтобы детонация кумулятивного заряда происходила на оптимальном фокусном расстоянии от преграды (рис. З). С этой целью используются различные типы баллистических наконечников соответствующей  длины.

Рис. 3.   Изменение пробивной способности типичного кумулятивного заряда как функция изменения фокусного расстояния: 1 - глубина внедрения (см); 2 - фокусное расстояние (см)

С целью большего вытягивания кумулятивной струи и, соответственно, повышения ее бронепробивной способности используют конические облицовки кумулятивных зарядов о двумя или тремя угловыми апертурами, а также облицовки рупорообразной формы (с непрерывно меняющейся угловой апертурой). При изменении угловой апертуры (ступенчато или непрерывно) возрастает градиент скорости по длине струи, что и вызывает ее дополнительное вытя­гивание и повышение бронепробивной способности.

Повышение бронепробиваемости кумулятивных зарядов за счет дополнительного вытягивания кумулятивной струи возможно лишь при обеспечении высокой точности изготовления их облицовок. Точность изготовления облицовок является ключевым фактором эффективности кумулятивных зарядов.

Будущие разработки кумулятивных зарядов

Возможность повышения бронепробиваемости кумулятивных зарядов за счет дополнительного вытягивания кумулятивной струи ограничена. Это связано с необходимостью соответственно увеличи­вать фокусное расстояние, что ведет к увеличению длины снарядов, затрудняет их стабилизацию в полете, повышает требования к точ­ности изготовления и удорожает производство. Кроме того, с увели­чением вытягивания струи соответствующим ее утоньшением снижается  эффективность заброневого действия.

Другим направлением повышения бронепробиваемости кумулятив­ных боеприпасов может быть использование кумулятивных зарядов тандемного типа. Речь идет не о боевой части с двумя последовательно расположенными кумулятивными зарядами, предназначенной для преодоления реактивной брони и не имеющей целью повысить бронепробиваемость как таковую. Речь о специальной конструкции, обес­печивающей целенаправленное использование энергии двух последовательно срабатывающих кумулятивных зарядов именно для увеличения суммарной бронепробиваемости боеприпаса. На первый взгляд обе концепции выглядят подобными, но в действительности они совершенно различны. В первой конструкции головной (с меньшей массой) заряд срабатывает первым, инициируя своей кумулятивной струёй подрыв защитного заряда реактивной брони  и " расчищая путь" для кумулятивной струи второго заряда. Во второй же конструкции суммируется бронебойное действие кумулятивных струй обоих зарядов.

Доказано, что при равной бронепробивной способности калибр тандемного снаряда может быть меньше калибра однозарядного сна­ряда. Однако тандемный снаряд будет более длинным, чем однозарядный, и его труднее стабилизировать в полете. Весьма затруднен для тандемного снаряда и выбор оптимального Искусного расстояния. Оно может быть лишь компромиссом между идеальными значениями для первого и второго зарядов. Имеются и другие трудности в деле создания тандемных кумулятивных боеприпасов.

Альтернативные разработки кумулятивных зарядов

Вращение кумулятивного заряда, предназначенного для пробития брони кумулятивной струёй, снижает его бронепробивную способность. Это связано с тем, что возникающая при вращении центробежная сила разрывает и изгибает кумулятивную струю. Однако для кумулятивного заряда, предназначенного для пробития брони сердечником , а не струей, вращение, придаваемое сердечнику, может оказаться полезным  г повысить его бронепробиваемость подобно  тому, как это имеет место в отношении обычных снарядов кинетического действия.

Использование образующихся при взрыве кумулятивных зарядов сердечников в качестве пробивающего средства предполагается в боевых частях SFF/EFP, предназначенных для суббоеприпасов, разбрасываемых артиллерийскими снарядами и ракетами. Сердечник, имея значительно больший по сравнению с кумулятивной струёй диаметр, имеет и более высокое заброневое поражающее действие, но пробивает по сравнению с кумулятивной струёй значительно меньшую толщину брони, хотя и со значительно большего расстояния. Бронепробиваемость сердечника может быть повышена за счет придания ему оптимальной фирмы, для чего необходима более толстая облицовка, чем для образования кумулятивной струи.

