Skloněné brnění - Sloped armour

Skloněné brnění na přední straně Sovětského svazu T-54 nádrž, zde rozříznout, aby prokázal nárůst efektivní tloušťky.

Skloněné brnění je brnění, které není ani v vertikální ani a horizontální pozice. Na takové „šikmé“ brnění se často montuje tanky a další obrněná bojová vozidla (AFV), stejně jako námořní plavidla jako bitevní lodě a křižníky. Naklonění pancéřové desky ztěžuje průnik protitankových zbraní, jako jsou průbojné granáty (penetrátory kinetické energie ) a rakety, pokud se k cíli dostanou víceméně vodorovnou cestou, jak tomu často bývá. Lepší ochrana je způsobena třemi hlavními efekty.

Za prvé, projektil dopadající na desku pod úhlem jiným než 90 ° se musí pohybovat přes větší tloušťku pancíře, ve srovnání s dopadem na stejnou desku v pravém úhlu. V druhém případě pouze tloušťka desky ( normální na povrch pancíře) musí být propíchnuto; zvýšení sklonu pancíře zlepšuje pro danou tloušťku plechu úroveň ochrany pancíře v místě nárazu zvýšením tloušťky měřené ve vodorovné poloze letadlo, úhel útoku střely. Ochrana oblasti je namísto jediného bodu indikována průměrnou vodorovnou tloušťkou, která je identická s hustota plochy (v tomto případě vzhledem k horizontále): relativní pancíř Hmotnost slouží k ochraně této oblasti.

Pokud se vodorovná tloušťka zvětší zvýšením sklonu při zachování konstantní tloušťky plechu, je třeba k ochraně určité oblasti delší a tím těžší pancéřovou desku. Toto zlepšení ochrany je jednoduše ekvivalentní zvýšení hustoty plochy a tím i hmotnosti a nemůže nabídnout žádný přínos pro váhu. Proto v konstrukci obrněného vozidla byly motivem pro použití šikmého brnění dva další hlavní účinky sklonu.

Jedním z nich je efektivnější obložení určitého objemu vozidla pancéřováním. Obecně platí, že zaoblenější formy mají menší povrch vzhledem k jejich objemu. Stejně jako v obrněném vozidle musí být tento povrch zakryt těžkým pancířem, efektivnější forma může vést k podstatnému snížení hmotnosti nebo silnějšímu brnění pro stejnou hmotnost. Sklopení pancíře může vést k lepšímu přiblížení ideální zaoblené formy.

Výsledným efektem je průhyb, deformace a odraz střely. Když narazí na desku pod strmým úhlem, její dráha může být zakřivená, což způsobí, že se bude pohybovat více brnění - nebo se může úplně odrazit. Lze jej také ohýbat, čímž se snižuje jeho penetrace. Tvarovaný náboj Při silném úderu do zbroje nemusí hlavice proniknout a dokonce odpálit šikmý úhel. Tyto efekty jsou však silně závislé na použitých přesných materiálech pancíře a vlastnostech střely, která do něj zasahuje: sklon by mohl dokonce vést k lepšímu průniku.

Nejostřejší úhly jsou obvykle vidět na čelní straně ledovec plechu, protože jde o stranu trupu, která bude s největší pravděpodobností zasažena, a protože v podélném směru vozidla je více místa ke svahu.

Princip šikmého brnění

Ilustrace toho, proč šikmé brnění nenabízí žádný přínos pro váhu při ochraně určité oblasti. Srovnání svislé desky pancíře vlevo a části pancíře skloněného pod úhlem 45 stupňů vpravo. Vodorovná vzdálenost přes brnění (černé šipky) je stejná, ale normální tloušťka šikmého brnění (zelená šipka) je menší. Je vidět, že skutečná průřezová plocha pancíře, a tedy jeho hmotnost, je v každém případě stejná; pro danou hmotnost by se normála musela zmenšit, pokud se zvýší sklon.

Kovové vložky s trojúhelníkovým profilem jsou potřebné k získání rovnoměrné hustoty plochy ze šikmého pancíře (B). Normální tloušťka desky v (B) musí být zmenšena, aby se vyrovnala hmotnost těchto vložek.

