Наклонная броня - Sloped armour

Наклонная броня на передней советской Т-54 резервуар, здесь разрез открыт, чтобы продемонстрировать увеличение эффективной толщины.

Наклонная броня доспехи, которых нет ни в вертикальный ни горизонтальный должность. Такая «угловая» броня часто устанавливается на танки и другие боевые бронированные машины (ББМ), а также военно-морские корабли такие как линкоры и крейсеры. Наклон бронеплиты затрудняет проникновение противотанкового оружия, такого как бронебойные снаряды (пенетраторы кинетической энергии ) и ракеты, если они идут к своей цели более или менее горизонтально, как это часто бывает. Лучшая защита обеспечивается тремя основными эффектами.

Во-первых, снаряд, поражающий пластину под углом, отличным от 90 °, должен проходить через большую толщину брони, чем при попадании в ту же пластину под прямым углом. В последнем случае только толщина пластины ( нормальный к поверхности брони) должен быть пробит; увеличение наклона брони улучшает для заданной толщины пластины уровень защиты брони в точке удара за счет увеличения толщины, измеренной по горизонтали самолет, угол атаки снаряда. Защита области, а не только одной точки, обозначается средней горизонтальной толщиной, которая идентична плотность площади (в данном случае относительно горизонтали): относительная броня масса используется для защиты этой области.

Если горизонтальную толщину увеличить за счет увеличения наклона при сохранении постоянной толщины пластины, потребуется более длинный и, следовательно, более тяжелый броневой лист для защиты определенной области. Это улучшение защиты просто эквивалентно увеличению плотности поверхности и, следовательно, массы, и не может дать никакого преимущества в весе. Следовательно, в конструкции бронетранспортера два других основных эффекта наклона были мотивом для применения наклонной брони.

Одно из них - более эффективное обволакивание броней определенного объема машины. Как правило, более округлые формы имеют меньшую поверхность по сравнению с их объемом. Как и в бронированном автомобиле, поверхность должна быть покрыта тяжелой броней, более эффективная форма может привести к значительному снижению веса или более толстой броне при том же весе. Наклон брони может привести к лучшему приближению к идеальной округлой форме.

Конечный эффект - это отклонение, деформация и рикошет снаряда. Когда он ударяется о пластину под крутым углом, его путь может искривляться, в результате чего он может пройти через большую часть брони - или он может полностью отскочить. Также его можно гнуть, уменьшая проникновение. Формованный заряд боеголовки могут не пробить и даже взорваться при поражении брони на сильно наклонный угол. Однако эти эффекты сильно зависят от точных используемых материалов брони и характеристик поражающего снаряда: наклон может даже привести к лучшему проникновению.

Наиболее острые углы обычно видны на фронтальной Glacis пластина, поскольку это сторона корпуса, наиболее вероятная для удара, и потому, что есть больше места для наклона в продольном направлении транспортного средства.

Принцип наклонной брони

Иллюстрация того, почему наклонная броня не дает преимущества в весе при защите определенной области. Сравнение вертикальной плиты брони слева и секции брони, наклоненной под углом 45 градусов справа. Горизонтальное расстояние через броню (черные стрелки) такое же, но нормальная толщина наклонной брони (зеленая стрелка) меньше. Видно, что фактическая площадь поперечного сечения брони и, следовательно, ее масса во всех случаях одинаковы; для данной массы нормаль должна уменьшиться, если наклон увеличивается.

Металлические вставки треугольного профиля необходимы для получения равномерной плотности площади наклонной брони (B). Нормальную толщину пластины в (B) необходимо уменьшить, чтобы компенсировать вес этих вставок.

Причина повышенной защиты определенной точки при заданной нормальной толщине повышенная прямая видимость (LOS) толщина брони, которая представляет собой толщину в горизонтальной плоскости по линии, описывающей общее направление движения встречного снаряда. При заданной толщине бронеплиты снаряд должен пройти через броню большей толщины, чтобы проникнуть в автомобиль, когда он наклонен.

