Что такое гомогенная катаная сталь

Обновлено: 10.05.2024

Война, как известно, лучший двигатель прогресса. Танковая промышленность Советского Союза всего за несколько военных лет совершила головокружительный качественный рывок. Настоящим венцом этого стали танки серии ИС.

Магнитогорские рецептуры

В предыдущей части истории шла речь о литой высокотвердой броне 70Л, применяемой для башен танков ИС. У разработчиков брони из ЦНИИ-48 это был далеко не первый опыт создания защиты для тяжёлых танков.

До Курской дуги, ставшей катализатором развития отечественного тяжелого танкостроения, главным объектом модернизации был танк КВ. Первоначально все работы были направлены на снижение доли дефицитных легирующих добавок в составе брони. Даже название в ЦНИИ-48 придумали соответствующее – экономнолегированная сталь. Первоначальная броня марки ФД-7954, с которой танк КВ вошел в Великую Отечественную войну, содержала по техническим требованиям до 0,45% молибдена, 2,7% никеля и хрома.

Уже к концу 1941 года группа исследователей под руководством Андрея Сергеевича Завьялова в «Броневом институте» создали рецептуру стали ФД-6633 или 49С, в которой молибдена требовалось не более 0,3%, хрома – до 2,3%, а никеля – до 1,5%. Учитывая, что танков серии КВ с о второго полугодия 1941 года до 1943 года было собрано около 4 тысяч экземпляров, можно представить объем реальной экономии легирующих металлов.

Секрет успеха

Секрет успеха металлургов кроется в исследовании параметров формирования волокнистого излома брони – основного параметра снарядостойкости. Оказалось, можно обойтись без существенной доли легирующих элементов, просто изменив скорость охлаждения брони при закалке. Но это на словах все просто – сколько предварительных опытов и плавок пришлось делать металлургам, рассказать смогут только засекреченные сейчас архивы.

На Магнитогорском металлургическом комбинате в 1941 году были получены первые опытные образцы стали 49С, которые не уступали традиционной «довоенной» броне. В частности, обстрелы 76-мм пушкой показали полное соответствие тактическим требованиям к танку. И с 1942 года на серию КВ шла броня только с именем 49С. Стоит помнить, расход хрома, молибдена и никеля при этом серьезно снизились.

На этом поиски новых рецептур брони для тяжелой техники не закончились. В 1942 году была «сварена» сталь ГД-63-3, напрочь лишенная дефицитного хрома и никеля. В какой-то мере никель заменили марганцем – его доля увеличилась в три с лишним раза (до 1,43%). Опытные образцы новой брони были обстреляны. И они оказались вполне пригодны для массового использования в конструкции КВ. Но вот сами танки с броней средней твердости «Клим Ворошилов» уходили на покой. А место тяжелых машин занимали машины «Иосиф Сталин» с броней высокой твердости.

Катаная броня 51С

Если броню 70Л для башни ИС-2 можно было отливать, то с корпусными деталями танка такой фокус не проходил. Здесь инженеры сталкивались сразу с двумя проблемами – созданием высокотвердой брони большой толщины и необходимостью ее сваривать в готовый корпус.

О том, какие проблемы вызвала сварка брони Т-34 уже, наверное, известно всем интересующимся – высокая вероятность трещинообразования в области сварочных швов. ИС-2 не был исключением. И его корпус первоначально предполагалось варить из окончательно термически обработанных деталей.

Отдавая себе отчет, какие трудности и опасности принесет подобное технологическое решение в войсковой эксплуатации, специалисты ЦНИИ-48 изменили цикл производства танков. В итоге в 1943 году на Уральском заводе тяжелого машиностроения и челябинском заводе №200 корпуса ИС-2 решено было варить из броневых листов, прошедших после прокатки только высокий отпуск. То есть по факту корпус тяжелого танка собирали из «сырой» стали. Это серьезно снижало дефекты от сварки на высокотвердой катаной броне 51С.

Окончательную термообработку нагревом до закалки проводили уже на сваренном корпусе танка, предварительно укрепив его внутренними распорками. В печи корпус выдерживали в течение трех часов. А потом на специальных приспособлениях переносили в водяной закалочный бак и выдерживали в нем 15 минут. Причем температура воды в закалочном баке поднималась от 30 до 55°С. Температура поверхности корпуса после извлечения из воды составляла 100–150°С. И это еще не все.

После закалки корпус немедленно подвергали низкому отпуску в циркуляционной печи при температуре 280–320°С с выдержкой после достижения этой температуры в течение 10–12 часов. Аналогичным образом проводили низкий отпуск литых башен из брони 70Л. Интересно, что контроль трещинообразования в опытных корпусах ИС-2 длился в течение четырех месяцев, когда из ворот завода сходили первые серийные танки.

Химический состав

Что же из себя представляла катаная броня 51С, ставшая основной для ИС-2, ИСУ-122 и ИСУ-152? Это глубоко прокаливающаяся сталь для больших толщин брони, имеющая следующий химический состав (%):

С 0,18–0,24
Mn 0,70–1,0
Si 1,20–1,60
Cr 1,0–1,5
Ni 3,0–3,8
Mo 0,20–0,40
P ≤0,035
S ≤0,035.

«Умная» сварка

Немаловажный вклад в успешность освоения броневого производства танков серии ИС внесла автоматическая сварка стали под слоем флюса. Поскольку перевести на такую сварку весь процесс изготовления танкового бронекорпуса на начало 1944 года было невозможно, то инженеры сосредоточились на автоматизации наиболее протяженных и механически нагруженных швов.

На челябинском заводе № 200 в процессе сборки корпуса тяжелого танка ИС-2 могло быть автоматизировано только 25% от всех сварных швов. К середине 1944 года в Танкограде удалось автоматизировать 18% из всех возможных 25% сварных швов. Общая протяженность сварных швов по корпусу тяжелого танка ИС-2 составляла 410 погонных метров, из которых 80 погонных метров осуществлялась методом автоматизированной сварки.