В кумулятивных боевых частях SFF/EFP целесообразно использовать параболические облицовки из тантала. В их предшествен­никах, которыми являются плоские кумулятивные заряды, используются конические облицовки из стали глубокой вытяжки. И в том и в дру­гом случае облицовки имеют большие угловые апертуры.

Пробивание с дозвуковой скоростью

  Все бронебойные снаряды, ударная скорость которых меньше скорости звука в материале снаряда, воспринимают при взаимодей­ствии с броней большие давления и деформирующие силы. В свою оче­редь характер сопротивления брони внедрению снаряда зависит от ее формы, материала, прочности, пластичности и угла наклона, а также от  скорости, материала и формы снаряда. Невозможно дать стандарт­ное всеобъемлющее описание происходящих при этом процессов.

В зависимости от того или иного сочетания указанных факторов основная энергия снаряда в процессе взаимодействия с броней рас­ходуется по разному, что приводит к различным по своему харак­теру поражениям брони (рис. 4). При этом в броне возникают те или иные виды напряжений и деформаций: растяжения, сжатия, среза, из­гиба. На практике все эти виды деформаций проявляются в смешанном и трудноразличимом виде, но для каждого конкретного сочетания условий взаимодействия снаряда с броней определяющими являются определенные виды деформаций.

Рис. 4.     Некоторые характерные виды поражения брони снарядами кинетического действия. Сверху вниз: хрупкое разрушение, отколы брони, срез пробки, радиальные трещины, прокол (образование лепестков) на тыльной поверхности

Подкалиберный снаряд

Лучшие результаты бронепробиваемости достигаются, когда стрельба     ведется из пушек крупного калибра (что обеспечивает получение снарядом высокой энергии, возрастающей пропорционально калибру в третьей степени) снарядами малого диаметра (что снижает потребную снаряду пробития брони энергию, пропорциональную диаметру, снаряда в первой степени). Это и определяет широкое распространение бронебойных подкалиберных снарядов.

Бронепробиваемость подкалиберных снаряда определяется соотношением его массы и скорости, а также отношением его длины ж диаметру (1:d).

Лучшим по бронепробиваемости является самый длинный снаряд, который может быть изготовлен при существующей технологии. Но при стабилизации вращением 1:d не может превышать 1:7 (или чуть больше), так как при превышении  этого предела снаряд становится неустойчивым в полете.

При максимально допустимом отношении 1:d для обеспечения высокой бронепробиваемости более легкий снаряд с более высокой скоростью, чем  более тяжелый снаряд, но с меньшей скоростью. При достаточно высокой ударной скорости удлиненного снаряда материал преграды и снаряда соударении начинает течь (рис. 5), что облегчает процесс бронепробивания. Высокие скорости снаряда способствуют также повышению точности стрельбы.

Рис.5.                    Сверху: рентгеновский снимок удлиненного сердечника, попавшего в наклоненную под большим углом (80о) броневую плиту со скоростью 1200 м/с. Снимок отражает состояние через 8,5 мкс после удара: снаряд  и броня начинают течь вместе. Слева: рентгеновский снимок последовательности пробивания алюминиевой плиты медным удлиненным сердечником при ударе со скоростью 1200 м/с. Видно, что характер процесса пробивания приближается к гидродинамическому: течет и материал преграды, и материал сердечника

Начальные скорости современных бронебойных подкалиберных снарядов уже близки к предельно достижимым в артиллерийских системах, но все же их некоторое дальнейшее повышение возможно за счет использования метательных зарядов с большей энергией.