Стрижка объемный инвариант

Однако тот факт, что толщина LOS увеличивается за счет наклона пластины, не является мотивом для применения наклонной брони в конструкции бронетранспортера. Причина в том, что такое увеличение веса не дает. Чтобы поддерживать заданную массу транспортного средства, плотность площади должна оставаться равной, а это означает, что толщина LOS также должна оставаться постоянной при увеличении уклона, что снова означает, что нормальная толщина уменьшается. Другими словами: чтобы избежать увеличения веса транспортного средства, плиты должны становиться пропорционально тоньше, а их наклон увеличивается, процесс эквивалентен стрижка масса.

Наклонная броня обеспечивает повышенную защиту боевые бронированные машины через два основных механизма. 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 отношение поверхности к объему и, таким образом, позволить либо меньшую относительную массу для данного объем или больше защиты для данного веса. Если бы атака была одинаково вероятна со всех сторон, идеальной формой было бы сфера; поскольку горизонтальная атака вполне ожидаема, идеал становится сплюснутый сфероид. Наклон плоских пластин или изогнутая литая броня позволяет дизайнерам приблизиться к этим идеалам. По практическим соображениям этот механизм чаще всего применяется в передней части машины, где есть достаточно места для наклона и большая часть брони сосредоточена, исходя из предположения, что наиболее вероятна однонаправленная лобовая атака. Простой клин, такой, какой виден 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 будут отражены, рикошет или разбиться при ударе. Современные технологии оружия и брони значительно уменьшили это второе преимущество, которое изначально было основным мотивом наклонной брони, которая была включена в конструкцию транспортных средств во время Второй мировой войны.

Правило косинуса

Даже несмотря на то, что повышенная защита до точки, обеспечиваемая наклоном определенной броневой пластины с заданной нормальной толщиной, приводит к увеличению прямой видимости (LOS) толщина не имеет значения при проектировании бронированной машины, она имеет большое значение при определении уровня защиты проектируемого автомобиля. Толщина LOS для транспортного средства в горизонтальном положении может быть рассчитана по простой формуле с применением правила косинуса: она равна нормальной толщине брони, деленной на косинус доспехов склонность от перпендикулярность перемещению снаряда (предполагается, что он находится в горизонтальной плоскости) или:

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

где

${ displaystyle T_ {L}}$ : Толщина линии прямой видимости
${ displaystyle T_ {N}}$ : Нормальная толщина
${ displaystyle theta}$ : Угол наклона бронеплиты от вертикали

Например, броня, наклоненная на шестьдесят градусов назад от вертикали, представляет для снаряда, летящего по горизонтали, толщину прямой видимости, вдвое превышающую нормальную толщину брони, так как косинус 60 ° равен ½. Когда толщина брони или катаная гомогенная броня Значения эквивалентности (RHAe) для ББМ указаны без наклона брони, приведенный рисунок обычно учитывает этот эффект наклона, в то время как, когда значение имеет формат «x единиц при y градусах», влияние уклон не учитываются.

Прогиб

Наклонная броня может повысить защиту с помощью такого механизма, как разрушение хрупкого пенетратор кинетической энергии или отклонение этого пенетратора от нормали к поверхности, даже если плотность площади остается постоянной. Эти эффекты наиболее сильны, когда снаряд имеет небольшой абсолютный вес и мал относительно своей ширины. Этими качествами обладали бронебойные снаряды времен Второй мировой войны и, конечно же, первых лет, и поэтому наклонная броня была весьма эффективной в тот период. Однако в шестидесятые годы длинностержневые пенетраторы были введены снаряды, которые имеют очень удлиненную форму и очень плотную массу. Ударяясь по наклонным толстым однородным пластинам, такой пенетратор с длинным стержнем после первоначального проникновения в толщину LOS брони изгибается в сторону нормальной толщины брони и выбирает путь, длина которого находится между LOS брони и нормальной толщиной. Также деформированный пенетратор имеет тенденцию действовать как снаряд очень большого диаметра, и это растягивает оставшуюся броню, что приводит к более легкому разрушению ее. Если эти последние эффекты проявляются сильно - для современных пенетраторов это обычно имеет место при наклоне от 55 ° до 65 ° - лучшую защиту может обеспечить вертикально установленная броня той же плотности площади. Еще одним достижением, уменьшающим важность принципа наклонной брони, было введение керамической брони в семидесятые годы. При любой заданной плотности площади керамическая броня также лучше всего подходит для более вертикального монтажа, поскольку для поддержания той же плотности площади требуется, чтобы броня была утончена, поскольку она наклонена, а керамика ломается раньше из-за ее меньшей нормальной толщины.^[1]