Такой результат привел к существенной экономии дефицитных ресурсов и электроэнергии. Удалось высвободить до 50 квалифицированных ручных сварщиков (их трудозатраты в количестве 15 400 человеко-часов) и сэкономить 48 000 киловатт-часов электроэнергии. Уменьшился расход электродов (порядка 20 000 кг, аустенитных – 6 000 кг), кислорода (на 1 440 кубометра).

Значительно сократилось и время проведения сварочных работ. К примеру, приварка днища и подбашенной коробки к бортам шестнадцатиметровым швом занимала в ручном режиме 9,5 человека-часов, а со сварочным автоматом всего 2. Аналогичный по длине шов, соединяющий днище с бортами корпуса танка в автоматическом режиме требовал 3 человека-часа (в ручном сразу 11,4). При этом высококвалифицированные сварщики могли быть заменены на автоматической сварке малоквалифицированными рабочими.

Уральские САГи

Исследователь советской танковой промышленности, кандидат исторических наук Запарий Василий Владимирович из Института истории и археологии УрО РАН в одной из своих работ очень подробно описывает агрегаты автоматической сварки, используемой на Урале для бронекорпусного производства.

Самым распространенным был автомат типа «АСС» с головкой Буштедта. Всего на Уралмаше было восемь таких установок. Скорость подачи проволоки в данном автомате зависела от напряжения в дуге. Он требовал 5 агрегатов, в том числе 3 кинематических электромотора и 1 мотор-генератор.

К середине 1943 года под нужды тяжёлых танков ИС-2 сконструировали сварочный автомат «СА-1000». Или Сварочный автомат мощностью до 1000 А.

В целях освоения выпуска бронекорпусов для нового челябинского тяжелого танка ИС-3, инженерами завода в 1944 году был сконструирован аппарат «СГ-2000». Данная машина была рассчитана для работы с малоуглеродистыми сварочными проволоками повышенного диаметра (6–8 мм) и нашла свое применение в ходе изготовления башни ИС-3. Установка имела дозатор для введения в раздел шва специального состава (различные ферросплавы) с целью раскисления (восстановления) металла в нем. Всего на принципе саморегуляции сварочной дуги на УЗТМ к 1945 году было создано 9 автосварочных установок трех типов: «СА-1000», «СГ-2000», «САГ» («Сварочная автоматическая головка»).

Краше немецкой брони

Итогом всей истории с бронированием тяжелых танков ИС стала удивительно оперативная разработка рецептуры стали, превосходящей по своим тактическим свойствам немецкую броню. В ЦНИИ-48 получили прокаливаемую 120-мм сталь, толщину которой в случае необходимости можно было увеличить до 200 мм.

Это и стало основным фундаментом для разработки послевоенного семейства тяжелых советских танков.

Броня гомогенная в современных танках: прочность, рикошетоспособность

Броня — защитный материал, которому свойственны высокая устойчивость и сопротивляемость внешним факторам, угрожающим деформацией и нарушением его целостности. Неважно, о какой защите идёт речь: будь то рыцарские латы или тяжёлое покрытие современных боевых машин, цель остаётся одна — оберегать от повреждений и принимать на себя основной удар.

Броня гомогенная — защитный однородный слой материала, который обладает повышенной прочностью и имеет по всему сечению однородный химический состав и одинаковые свойства . Именно о таком типе защиты и пойдёт речь в статье.

История возникновения брони

Первые упоминания о броне встречаются в средневековых источниках, речь идет о латах и щитах воинов. Главное их предназначение заключалось в защите частей тела от мечей, сабель, топоров, копий, стрел и прочего оружия.

С появлением огнестрельного оружия появилась необходимость отказаться от применения сравнительно мягких материалов при изготовлении брони и перейти к более прочным и устойчивым не только к деформациям, но и к условиям окружающей среды сплавам.

Со временем украшения, применяемые на щитах и доспехах, символизирующие статус и почёт знати, стали уходить в прошлое. Форма лат и щитов начала упрощаться, уступая дорогу практичности.

По сути, весь мировой прогресс свёлся к гонке скоростей изобретения новейших видов оружия и защиты от такового. Как результат, упрощение формы доспеха приводило к снижению стоимости (из-за отсутствия украшений), но повышало практичность. В итоге броня стала более доступной.

Железо и сталь нашли применение и далее, когда во главе угла встали качество и толщина брони. Явление нашло отклик в корабле- и машиностроении, а также при укреплении наземных сооружений и малоподвижных боевых единиц вроде катапульт и баллист.

Виды брони

С развитием металлургии в историческом плане наблюдались усовершенствования толщины оболочек, что постепенно привело к появлению брони современных типов (танковая, корабельная, авиационная и т. д.).

В современном мире гонка вооружений не прекращается ни на минуту, что приводит и к появлению новых типов защиты как средства противодействия имеющимся видам оружия.

Исходя из особенностей конструкции, выделяют следующие виды брони:

гомогенная;
армированная;
навесная;
разнесённая.

Исходя из способов применения:

нательная — любая броня, одеваемая для защиты тела, и неважно, что это – латы средневекового воина или бронежилет современного солдата;
транспортная — металлические сплавы в виде плит, а также пуленепробиваемое стекло, целью которого является защита экипажа и пассажиров техники;
корабельная — броня для защиты судов (подводной и надводной части);
строительная — вид, применяемый для защиты дотов, блиндажей и деревоземляных огневых точек (дзотов);
космическая — всевозможные противоударные экраны и зеркала для защиты космических станций от орбитального мусора и вредоносного воздействия прямых солнечных лучей в открытом космосе;
кабельная — предназначена для защиты подводных кабелей от повреждений и долговечной эксплуатации в агрессивной среде.

Броня гомогенная и гетерогенная

Материалы, применяемые для изготовления брони, отражают развитие выдающейся конструкторской мысли инженеров. Доступность таких полезных ископаемых, как хром, молибден или вольфрам, позволяет разрабатывать высокопрочные образцы; отсутствие таковых создаёт необходимость разработки узконаправленных формаций. К примеру, броневых листов, которые легко бы балансировали по критерию соотношения цены и качества.