Příčina zvýšené ochrany určitého bodu při dané normální tloušťce je zvýšená přímá viditelnost (LOS) tloušťka pancíře, což je tloušťka podél vodorovné roviny, podél linie popisující obecný směr pohybu protijedoucího střely. Pro danou tloušťku pancéřové desky musí projektil projít větší tloušťkou pancéřování, aby pronikl do vozidla, když je skloněno.

Stříhání je objemově neměnný

Pouhá skutečnost, že se tloušťka LOS zvyšuje nakloněním desky, však není motivem pro použití šikmého pancíře v konstrukci obrněného vozidla. Důvodem je to, že toto zvýšení nenabízí žádný přínos pro váhu. K udržení dané hmotnosti vozidla by hustota plochy musela zůstat stejná, což znamená, že tloušťka LOS by také musela zůstat konstantní, zatímco sklon stoupá, což opět znamená, že normální tloušťka klesá. Jinými slovy: aby se zabránilo zvýšení hmotnosti vozidla, musí být desky proporcionálně tenčí, zatímco se zvyšuje jejich sklon, což je proces ekvivalentní stříhání hmotnost.

Šikmé brnění poskytuje zvýšenou ochranu obrněná bojová vozidla prostřednictvím dvou primárních mechanismů. Nejdůležitější je založeno na skutečnosti, že k dosažení určité úrovně ochrany musí být určitý objem uzavřen určitou hmotou pancíře a že sklon může snížit poměr povrchu k objemu a tím umožnit buď menší relativní hmotnost pro daný objem nebo větší ochrana pro danou hmotnost. Pokud by útok byl stejně pravděpodobný ze všech směrů, ideální forma by byla koule; protože ve skutečnosti lze očekávat horizontální útok, z ideálu se stane zploštělý sféroid. Úhlové ploché desky nebo zakřivené lité brnění umožňují návrhářům přiblížit se těmto ideálům. Z praktických důvodů se tento mechanismus nejčastěji používá na přední část vozidla, kde je dostatečný prostor pro sklon a velká část pancíře je soustředěna, za předpokladu, že je nejpravděpodobnější čelní útok jednosměrný. Jednoduchý klín, jaký lze vidět na konstrukci trupu M1 Abrams, je již dobrá aproximace, která se často používá.

Druhým mechanismem je, že střely dopadající na šikmou zbroj budou pravděpodobněji odkloněny, ricochet nebo se při nárazu roztříští. Moderní technologie zbraní a brnění významně snížila tuto druhou výhodu, která byla původně hlavním motivem svažitého pancíře, který byl začleněn do konstrukce vozidla ve druhé světové válce.

Kosinové pravidlo

Přestože zvýšená ochrana do určité míry, poskytovaná nakloněním určité pancéřové desky s danou normální tloušťkou způsobující zvýšenou přímou viditelnost (LOS) tloušťka není v konstrukci pancéřového vozidla zohledněna, má velký význam při stanovení úrovně ochrany navrženého vozidla. Tloušťku LOS pro vozidlo v horizontální poloze lze vypočítat pomocí jednoduchého vzorce pomocí kosinusového pravidla: rovná se normální tloušťce pancíře děleno kosinus zbroje sklon z kolmost k pohybu střely (předpokládá se, že je ve vodorovné rovině) nebo:

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

kde

${ displaystyle T_ {L}}$ : Tloušťka přímky
${ displaystyle T_ {N}}$ : Normální tloušťka
${ displaystyle theta}$ : Úhel skloněné pancéřové desky ze svislice

Například pancíř se sklonil o šedesát stupňů zpět od svislé osy k projektilu pohybujícímu se vodorovně o tloušťku přímé viditelnosti dvakrát větší než je normální tloušťka pancíře, protože kosinus 60 ° je ½. Když tloušťka pancíře nebo válcované homogenní brnění hodnoty ekvivalence (RHAe) pro AFV jsou poskytovány bez sklonu pancíře, uvedený obrázek obecně bere v úvahu tento účinek sklonu, zatímco když je hodnota ve formátu „x jednotek ve stupních y“, účinky sklon se nezohledňuje.