Наилучшая бронепробиваемость может быть получена при ударных скоростях 2000-2500 м/с. Повышение ударной скорости до 3000 м/с и более не приводит к дальнейшему увеличению бронепробиваемости, так как в этом случае основная часть энергии снаряда будет расходоваться на увеличение диаметра кратера. Однако переход к ударным скоростям равным (или превышающим) скорости звука в материале снаряда (например, за счет использования электромагнит­ных пушек), вновь повышает бронепробиваемость, так как процесс бронепробивания  становится идеальным, как при пробивании брони кумулятивной струей.

Стабилизация вращением или оперением?

Стабилизация вращением невозможна при отношении 1:d больше 8. Стабилизация оперением тем затруднительней, чем выше скорость снаряда, но решение этой задачи облегчается, если место крепления оперения расположить на достаточном расстоянии от центра тяжести снаряда. С этой целью либо помещают в головной части снаряда тяжелый сердечник, либо создают полость в хвостовой части снаряда, либо просто удлиняют  снаряд. Стабилизация оперением позволяет успешно стабилизировать снаряды со значи­тельно большим отношением  1:d, чем это может быть обеспечено стабилизацией вращением.

Стабилизация снаряда вращением возможна  только при стрельбе из нарезных пушек, а стабилизация оперением - при стрельбе, как  из нарезных, так и гладкоствольных пушек. Иначе, из нарезных пушек можно вести стрельбу снарядами, стабилизированными как вращением, так и оперением, а из гладкоствольных - только стабилизированными оперением. В этом плане решение Великобритании использовать для своих танков нарезные пушки представляется оправданным.

Использование стабилизации оперением открывает возможности значительного увеличения отношения 1:d, однако, с другой стороны эти возможности ограничиваются прочностью снаряда, так как чрезмерно длинные и тонкие             снаряды при ударе о броню будут ломаться, особенно при попаданиях                   под большим углом от нормали к поверхности брони. Предполагаемое использование     в конструкции снарядов типа  APFSDS, изготовляемых из сплава обедненного урана ("Стабеллой"), отношения 1:d=20 может быть объяснено только очень высокой прочностью этого сплава. Такую прочность можно получить, если снаряд будет представлять собой монокристаллическое тело, так как механическая прочность монокристалла намного выше прочности поликристаллического тела.

Броня

При одной и той же толщине более плотный материал обладает более высокой противокумулятивной стойкостью по сравнению с менее плотным материалом. Однако ограничением для бронирования подвижных машин является не толщина брони как таковая, а масса брони. При равной же массе менее  плотной материал (за счет большей толщины) будет обладать более  высокой противокумулятивной стойкостью по сравнению с более плотным материалом. Отсюда вытекает целесообраз­ность использования для противокумулятивной защиты легких прочных материалов (алюминиевые сплавы,  "Кевлар" и др.).

Однако легкие материалы плохо защищают от снарядов кинети­ческого действия. Поэтому для защиты от этих снарядов необходимо снаружи и сзади слоя легкого материала размещать прочную стальную броню. Такова основная концепция композитной (комбинированной) брони, конкретный состав которой может быть весьма сложным  и держится в секрете.

Последними достижениями в области брони являются реактивная броня, впервые использованная на израильских танках, а также используемая на американском танке М-1А1 броня, включающая моно­кристаллы на  основе обедненного урана. Последняя обладает высокими защитными свойствами от кумулятивных и бронебойных подкалиберных снарядов, а также от гамма-излучения ядерного взрыва. Однако обедненный уран может быть легко расщеплен быстрыми нейтронами (коэффициент выхода между 2 и 4), что усилит нейтронный компонент. Это может в 1,25-1,6 раза увеличить радиус смертельных поражений нейтронным потоком членов экипажа танка при ядерном взрыве. Стоит ли это учитывать? Ответ может последовать не от специалистов по вооружению,  а лишь от специалистов по вопросам стратегии.

GIORGIO FERRARI

THE "HOWS" AMD "WHYS" OF ARMOUR PENETRATION.

MILITARY TECHNOLOGY, 1988, No10, p. 81-82, 85, 86, 90-94, 96