По назначению броня делится на противопульную, противоснарядную и конструкционную. Броня гомогенная (из одного материала по всей площади сечения) или гетерогенная (разнится по составу) используется при создании как противопульных покрытий, так и противоснарядных. Но и это еще не все.

Броня гомогенная имеет как одинаковый химический состав по всей площади сечения, так и идентичные химические и механические свойства. Гетерогенная же может иметь разные механические свойства (закалённая с одной стороны сталь, например).

Катаная гомогенная броня

По способу изготовления броневые (будь то гомогенная бронь или гетерогенная) покрытия делятся на:

Катаные. Это разновидность литой брони, прошедшей обработку на прокатном станке. За счёт сдавливания на прессе молекулы сближаются друг с другом, и происходит уплотнение материала. Данный вид сверхпрочной брони обладает одним недостатком: не поддаётся отливке. Используется на танках, но лишь в виде ровных пластин. На танковой башне, к примеру, требуется округлая.
Литые. Соответственно, менее прочные в процентном соотношении, чем предыдущий вариант. Однако такое покрытие может использоваться для башни танков. Литая гомогенная броня, разумеется, будет прочнее, чем гетерогенная. Но, как говорится, хороша ложка к обеду.

Предназначение

Если рассматривать противопульную защиту от обычных и бронебойных пуль, а также воздействия осколков малых бомб и снарядов, то такая поверхность может быть представлена в двух исполнениях: катаная гомогенная броня высокопрочная или гетерогенная цементированная с высокой прочностью как лицевой, так и тыльной сторон.

Противоснарядное (защищает от воздействия больших снарядов) покрытие тоже представлено несколькими типами. Самые распространённые из них — катаная и литая гомогенная броня нескольких категорий прочности: высокой, средней и низкой.

Ещё один тип — катаная гетерогенная. Представляет собой цементированное покрытие с закалкой с одной стороны, прочность которой убывает «в глубину».

Толщина брони по отношению к твёрдости в этом случае представляет собой соотношение 25:15:60 (наружный, внутренний, тыльный слои соответственно).

Применение

Танки России, как и корабли, в настоящее время покрыты хромоникелевой или никелированной сталью. Причем если при строительстве кораблей используется стальной бронепояс с изотермической закалкой, то танки обрастают композитной защитной оболочкой, которая состоит из нескольких слоёв материалов.

К примеру, лобовая броня универсальной боевой платформы «Армата» представлена композитным слоем, непробиваемым для современных противотанковых снарядов калибра до 150 мм и подкалиберных стреловидных снарядов калибра до 120 мм.

А также используются противокумулятивные экраны. Трудно сказать, лучшая броня это или нет. Танки России совершенствуются, а с ними улучшается и защита.

Броня vs Снаряд

Конечно, маловероятно, что члены расчёта танка держат в голове подробные тактико-технические характеристики боевой машины, указывающие, какова толщина защищающего слоя и какой снаряд на каком миллиметре она сдержит, равно как и то, гомогенной является броня используемой ими боевой машины или нет.

Свойства современной брони нельзя описать одним лишь понятием «толщина». По той простой причине, что угроза от современных снарядов, против которых, собственно, и разработана такая защитная оболочка, исходит от кинетической и химической энергии снарядов.

Кинетическая энергия

Под кинетической энергией (лучше сказать «кинетической угрозой») подразумевается способность болванки снаряда прошить броню. К примеру, снаряд из обеднённого урана или карбида вольфрама пробьёт таковую насквозь. Гомогенная стальная броня бесполезна против попадания таковых. Нет никаких критериев, по которым можно утверждать, что 200 мм гомогенной эквивалентны 1300 мм гетерогенной.

Секрет противодействия снаряду кроется в расположении брони, что приводит к изменению вектора воздействия снаряда на толщу покрытия.

Кумулятивный снаряд

Химическая угроза представлена такими типами снарядов, как противотанковый бронебойно-фугасный (по международной номенклатуре обозначается как HESH) и кумулятивный (HEAT).

Кумулятивный снаряд (вопреки устоявшемуся мнению и влиянию игры World Of Tanks) не несёт в себе воспламеняющей начинки. Его действие основано на фокусировании энергии удара в тонкую струю, которая, благодаря высокому давлению, а не температуре, прорывает защитный слой.

Защитой от подобного рода снарядов служит наращивание так называемой фальш-брони, которая принимает на себя энергию удара. Простейшим примером является обтягивание танков сеткой-рабицей от старых кроватей во времена Второй мировой войны советскими солдатами.

Израильтяне защищают корпуса своих «Меркав», прикрепляя к корпусу стальные шары, висящие на цепях.

Ещё одним вариантом является создание динамической брони. При столкновении направленной струи от кумулятивного снаряда с защитной оболочкой происходит детонация броневого покрытия. Взрыв, направленный в противовес кумулятивное струе, приводит к рассеиванию последней.

Фугас

Действие бронебойно-фугасного снаряда сводится к обтеканию корпуса брони при столкновении и передаче огромного ударного импульса через слой металла. Далее, как кегли в боулинге, слои брони толкают друг друга, что приводит к деформации. Таким образом, бронепластины разрушаются. Причём слой брони, разлетевшись, наносит травмы экипажу.

Защита от фугасных снарядов может быть такой же, как и от кумулятивных.

Заключение

Одним из исторически зафиксированных случаев применения необычных химических составов для защиты танка является инициатива Германии покрывать технику циммеритом. Делалось это для защиты корпусов «Тигров» и «Пантер» от магнитных мин.

В состав циммеритовой смеси входили такие элементы, как сульфат бария, сульфид цинка, древесные опилки, пигмент охры и связующее вещество на основе поливинилацетата.

Использование смеси началось в 1943 г. и закончилось в 1944-м по той причине, что засыхание требовало нескольких суток, а Германия на тот момент находилась уже в положении проигрывающей стороны.

В дальнейшем практика применения такой смеси нигде не нашла отклика ввиду отказа от употребления пехотой ручных противотанковых магнитных мин и появления значительно более мощных видов оружия — противотанковых гранатомётов.

Гомогенная и композитная броня.