Výchylka

Šikmý pancíř může zvýšit ochranu mechanismem, jako je rozbití křehkého penetrátor kinetické energie nebo vychýlení tohoto penetrátoru od normálu povrchu, i když hustota plochy zůstává konstantní. Tyto účinky jsou nejsilnější, když má projektil nízkou absolutní hmotnost a je krátký vzhledem k jeho šířce. Pancíře průbojné z druhé světové války, určitě ty z prvních let, měly tyto vlastnosti a šikmé brnění bylo v tomto období tedy poměrně efektivní. V šedesátých letech však penetrátory s dlouhými tyčemi byly představeny projektily, které jsou velmi protáhlé a velmi husté. Zasažení šikmých tlustých homogenních desek, jako je penetrátor s dlouhou tyčí, se po počátečním proniknutí do tloušťky LOS pancíře ohne směrem k normální tloušťce pancíře a vydá se cestou s délkou mezi LOS pancíře a normální tloušťkou. Také zdeformovaný penetrátor má tendenci působit jako projektil velmi velkého průměru, což roztáhne zbývající pancíř a způsobí jeho snazší selhání. Pokud se tyto druhé účinky vyskytnou silně - u moderních penetrátorů je to obvykle případ se sklonem mezi 55 ° a 65 ° - lepší ochrana by byla zajištěna vertikálně namontovaným pancířem stejné hustoty plochy. Dalším vývojem snižujícím význam principu šikmého brnění bylo zavedení keramického brnění v sedmdesátých letech. Při jakékoli dané plošné hustotě je keramický pancíř také nejlepší, když je namontován více svisle, protože zachování stejné plošné hustoty vyžaduje ztenčení pancíře, protože je skloněný, a keramika se zlomí dříve kvůli své snížené normální tloušťce.^[1]

Nakloněné brnění může také způsobit projektily ricochet, ale tento jev je mnohem komplikovanější a dosud ne zcela předvídatelný. Vysoká hustota tyče, rychlost nárazu a poměr délky k průměru jsou faktory, které přispívají k vysokému kritickému úhlu ricochet (úhel, při kterém se očekává, že ricochet začne) pro projektil s dlouhou tyčí,^[2] ale různé vzorce mohou předpovědět různé kritické úhly odrazu pro stejnou situaci.

Základní fyzikální principy vychýlení

Jak drážka způsobená nárazem střely zvětšuje efektivní úhel dopadu (účinek menšího sklonu)

Ilustrace některých možných efektů, které mohou nastat, když střela zasáhne šikmé brnění

Velmi jednoduchý fyzický model svahového efektu. Kinetická energie absorbovaná pancířem je úměrná druhé mocnině sinusového úhlu (maximální pro 90 °). Tření a deformace cíle jsou zanedbávány

Chování projektilu skutečného světa a pancéřové desky, kterou zasáhne, závisí na mnoha účincích a mechanismech, včetně jejich materiální struktury a mechanika kontinua které je velmi obtížné předvídat. Použití pouze několika základních principů proto nebude mít za následek model, který je dobrým popisem celé škály možných výsledků. Avšak v mnoha podmínkách má většina z těchto faktorů jen zanedbatelný účinek, zatímco několik z nich dominuje rovnici. Proto lze vytvořit velmi zjednodušený model poskytující obecnou představu a pochopení základních fyzikálních principů, které stojí za těmito aspekty konstrukce šikmého brnění.