Наклонная броня также может вызвать попадание снарядов. рикошет, но это явление намного сложнее и пока еще не полностью предсказуемо. Высокая плотность стержня, скорость удара и отношение длины к диаметру являются факторами, которые способствуют высокому критическому углу рикошета (угол, 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, вызванная ударом снаряда, увеличивает эффективный угол падения (эффект меньшего наклона)

Иллюстрация некоторых возможных эффектов, которые могут возникнуть при попадании снаряда в наклонную броню.

Очень простая физическая модель эффекта наклона. Кинетическая энергия, поглощаемая броней, пропорциональна квадрату синуса угла (максимум для 90 °). Не учитываются трение и деформация мишени.

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

Если снаряд летит очень быстро и, следовательно, находится в состоянии гиперскорость, прочность материала брони становится незначительной - при ударе и снаряд, и броня расплавятся и будут вести себя как жидкости - и важна только его площадь. В этом предельном случае снаряд после попадания продолжает пробивать, пока не перестанет передавать свою импульс к целевому вопросу. В этом идеальном случае важны только импульс, площадь поперечного сечения, плотность и LOS-толщина. Ситуация с проникающей металлической струей, вызванной взрывом кумулятивный заряд из ВЫСОКАЯ ТЕМПЕРАТУРА боеприпасы, является хорошим приближением к этому идеалу. Следовательно, если угол не слишком велик, а снаряд очень плотный и быстрый, наклон мало влияет и никакого 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 кумулятивный реактивный снаряд. Удар не приведет к полному расплавлению снаряда и брони. В этом случае решающим фактором становится прочность материала брони. Если бы снаряд был очень легким и медленным, сила брони могла бы даже привести к тому, что попадание приведет к просто упругая деформация, снаряд уничтожается без повреждения цели. Наклон означает, что снаряд должен будет достичь более высокой скорости, чтобы поразить броню, поскольку при ударе о наклонную броню не вся кинетическая энергия передается цели, соотношение зависит от угла наклона. Снаряд в процессе упругое столкновение отклоняется на угол 2 ${ displaystyle alpha}$ (где ${ displaystyle alpha}$ обозначает угол между поверхностью бронеплиты и начальным направлением снаряда), однако изменение направления можно виртуально разделить на замедление часть, когда снаряд останавливается при движении в направлении, перпендикулярном пластине (и будет двигаться вдоль пластины после отклонения под углом примерно ${ displaystyle alpha}$ ), и процесс упругого ускорения, когда снаряд ускоряется из пластины (скорость вдоль пластины считается неизменной из-за незначительного трения). Таким образом, максимальная энергия, накопленная пластиной, может быть рассчитана на основе фазы замедления столкновения.

В предположении, что имеет место только упругая деформация и что мишень твердая, без учета трение, легко вычислить долю энергии, поглощаемой целью при попадании в нее снаряда, который, если не принимать во внимание более сложные эффекты отклонения, после удара отскакивает (упругий корпус) или скользит (идеализированный неупругий случай) брони тарелка.

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

${ displaystyle E_ {d} / E_ {k} = {грех ^ {2} ( alpha)}}$

где

${ displaystyle E_ {d}}$ : Энергия передается цели
${ displaystyle E_ {k}}$ : Падающая кинетическая энергия снаряда
${ displaystyle alpha}$ : Угол наклона бронеплиты относительно начального направления снаряда

Однако на практике бронебойные снаряды были достаточно мощными, чтобы задействованные силы достигли Пластическая деформация предел упругости и упругости пластины могли аккумулировать лишь небольшую часть энергии. В этом случае бронеплита будет деформироваться, и большая часть энергии и силы будет потрачена на деформацию. Таким образом, это означает, что можно предположить примерно половину отклонения (всего лишь ${ displaystyle alpha}$ а не 2 ${ displaystyle alpha}$ ), и снаряд будет врезаться в пластину перед тем, как скользить, а не отскочить. Пластичное поверхностное трение также очень мало по сравнению с энергией пластической деформации, и им можно пренебречь. Это означает, что приведенная выше формула в принципе верна также и для случая пластической деформации, но из-за того, что калибр врезан в пластину, больший угол наклона поверхности ${ displaystyle alpha}$ следует принимать во внимание.