На заре появления сухопутной бронетехники, основным типом защиты были простые стальные листы. Их старшие товарищи, броненосцы и бронепоезда, к этому времени успели обзавестись цементированной и многослойной броней, но, в серийное танкостроение эти типы брони пришли лишь после ПМВ.

Гомогенная броня представляет собой горячекатаные листы или литые конструкции, из которых тем или иным методом собирают броневой корпус. Первым методом сборки были заклепки, как самый дешевый и быстрый на тот момент. Позже болтовые соединения существенно потеснили заклепки. К середине ВМВ основным методом соединения броневых плит стала электродуговая сварка. Первоначально сварка преимущественно была ручная газопламенная, но, развитие электротехники и освоение массового производства электродов достаточно высокого качества, привели к более широкому использованию электродуговой сварки. С начала 1930-х годов делались попытки внедрения в серийное производство автоматической электродуговой сварки. Но, достичь приемлемого качества при приемлемой стоимости удалось только в годы ВМВ в СССР, когда при производстве танков Т-34-76 и танков семейства КВ, впервые в мире стали применять автоматическую электродуговую сварку под слоем порошкового флюса.

Несмотря на изобретение электродуговой сварки еще в конце 19-го века российским инженером Н.Н. Бенардосом, вплоть до конца ВМВ в танкостроении ограниченно применялось соединение броневых плит на болты и заклепки. Это стало следствием проблем, которые возникают при сварке толстых плит из среднеуглеродистых сталей (0,25-0,45%С). Высокоуглеродистые стали в танкостроении даже сейчас практически не применяются.

Также, сложно добиться качественных сварных швов при сварке легированных и недостаточно очищенных сталей. Для измельчения структурного зерна сталей используют добавки марганца и других легирующих элементов. Они так же, повышают прокаливаемость сталей, тем самым, снижая локальные напряжения в сварном шве. Иногда может применяться закалка броневых плит, но, этот метод применяется крайне ограниченно, так как, предварительно закаленные броневые плиты при сварочном соединении создают еще большие проблемы из-за неоднородности поля внутренних напряжений. Для снятия напряжений обычно используют нормализационный отжиг или низкий отпуск. Но, для достижения существенного повышения твердости, вначале сталь должна быть закаленной на мартенсит или на троостит (то есть, высокая закалка). Высокая закалка толстостенных деталей сложной формы всегда представляет большую сложность, если это деталь величиной с корпус танка, то задача практически не решаемая.

Для повышения стойкости гомогенной брони желательно повысить твердость поверхности броневых плит, а сердцевины и строну, обращенную внутрь, оставить вязкой и сравнительно эластичной. Этот подход впервые был реализован на броненосцах конца 19-го века. В бронетехнике это решение применялось намного уже.

Проблема цементации заключается в необходимости долгой выдержки детали в порошковом карбюризаторе (смесь на основе кокса, нескольких процентов извести, и небольшой добавки поташа) при температурах 500-800*С. При этом проблематично добиться равномерной толщины карбидного слоя. К тому же, сердцевина стальной детали становится крупнозернистой, что резко снижает ее усталостную прочность и несколько снижает все прочностные параметры.

Более совершенный метод – азотирование. Азотирование проводить технически сложнее, но, после азотирования деталь подвергается нормализационному отжигу с охлаждением в масле. Это несколько компенсирует увеличение структурного зерна. Но, глубина слоя азотирования не превышает одного миллиметра при времени азотирования в десятки часов.

Прекрасный метод – цианидирование. Проводится быстрее, твердость не ниже, температура нагрева сравнительно небольшая. Но, окунать броневые плиты (и тем более, корпус танка) в расплавленную смесь цианидов, это, мягко говоря, неэкологично, да и вообще, сомнительное удовольствие.

Оптимальные свойства броневой защиты можно достичь использованием сварного корпуса из среднеуглеродистой стали, а сверху закрыть корпус сварными и/или соединенными на резьбу плитами из закаленной высокопрочной стали.

Композитные материалы это, в общем случае, материалы, сочетающие в себе два и более компонента с сильно отличающимися свойствами. К ним можно отнести армированные, многослойные, наполненные, и другие композиции (“композиция”, в данном значении, можно примерно перевести как “смесь” или “совмещение”).

К классическим примерам композитных материалов можно отнести простые железобетонные плиты, или, например, смесь кобальта и порошкового карбида вольфрама, используемую для производства твердосплавных наплавок быстрорежущего инструмента. При этом, классическое значение, и наибольшую известность термин “композитные материалы” приобрел применительно к композициям на основе полимерных матриц, усиленных тем или иным армированием (волокно, порошки, ровинги, войлоки (нетканые текстили), полые сферы, ткани, и пр.).

Применительно к броневой защите, композитная броня это броня, включающая конструктивные элементы из материалов с сильно отличающимися свойствами. Как мы уже сказали выше, внешние плиты желательно сделать максимально твердыми, а несущей основе оставить хорошую обрабатываемость, и высокую вязкость.

Следовательно, композитная броня может включать в себя различные сочетания из вязкого и упругого материал и высокотвердого материала: среднеуглеродистая сталь + керамика, алюминий + керамика, титановый сплав + закаленная инструментальная сталь, кварцевое стекло + броневая сталь, стеклопластик + керамика + сталь, сталь + СВМПЭ + корундовая керамика, и мн. др. Обычно, внешняя плита изготавливается из материала со средними прочностными свойствами, она выполняет функцию противокумулятивного экрана, а так же, обеспечивает защиту твердых хрупких элементов от попаданий осколков и пуль. Самый нижний слой выполняется несущим, оптимальный материал для него броневая сталь и/или алюминиевые сплавы. Если позволяет средства, то титановые сплавы. Для остановки наиболее эффективных противотанковых средств может дополнительно использоваться подбой из высокопрочного волокна (обычно кевлар, но, иногда используют нейлон, лавсан, капрон, СВМПЭ, и пр.). Подбой останавливает осколки, возникающие при неполном пробивании брони, обломки разрушившегося сердечника БОПС, мелкие осколки от небольшой пробоины кумулятивным снарядом. Кроме того, подбой повышает теплоизоляцию и звукоизоляцию машины. Веса подбой особо не добавляет, больше влияя на стоимость бронетехники.