Pokud se projektil pohybuje velmi rychle, a je tedy ve stavu nadměrná rychlost, síla materiálu pancíře se stává zanedbatelnou - při nárazu se projektil i pancíř roztaví a budou se chovat jako tekutiny - a pouze jeho plošná hustota je důležitým faktorem. V tomto omezujícím případě projektil po zásahu pokračuje v pronikání, dokud nepřestane přenášet svůj hybnost k cílové záležitosti. V tomto ideálním případě je relevantní pouze hybnost, průřez plochy, hustota a tloušťka LOS. Situace pronikajícího kovového paprsku způsobeného výbuchem tvarovaný náboj z TEPLO munice, tvoří dobrou aproximaci tohoto ideálu. Pokud tedy úhel není příliš extrémní a projektil je velmi hustý a rychlý, má sklon malý účinek a nedojde k žádnému příslušnému vychýlení.

Na druhou stranu, čím lehčí a pomalejší je projektil, tím důležitější je sklon. Typické pancéřové střely druhé světové války měly tvar kulky a měly mnohem nižší rychlost než tvarované nábojové tryskové letadlo. Náraz by neměl za následek úplné roztavení střely a brnění. V tomto stavu se síla materiálu pancíře stává relevantním faktorem. Pokud by projektil byl velmi lehký a pomalý, síla brnění by mohla dokonce způsobit, že zásah vyústil jen v elastická deformace projektil byl poražen bez poškození cíle. Sklon bude znamenat, že střela bude muset dosáhnout vyšší rychlosti, aby porazila pancíř, protože při nárazu na šikmý pancíř není veškerá kinetická energie přenesena do cíle, poměr závisí na úhlu sklonu. Projektil v procesu elastická kolize se vychýlí pod úhlem 2 ${ displaystyle alpha}$ (kde ${ displaystyle alpha}$ označuje úhel mezi povrchem pancéřové desky a počátečním směrem střely), avšak změnu směru lze prakticky rozdělit na zpomalení část, když je projektil zastaven při pohybu ve směru kolmém k desce (a bude se pohybovat podél desky poté, co byl vychýlen v úhlu asi ${ displaystyle alpha}$ ), a proces pružného zrychlení, kdy projektil zrychluje z desky (rychlost podél desky je považována za invariantní kvůli zanedbatelnému tření). Maximální energii akumulovanou deskou lze tedy vypočítat z fáze zpomalení kolizní události.

Za předpokladu, že dojde pouze k pružné deformaci a že cíl je pevný, bez ohledu na to tření, je snadné vypočítat podíl energie absorbované cílem, pokud je zasažen projektilem, který, pokud nezohledníme ani složitější efekty vychýlení, se po nárazu odrazí (elastické pouzdro) nebo sklouzne podél (idealizované nepružné pouzdro) brnění talíř.

V tomto velmi jednoduchém modelu závisí část energie promítané do cíle na úhel sklonu:

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

kde

${ displaystyle E_ {d}}$ : Energie přenesená do cíle
${ displaystyle E_ {k}}$ : Incident kinetická energie střely
${ displaystyle alpha}$ : Úhel skloněné pancéřové desky z počátečního směru střely

V praxi však byly granáty AP dostatečně silné, aby se zúčastněné síly dostaly k plastická deformace mez a pružnost desky mohla akumulovat jen malou část energie. V takovém případě by se pancéřová deska poddala a velká část energie a síly by byla vynaložena na deformaci. To znamená, že lze předpokládat přibližně poloviční výchylku (jen ${ displaystyle alpha}$ spíše než 2 ${ displaystyle alpha}$ ) a projektil se drážkuje do desky, než se sklouzne, místo aby se odrazil. Povrchové tření plasticity je také velmi nízké ve srovnání s energií plastické deformace a lze jej zanedbávat. To znamená, že výše uvedený vzorec je v zásadě platný také pro případ plastické deformace, ale kvůli měřidlu drážkovanému do desky má větší povrchový úhel ${ displaystyle alpha}$ je třeba vzít v úvahu.

Nejen, že by to znamenalo, že energie přenesená do cíle by tak byla použita k jeho poškození; znamenalo by to také, že tato energie by byla vyšší, protože efektivní úhel ${ displaystyle alpha}$ ve vzorci je nyní vyšší než úhel sklonu pancíře. Hodnota příslušného reálného ${ displaystyle alpha}$ „který by měl být nahrazen, nelze z tohoto jednoduchého principu odvodit a lze jej určit pouze sofistikovanějším modelem nebo simulací.