Это не только означало бы, что энергия, передаваемая цели, будет использоваться для ее повреждения; это также означало бы, что эта энергия будет выше, потому что эффективный угол ${ displaystyle alpha}$ в формуле теперь больше угла наклона брони. Стоимость соответствующего реального ${ displaystyle alpha}$ 'которые следует заменить, не может быть выведено из этого простого принципа и может быть определено только с помощью более сложной модели или моделирования.

С другой стороны, та же самая деформация также вызовет, в сочетании с наклоном броневой пластины, эффект, уменьшающий пробивание брони. Хотя отклонение меньше в условиях пластической деформации, оно, тем не менее, изменит курс продольного снаряда, что опять же приведет к увеличению угла между новой поверхностью брони и начальным направлением снаряда. Таким образом, снаряд должен пробить больше брони, и, хотя в абсолютном выражении, таким образом, цель может поглотить больше энергии, его легче уничтожить, и в идеале этот процесс заканчивается полным рикошетом.

Историческое приложение

Немецкие образцы конца Второй мировой войны с хорошо наклонной броней: Ягдпантера истребитель танков и немецкий Тигр II тяжелый танк на заднем плане.

Советский ИС-3 использовал остроконечный нос вместо простого гласиса

Один из самых ранних задокументированных примеров концепции наклонной брони находится на чертеже Боевая машина Леонардо да Винчи. Наклонные доспехи действительно использовались в начале девятнадцатого века конфедератов. броненосцы, такие как CSS Вирджиния и частично реализован 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 использовали для большего эффекта на знаменитом советском Т-34 боевой танк советского танкового конструктора Харьковский Локомотивный Завод во главе с Михаил Кошкин. Это был технологический ответ на более эффективные противотанковый орудия принимаются на вооружение в это время.

Т-34 оказал огромное влияние на конструкцию немецких танков времен Второй мировой войны. Предвоенные или ранние военные конструкции, такие как Panzer IV и Tiger явно отличаются от автомобилей после 1941 года, таких как, например, Пантера, то Тигр II, то Jagdpanzer и Hetzer все они имели наклонную броню. Это особенно очевидно потому, что броня немецких танков, как правило, не была литой, а состояла из сварных пластин.

У Merkava Mark III очень наклонная броня башни.

Наклонная броня стала очень модной после Вторая Мировая Война, наиболее чистым выражением которого может быть британский Вождь.^{[нужна цитата ]} Однако в последних основных боевых танках используются перфорированные и композитная броня, который пытается деформировать и истирать пенетратор, а не отклонять его, так как отклонить пенетратор с длинным стержнем сложно. Эти танки имеют более блочный вид. Примеры включают Леопард 2 и M1 Abrams. Исключение составляют израильские Меркава.

использованная литература

^ Язив, Д .; Chocron, S .; Anderson, Jr., C.E .; Грош, Д.Дж. «Косое проникновение в керамические мишени». Материалы 19-го Международного симпозиума по баллистике IBS 2001, Интерлакен, Швейцария. С. 1257–1264.
^ Тейт, А (1979). «Простая оценка минимального угла наклона цели, необходимого для рикошета высокоскоростного снаряда с длинным стержнем». J. Phys. D: Прил. Phys. 12 (11): 1825–1829. Bibcode:1979JPhD ... 12.1825T. Дои:10.1088/0022-3727/12/11/011.

[1] Язив, Д .; Chocron, S .; Anderson, Jr., C.E .; Грош, Д.Дж. «Косое проникновение в керамические мишени». Материалы 19-го Международного симпозиума по баллистике IBS 2001, Интерлакен, Швейцария. С. 1257–1264.

[2] Тейт, А (1979). «Простая оценка минимального угла наклона цели, необходимого для рикошета высокоскоростного снаряда с длинным стержнем». J. Phys. D: Прил. Phys. 12 (11): 1825–1829. Bibcode:1979JPhD ... 12.1825T. Дои:10.1088/0022-3727/12/11/011.

[1]

[2]