В отличие от гомогенной брони, любая композитная броня работает на разрушение. Проще говоря, верхний экран легко пробивается практически любыми ПТ средствами. Твердые пластины выполняют свою функцию в процессе более или менее хрупкого разрушения, а несущая часть брони останавливает уже рассеянный удар кумулятивной струи или обломки сердечника БОПС. Подбой подстраховывает от более мощных ПТ средств, но, его возможности весьма ограничены.

При проектировании композитной брони так же учитываются три немаловажных фактора: стоимость, плотность, и обрабатываемость материал. Камнем преткновения керамики является обрабатываемость. Кварцевое стекло, так же, имеет плохую обрабатываемость, да и солидную стоимость. Стали и сплавы вольфрама отличаются высокой плотностью. Полимеры, хотя и весьма легкие, но, стоят обычно дорого, да и чувствительны к огню (как и к длительному нагреву). Алюминиевые сплавы сравнительно дороги, и имеют низкую твердость. Идеального материала, к сожалению, нет. Но, те или иные сочетания различных материалов, часто позволяют оптимально решить техническую задачу при приемлемой стоимости.

Активная танковая броня

С момента появления бронетехники извечное сражение между снарядом и броней обострилось. Одни конструкторы стремились увеличить пробивную способность снарядов, другие повышали стойкость брони. Борьба продолжается и сейчас. О том, как устроена современная танковая броня, «Популярной механике» рассказал профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, директор по науке НИИ стали Валерий Григорян

Поначалу атака на броню велась в лоб: пока основным видом воздействия был бронебойный снаряд кинетического действия, дуэль конструкторов сводилась к увеличению калибра пушки, толщины и углов наклона брони. Эта эволюция хорошо видна на примере развития танковых вооружений и брони во Второй мировой. Конструктивные решения того времени достаточно очевидны: сделаем преграду толще; если ее наклонить – снаряду придется пройти больший путь в толще металла, да и вероятность рикошета увеличится. Даже после появления в боекомплектах танковых и противотанковых пушек бронебойных снарядов с жестким неразрушающимся сердечником мало что изменилось.

Элементы динамической защиты (ЭДЗ)
Представляют собой «сэндвичи» из двух металлических пластин и взрывчатого вещества. ЭДЗ помещены в контейнеры, крышки которых защищают их от внешних воздействий и одновременно представляют собой метаемые элементы

Однако уже в начале Второй мировой в поражающих свойствах боеприпасов произошла революция: появились кумулятивные снаряды. В 1941 году Hohlladungsgeschoss («снаряд с выемкой в заряде») начали применять немецкие артиллеристы, а в 1942-м и в СССР был принят на вооружение 76-мм снаряд БП-350А, разработанный после изучения трофейных образцов. Так были устроены и знаменитые фауст-патроны. Возникла проблема, не разрешимая традиционными способами из-за неприемлемого увеличения массы танка.

В головной части кумулятивного боеприпаса сделана коническая выемка в виде облицованной тонким слоем металла воронки (раструбом вперед). Детонация взрывчатого вещества начинается со стороны, ближайшей к вершине воронки. Детонационная волна «схлопывает» воронку к оси снаряда, а поскольку давление продуктов взрыва (почти полмиллиона атмосфер) превышает предел пластической деформации обкладки, последняя начинает вести себя как квазижидкость. Такой процесс не имеет ничего общего с плавлением, это именно «холодное» течение материала. Из схлопывающейся воронки выдавливается тонкая (сравнимая с толщиной оболочки) кумулятивная струя, которая разгоняется до скоростей порядка скорости детонации ВВ (а иногда и выше), то есть около 10 км/с и более. Скорость кумулятивной струи существенно превышает скорость распространения звука в материале брони (порядка 4 км/с). Поэтому взаимодействие струи и брони происходит по законам гидродинамики, то есть они ведут себя как жидкости: струя вовсе не прожигает броню (это широко распространенное заблуждение), а проникает в нее, подобно тому как струя воды под давлением размывает песок.

Принципы полуактивной защиты с использованием энергии самой струи. Справа: ячеистая броня, ячейки которой заполнены квазижидким веществом (полиуретан, полиэтилен). Ударная волна кумулятивной струи отражается от стенок и схлопывает каверну, вызывая разрушение струи. Внизу: броня с отражающими листами. За счет вспучивания тыльной поверхности и прокладки тонкая пластина смещается, набегая на струю и разрушая ее. Такие способы увеличивают противокумулятивную стойкость на 30–40

Слоеная защита

Первой защитой от кумулятивных боеприпасов стало применение экранов (двухпреградной брони). Кумулятивная струя формируется не мгновенно, для ее максимальной эффективности важно взорвать заряд на оптимальном расстоянии от брони (фокусное расстояние). Если перед основной броней поместить экран из дополнительных листов металла, то подрыв произойдет раньше и эффективность воздействия снизится. Во время Второй мировой для защиты от фаустпатронов танкисты крепили на свои машины тонкие металлические листы и сетчатые экраны (распространена байка об использовании в этом качестве панцирных кроватей, хотя в реальности применялись специальные сетки). Но такое решение было не слишком эффективным – прирост стойкости составлял в среднем всего 9–18%.

Поэтому при разработке нового поколения танков (Т-64, Т-72, Т-80) конструкторы применили другое решение – многослойную броню. Она состояла из двух слоев стали, между которыми помещался слой малоплотного наполнителя – стеклопластика или керамики. Такой «пирог» давал выигрыш в сравнении с монолитной стальной броней до 30%. Однако этот способ был неприменим для башни: у этих моделей она литая и поместить внутрь стеклопластик сложно с технологической точки зрения. Конструкторы ВНИИ-100 (ныне ВНИИ «Трансмаш») предложили вплавлять внутрь башенной брони шары из ультрафарфора, удельная струегасящая способность которого в 2–2,5 раза выше, чем у броневой стали. Специалисты НИИ стали выбрали другой вариант: между внешним и внутренним слоями брони помещались пакеты из высокопрочной твердой стали. Они принимали на себя удар ослабленной кумулятивной струи на скоростях, когда взаимодействие происходит уже не по законам гидродинамики, а в зависимости от твердости материала.