Na druhou stranu tato stejná deformace také způsobí v kombinaci se sklonem pancéřové desky účinek, který sníží průnik pancíře. I když je průhyb za podmínek plastické deformace menší, změní to průběh drážkovací střely, což opět povede ke zvětšení úhlu mezi novým povrchem pancíře a počátečním směrem střely. Projektil tedy musí pracovat sám přes více pancířů, a ačkoli v absolutních hodnotách může cíl absorbovat více energie, je snáze poražen, přičemž proces v ideálním případě končí úplným ricochetem.

Historická aplikace

Německé designy z druhé světové války s dobře skloněným pancířem: Jagdpanther stíhač tanků a německý Tygr II těžký tank v pozadí.

Sovět extrémně pozdní války IS-3 místo jednoduchého ledovce použil špičatý příď

Jeden z prvních zdokumentovaných případů konceptu skloněného brnění je na výkresu Bojové vozidlo Leonarda da Vinciho. Nakloněné brnění bylo ve skutečnosti používáno na počátku 19. století Konfederací železné pláště, jako CSS Virginie, a částečně implementován na prvním francouzském tanku, Schneider CA1 v první světové válce, ale první tanky, které byly kompletně vybaveny šikmým pancířem, byli Francouzi SOMUA S35 a další současné francouzské tanky jako Renault R35, který měl úplně obsazení trupů a věží. To bylo také používáno k většímu účinku na slavného sovětu T-34 bitevní tank sovětského konstrukčního týmu tanku Charkovská lokomotiva, vedené Michail Koshkin. Byla to technologická reakce na účinnější protitanková zbraně, které byly v tuto chvíli uvedeny do provozu.

T-34 měl hluboký dopad na německou konstrukci tanků druhé světové války. Předvolební nebo rané válečné vzory jako Panzer IV a Tiger se jasně liší od vozidel po roce 1941, jako je například Panter, Tygr II, Jagdpanzer a Hetzer, který měl všechny nakloněné brnění. To je obzvláště evidentní, protože německé pancéřování tanků nebylo obvykle odléváno, ale sestávalo ze svařovaných desek.

Merkava Mark III je vybaven extrémně skloneným pancířem na věži

Nakloněné brnění se stalo velmi módní druhá světová válka, jeho nejčistším výrazem jsou snad Britové Náčelník.^{[Citace je zapotřebí ]} Nejnovější hlavní bojové tanky však používají perforované a kompozitní brnění, který se pokouší deformovat a obrousit penetrátor, spíše než jej vychýlit, protože odklonit dlouhý penetrátor je obtížné. Tyto tanky mají hranatější vzhled. Mezi příklady patří Leopard 2 a M1 Abrams. Výjimkou jsou izraelci Merkava.

Reference

^ Yaziv, D .; Chocron, S .; Anderson, Jr., C.E .; Grosch, D.J. "Šikmý průnik v keramických terčech". Sborník 19. mezinárodního sympozia o balistice IBS 2001, Interlaken, Švýcarsko. 1257–1264.
^ Tate, A (1979). "Jednoduchý odhad minimální cílové šikmosti požadované pro ricochet vysokorychlostního projektilu dlouhé tyče". J. Phys. D: Appl. Phys. 12 (11): 1825–1829. Bibcode:1979JPhD ... 12.1825T. doi:10.1088/0022-3727/12/11/011.

[1] Yaziv, D .; Chocron, S .; Anderson, Jr., C.E .; Grosch, D.J. "Šikmý průnik v keramických terčech". Sborník 19. mezinárodního sympozia o balistice IBS 2001, Interlaken, Švýcarsko. 1257–1264.

[2] Tate, A (1979). "Jednoduchý odhad minimální cílové šikmosti požadované pro ricochet vysokorychlostního projektilu dlouhé tyče". J. Phys. D: Appl. Phys. 12 (11): 1825–1829. Bibcode:1979JPhD ... 12.1825T. doi:10.1088/0022-3727/12/11/011.

[1]

[2]