Обычно толщина брони, которую способен пробить кумулятивный заряд, составляет 6–8 его калибров, а для зарядов с обкладками из таких материалов, как обедненный уран, это значение может достигать 10

Полуактивная броня

Хотя затормозить кумулятивную струю достаточно непросто, она уязвима в поперечном направлении и легко может быть разрушена даже слабым боковым воздействием. Поэтому дальнейшее развитие технологии состояло в том, что комбинированная броня лобовых и бортовых частей литой башни образовывалась за счет открытой сверху полости, заполненной сложным наполнителем; сверху полость закрывалась приварными заглушками. Башни такой конструкции применялись на более поздних модификациях танков – Т-72Б, Т-80У и Т-80УД. Принцип действия вставок был разным, но использовал упомянутую «боковую уязвимость» кумулятивной струи. Такую броню принято относить к «полуактивным» системам защиты, поскольку в них используется энергия самого средства поражения.

Один из вариантов таких систем – ячеистая броня, принцип действия которой был предложен сотрудниками Института гидродинамики Сибирского отделения АН СССР. Броня состоит из набора полостей, заполненных квазижидким веществом (полиуретан, полиэтилен). Кумулятивная струя, попав в такой объем, ограниченный металлическими стенками, генерирует в квазижидкости ударную волну, которая, отражаясь от стенок, возвращается к оси струи и схлопывает каверну, вызывая торможение и разрушение струи. Такой тип брони обеспечивает выигрыш по противокумулятивной стойкости до 30–40%.

Еще один вариант – броня с отражающими листами. Это трехслойная преграда, состоящая из плиты, прокладки и тонкой пластины. Струя, проникая в плиту, создает напряжения, приводящие сначала к местному вспучиванию тыльной поверхности, а затем к ее разрушению. При этом происходит значительное вспучивание прокладки и тонкого листа. Когда струя пробивает прокладку и тонкую пластину, последняя уже начала движение в сторону от тыльной поверхности плиты. Поскольку между направлениями движения струи и тонкой пластины имеется некоторый угол, то в какой-то момент времени пластина начинает набегать на струю, разрушая ее. В сравнении с монолитной броней той же массы эффект от использования «отражающих» листов может достигать 40%.

Следующим усовершенствованием конструкции был переход на башни со сварной основой. Стало ясно, что разработки по увеличению прочности катаной брони более перспективны. В частности, в 1980-х годах были разработаны и готовы к серийному производству новые стали повышенной твердости: СК-2Ш, СК-3Ш. Применение башен с основой из проката позволило повысить защитный эквивалент по основе башни. В результате башня для танка Т-72Б с основой из проката обладала увеличенным внутренним объемом, рост массы составил 400 кг по сравнению с серийной литой башней танка Т-72Б. Пакет наполнителя башни выполнялся с применением керамических материалов и стали повышенной твердости или из пакета на основе стальных пластин с «отражающими» листами. Эквивалентная бронестойкость стала равна 500–550 мм гомогенной стали.

Принцип действия динамической защиты
При пробитии элемента ДЗ кумулятивной струей взрывчатое вещество, находящееся в нем, детонирует и металлические пластины корпуса начинают разлетаться. При этом они пересекают траекторию струи под углом, постоянно подставляя под нее новые участки. Часть энергии расходуется на пробитие пластин, а боковой импульс от соударения дестабилизирует струю. ДЗ снижает бронепробивные характеристики кумулятивных средств на 50–80%. При этом, что очень важно, ДЗ не детонирует при обстреле из стрелкового оружия. Применение ДЗ стало революцией в защите бронетехники. Появилась реальная возможность воздействовать на внедряющееся поражающее средство так же активно, как до этого оно воздействовало на пассивную броню

Взрыв навстречу

Тем временем технологии в области кумулятивных боеприпасов продолжали совершенствоваться. Если в годы Второй мировой войны бронепробиваемость кумулятивных снарядов не превышала 4–5 калибров, то позднее она значительно выросла. Так, при калибре 100–105 мм она уже составляла 6–7 калибров (в стальном эквиваленте 600–700 мм), при калибре 120–152 мм бронепробиваемость удалось поднять до 8–10 калибров (900–1200 мм гомогенной стали). Чтобы защититься от этих боеприпасов, требовалось качественно новое решение.

Работы над противокумулятивной, или «динамической», броней, основанной на принципе контрвзрыва, велись в СССР с 1950-х годов. К 1970-м ее конструкция уже была отработана во ВНИИ стали, но принять ее на вооружение мешала психологическая неподготовленность высокопоставленных представителей армии и промышленности. Убедить их помогло только успешное применение израильскими танкистами аналогичной брони на танках М48 и М60 в ходе арабо-израильской войны 1982 года. Поскольку технические, конструкторские и технологические решения были полностью подготовлены, основной танковый парк Советского Союза был оснащен противокумулятивной динамической защитой (ДЗ) «Контакт-1» в рекордный срок – всего за год. Установка ДЗ на танки Т-64А, Т-72А, Т-80Б, и без того уже обладавшие достаточно мощным бронированием, практически одномоментно обесценила существовавшие арсеналы противотанкового управляемого вооружения потенциальных противников.

Против лома есть приемы

Кумулятивный снаряд – не единственное средство поражения бронетехники. Гораздо более опасные противники брони – бронебойные подкалиберные снаряды (БПС). По конструкции такой снаряд прост – он представляет собой длинный лом (сердечник) из тяжелого и высокопрочного материала (обычно это карбид вольфрама или обедненный уран) с оперением для стабилизации в полете. Диаметр сердечника намного меньше калибра ствола – отсюда и название «подкалиберные». Летящий со скоростью 1,5–1,6 км/с «дротик» массой в несколько килограммов обладает такой кинетической энергией, что при попадании способен пробивать более 650 мм гомогенной стали. Причем описанные выше способы усиления противокумулятивной защиты практически не влияют на подкалиберные снаряды. Вопреки здравому смыслу, наклон броневых листов не только не вызывает рикошет подкалиберного снаряда, но даже ослабляет степень защиты от них! Современные «срабатывающиеся» сердечники не рикошетируют: при контакте с броней на переднем конце сердечника образуется грибовидный оголовок, играющий роль шарнира, и снаряд доворачивается в сторону перпендикуляра к броне, сокращая путь в ее толще.

Последнее поколение российской ДЗ – комплекс «Реликт», также разработанный специалистами НИИ стали. В усовершенствованных ЭДЗ удалось устранить многие недостатки, например недостаточную чувствительность при инициировании малоскоростными кинетическими снарядами и некоторыми типами кумулятивных боеприпасов. Повышенная эффективность при защите от кинетических и кумулятивных боеприпасов достигается за счет применения дополнительных метательных пластин и включения в их состав неметаллических элементов. В результате бронепробиваемость подкалиберными снарядами снижается на 20–60%, а благодаря возросшему времени воздействия на кумулятивную струю удалось добиться и определенной эффективности по кумулятивным средствам с тандемной боевой частью.

Немного о броне для техники

Несмотря на изменение облика войн, главный их участник – человек – остается прежним. Он все так же подвержен воздействию массы опасных факторов и нуждается в защите. На протяжении последних веков наиболее распространенным способом защиты от большинства угроз была броня. Панцири древних солдат постепенно развились в полноценный доспех, а в конечном итоге эта идея вылилась в появление бронированной техники. Тем не менее, развивались и средства поражения, напрямую влиявшие на параметры бронезащиты. Эта своеобразная гонка снаряда и брони не прекратилась до сих пор и с уверенностью можно говорить, что она сохранится и в будущем. Рассмотрим несколько основных современных тенденций в области развития защиты техники.

Металл и керамика

Наиболее простым способом обеспечения защиты экипажа и элементов конструкции боевой машины является установка металлической брони. На протяжении всей истории бронетехники повышение уровня такой защиты осуществлялось всего двумя способами: увеличение толщины бронеплит и изменение сплава. В настоящее время к ним добавилась третья методика, фактически представляющая собой «смесь» первых двух. Ученые ведущих стран работают над созданием новых сплавов, которые могли бы при тех же параметрах массы, что и у имеющихся, обеспечить более высокий уровень защиты. Кроме того, помимо применения специальных сплавов броня может быть укреплена при помощи особой технологической обработки стальных заготовок.

Несколько лет назад британские ученые из организаций DSTL и CORAS представили свою новую разработку – технологию Super Bainite. Она позволяет сэкономить на различных реактивах и химикалиях, но при этом ощутимо повысить прочность металла. Суть технологии кроется в так называемой изотермической закалке. Это значит, что сперва броневой лист прогревается до температуры около тысячи градусов по Цельсию, а затем охлаждается до 250-300°. При более низкой температуре заготовка выдерживается в течение нескольких часов и далее плавно охлаждается до температуры окружающей среды. Такой способ упрочнения брони гарантирует почти полное отсутствие в ней каких-либо микротрещин, вызванных обработкой. Кроме того, в зависимости от используемого сплава, возможно увеличение эффективности защиты на десятки процентов. Таким образом, для обеспечения одного и того же уровня защиты броня Super Bainite может иметь заметно меньшую толщину по сравнению с незакаленным металлом.

Еще один метод связан с существующими технологиями. Давно известны такие способы упрочнения металла, как цементация, азотирование, борирование и т.п. процессы химико-термической обработки. В последние годы наибольший интерес ученых вызывает именно азотирование. Насыщение поверхностного слоя металла азотом с последующим образованием нитридов значительно увеличивает твердость поверхности и, как следствие, повышает уровень защиты бронелиста. К настоящему времени различным организациям, занятым в создании новых видов гомогенной брони, удалось добиться неплохих результатов. Современная азотированная стальная броня при одинаковом уровне защиты с необработанным металлом имеет на 25-30% меньшую толщину.

Помимо металла для защиты бронемашин может быть применена специальная керамика. Плитки из карбидоборных, корундовых или карбидокремниевых материалов способны обеспечить достаточный уровень защиты и при этом весят меньше, чем соответствующая стальная деталь. В то же время, керамическое бронирование имеет один серьезный недостаток. В отличие от металла, который прогибается и продавливается боеприпасом, задерживая его, керамическая плитка после попадания растрескивается и теряет, как минимум, большую часть своих защитных свойств. Из-за этого сейчас керамическая броня используется только в сочетании с другими материалами: металлами, кевларом (бронежилеты) и т.д.

Композитные системы

Любой материал, применяемый в бронировании, имеет свои плюсы и минусы. Обеспечить наиболее эффективную защиту от различных поражающих факторов может обеспечить т.н. композитное бронирование. Одними из самых простых и распространенных в последнее время видов подобной защиты являются системы, состоящие из металлических листов и керамических плиток. Плитка принимает на себя удар поражающего элемента, а металл окончательно гасит его энергию. Подобные системы, в которых керамика является первым барьером на пути пули или снаряда, начали появляться сравнительно недавно. Куда более распространена другая архитектура композитной брони.

Еще в шестидесятых годах прошлого века была создана трехслойная метало-керамическая броня. Яркий пример такой системы – лобовая защита советского танка Т-64. Между двумя сравнительно тонкими металлическими листами в ней находился стеклопластик. Благодаря этому попавший в броню снаряд был вынужден проходить через несколько слоев защиты с различной плотностью и вязкостью. В итоге боеприпас терял энергию и даже разрушался. По аналогичной схеме построена известная английская броня Chobham. К сожалению, точный ее состав до сих пор засекречен, но, согласно различным отрывочным данным, она состоит из металлических листов, полимерных блоков и керамических плиток. Бронирование Chobham устанавливается на последние модели английских и американских танков.

В последние годы российскими специалистами из НПЦ «Сплав» была создана концепция т.н. дисперсно-керамического бронирования. Такая система состоит из трех слоев: декоративного, дробящего и задерживающего. Декоративный и задерживающий выполняются из плоских панелей, а дробящий состоит из небольших цилиндров или многоугольных призм с закругленными торцами. Попадающий в дисперсно-керамическую броню снаряд, пробивая декоративный слой, теряет часть своей энергии и сталкивается с призмами дробящего. Разрушение призм дробящего слоя также отнимает немалую часть энергии боеприпаса. Кроме того, из-за особой формы элементов слоя, разрушается и сам снаряд. Внутренний задерживающий слой принимает на себя удар осколков снаряда и призм. Дисперсно-керамическое бронирование имеет ряд характерных особенностей, которые могут оказаться полезными в будущем. Поэтому работы по этой тематике идут полным ходом.

Навесная защита

Поскольку бесконечное утолщение брони, вне зависимости от ее типа, невозможно, уже несколько десятилетий на бронетехнике применяются различные дополнительные навесные модули. В зависимости от обстановки, эти модули могут обеспечивать дополнительную защиту машины разными способами.

Самый простой из них – простая навеска на машину дополнительных бронемодулей. Наиболее известной системой такого вида является немецкая MEXAS. Ее точный состав секретен, но известно, что в модулях используется керамика, полимеры и металл. Производитель особо отмечает, что модули брони MEXAS в весовом отношении в два раза эффективнее гомогенной брони. В зависимости от требований заказчика модули системы MEXAS могут иметь любую форму. Кроме того, заказчикам предлагается три варианта бронирования с разным уровнем защиты. Таким образом, модули способны обеспечивать дополнительную защиту практически любой бронемашины. В середине двухтысячных годов на базе брони MEXAS была создана более совершенная защита AMAP, отличающаяся более высокими характеристиками защиты, а также более широким применением металлов и сплавов.

Канадский танк Леопард 1C2. На башне и корпусе хорошо различимы модули навесной брони MEXAS-H. Башня выполнена литой аналогично модификации Леопард 1А5

Благодаря своей многослойной структуре (корпус самой боевой машины можно тоже считать дополнительным слоем брони), навесные бронемодули способны обеспечивать защиту не только от пуль, но и от снарядов малокалиберной артиллерии. Также подобные композитные системы способны с определенной эффективностью противодействовать и кумулятивным боеприпасам. Стоит отметить, для защиты от кумулятивных боеприпасов уже давно применяются гораздо более простые, но не менее эффективные дополнительные модули. Это – достаточно распространенные противокумулятивные экраны и решетки. На определенном расстоянии от поверхности корпуса бронемашины располагаются металлические панели или решетки. При ударе о такое ограждение кумулятивный боеприпас либо срабатывает, либо деформируется. В обоих случаях он уже не способен полноценно выполнять свою задачу.

Как и другие навесные модули, противокумулятивные экраны и решетки ощутимо увеличивают боевой вес бронемашины и соответствующим образом влияют на ее ходовые качества. Несколько лет назад в Великобритании был создан противокумулятивный тканный материал Tarian QuickShield. Такая сетка или ткань состоит из полимерных и металлических нитей и справляется с уничтожением или повреждением противотанковых реактивных гранат. При схожих характеристиках с металлической решеткой полимерная сетка, как минимум, вдвое легче. Кроме непосредственного оснащения бронемашин, Tarian QuickShield предлагается использовать их в качестве материала для быстрого ремонта поврежденных металлических решеток. Кусок защитной ткани попросту натягивается на месте поврежденного экрана или решетки.

Для использования на легкой бронетехнике не так давно была создана динамическая защита SLERA. Поскольку для бронетранспортеров или боевых машин пехоты танковые системы динамической защиты не подходят ввиду своей мощности, SLERA получила менее сильные блоки взрывчатого вещества. Это заметно сказалось на характеристиках, но, в то же время, позволило ставить динамическую защиту на машины со сравнительно тонкой броней.

Электромагнитная защита

Ход развития боеприпасов позволяет предполагать, что уже в самые ближайшие годы новые снаряды смогут поражать цели, прикрытые любым из имеющихся сейчас типов брони. Поэтому уже сейчас идет разработка совершенно новых типов защиты для бронетехники. Пожалуй, наиболее интересным из них является т.н. электромагнитная броня. Она имеет все преимущества композитной, но при этом способна более эффективно задерживать снаряды противника.

Концепция электромагнитного бронирования подразумевает подключение двух металлических листов к конденсаторной системе. Между листами находится полимерный или керамический изолятор. Попав в такую бронепреграду, снаряд замыкает электрическую цепь и изменяет траекторию движения из-за воздействующих на него электромагнитных сил. Кроме того, при определенной мощности подаваемого на пластины тока снаряд может попросту разрушиться. Электромагнитная броня выглядит многообещающе, но до ее практического применения очень далеко. Для эффективной работы такой системы требуется слишком много электроэнергии. На данный момент ни одна бронемашина не в состоянии обеспечить полноценную работу электромагнитной брони.

На том же принципе может быть основана другая технология, целью которой, однако, будет являться анализ состояния бронезащиты. При помощи несложных электрических схем можно создать аппаратуру самодиагностики, которая сможет автоматически определять поврежденный участок брони и степень его разрушения. Благодаря такой информации экипаж боевой машины все время будет в курсе состояния своего бронирования и, при необходимости, сможет вовремя запросить соответствующую помощь.

Как видим, развитие технологий бронирования продолжается. Стоит отметить, большинство используемых сейчас идей появилось еще несколько десятилетий назад. Тем не менее, они до сих пор работоспособны и никто не спешит отказываться от них. В ближайшем будущем эта тенденция полностью сохранится. Соответствующие проектные организации продолжат создавать новые типы гомогенной, композитной и навесной защиты. При этом, возможно, с мертвой точки сдвинутся работы в области электромагнитной брони, но в этом случае все упирается в вопрос источника энергии. Так что в ближайшие годы количественное и качественное первенство останется за привычными вариантами бронирования, а их характеристики будут постепенно расти благодаря появлению новых сплавов, полимеров и керамических материалов.

Читайте также: