Керамика в танковой броне: защита от кумулятивных снарядов
Как известно, вплоть до конца 1950-х годов проблема повышения защищённости танков решалась довольно тривиальным способом – увеличением толщины стального массива брони. Однако вторая половина XX века ознаменовалась взрывным ростом мощи противотанковых средств: в обиход вошли новые подкалиберные снаряды с отделяемым поддоном, а развитие кумулятивных боеприпасов вообще шло семимильными шагами. Это заставило учёных искать иные пути увеличения стойкости боевых машин к поражающим факторам.
Наработки по данной теме в конечном счёте привели к идее комбинированного бронирования, которое сочетает в себе различные металлические и неметаллические элементы для приемлемого уровня защиты при сохранении массы танка в разумных пределах. Одним из таких элементов стала керамика, которую впервые в мире серийно применили в СССР на танках Т-64. Позднее её свойствами заинтересовались и в других странах, в том числе в Германии, США и Франции. Есть информация, что керамические вставки так или иначе использовались в конструкциях танков «Абрамс», «Леопард-2» и пр.
Конструкционное оформление броневой керамики
Работы по изучению керамических материалов в качестве бронирования начались ещё в 1950-е годы. Заинтересованность конструкторов боевой техники в этом виде брони была вполне понятной. Будучи в два с лишним раза твёрже стали, керамика обладает гораздо меньшей плотностью, что и делает возможным её применение в качестве лёгкого противоснарядного элемента защиты машины.
Физико-механические характеристики керамических материалов. Источник: книга «Частные вопросы конечной баллистики». Издательство МГТУ им. Баумана
На сегодняшний день выбор основы для броневой керамики довольно широк и в целом ограничивается финансами и возможностями промышленности, но в конкретном случае стоит остановиться на двух вариантах: оксиде алюминия и карбиде кремния. Первый широко применялся в СССР для производства тех самых корундовых шаров, а второй получил известность на Западе во многом благодаря британской броне «Чобхэм».
Упустив некоторые различия в химических, физических и механических свойствах, конечный производственный цикл превращения этих материалов в защитный компонент сходен: порошок из оксида/карбида вместе с присадками различными способами спекается при высокой температуре до состояния монолита. На выходе, в зависимости от «формочки для запекания», получаются шары или блоки различной формы и толщины.
После термической обработки керамика, хоть и получившая статус броневой, таковой на самом деле ещё не является. Несмотря на повышенные показатели прочности, она остаётся по сути затвердевшим песком, который плохо переносит ударные перегрузки при обстреле и подвержен хрупким разрушениям. Чтобы ослабить влияние данных факторов, её армируют путём помещения в ячейки специальной подложки из вязкоразрушающегося материала. В танковой броне она обычно выполняется из стали средней или высокой твёрдости, хотя в «скулах» башен Т-64 корундовые шары просто заливались расплавленной сталью.
Корундовые шары в скулах башни поздних серий Т-64А, а также Т-64Б и его модификаций. Источник: warspot.ru
Принцип взаимодействия керамического блока и подложки довольно прост и распространяется не только на танковую броню, но и на модули для лёгкой техники и даже бронежилеты. В момент контакта с высокотвёрдой поверхностью керамики, атакующее тело (условный снаряд) получает сильные начальные повреждения, при этом и в ней начинает распространяться ударная волна, которая приводит к её разлому на фрагменты различного размера: от порошка до крупных кусков. Если блок не имеет демпфера в виде подложки, то на этом всё и заканчивается: снаряд разбивает его вдребезги и продолжает движение.
В случае наличия подложки ситуация складывается иным образом: раскрошенной керамике некуда деваться из небольшого объёма ячейки, поэтому она продолжает оказывать на снаряд высокое давление, нанося ему повреждения. Для наилучшего результата подложки с керамикой располагают в несколько рядов друг за другом – в этом случае можно достичь значительного увеличения защиты.
Вариант установки керамики в броне танка. Блоки расположены в квадратных ячейках. Роль подложки выполняет тыльная плита. Источник: книга «Защита танков». Издательство МГТУ имени Баумана
К сожалению, против бронебойных оперённых подкалиберных снарядов с сердечниками большого удлинения из тяжёлых сплавов на основе урана или вольфрама керамика работает не слишком эффективно. А вот её действие по кумулятивной струе действительно уникально.
Керамическая броня против кумулятивных снарядов
Из-за отсутствия высокоскоростной рентгеновской съёмки и электродинамических способов исследования, длительное время считалось, что броневая керамика противостоит кумулятивным средствам поражения танков только благодаря своей твёрдости и высоким показателям прочности на сжатие. В целом это соответствовало господствовавшим 70 лет назад теориям о том, что, чем твёрже материал, тем лучше для брони, но на деле всё несколько иначе. Для того чтобы лучше понять процесс, нужно немного углубиться в дебри основных понятий кумулятивного эффекта.
Все без исключения противотанковые кумулятивные боеприпасы оснащаются зарядом взрывчатки, в носовой части которого проделана конусообразная выемка разного угла раствора. В ней установлена облицовка – чаще всего медная, но могут применяться и другие материалы. В момент детонации заряда большая часть энергии взрыва схлопывает облицовку и, пластично деформируя её, образует металлическую постоянно увеличивающуюся в длине кумулятивную струю. Скорость её головных элементов составляет 7–10 км/с, поэтому стальная броня при контакте с ней ведёт себя по законам гидродинамики, теряя все свои прочностные характеристики. Отсюда и высокая пробивная способность, доходящая у некоторых кумулятивных ракет до полутора метров стального массива.
Но кумулятивная струя также не имеет собственной прочности. Проникая в броню, она постепенно теряет собственную длину (срабатывается), в буквальном смысле намазываясь на края пробоины. Отсутствие прочности также сказывается на боковой устойчивости струи: она может разорваться от любого, даже самого небольшого предмета, пересекающего её ось. На этой уязвимости основано действие взрывных и невзрывных комплексов динамической защиты.
Против бронебойных снарядов кинетического действия твёрдость броневой преграды играет значительную роль, а вот против кумулятивных практически не имеет никакого значения. Сравнительные испытания в виде лабораторного обстрела керамических и алюминиевых блоков показали, что кумулятивные струи срабатываются – теряют длину в ходе пробития – почти одинаково, хотя керамика намного твёрже этого металла. Однако на выходе из обстреливаемых преград состояние струи было разным. Если после пробития стальной/алюминиевой брони она выходила относительно целой, то после керамических вставок – разорванной на большое количество кусков с околонулевой пробиваемостью.
Рентгенограмма кумулятивной струи после преодоления металлической преграды. Источник: книга «Частные вопросы конечной баллистики». Издательство МГТУ имени Баумана
Рентгенограмма кумулятивной струи после преодоления преграды с карбидом кремния. Источник: книга «Частные вопросы конечной баллистики». Издательство МГТУ имени Баумана
Как уже говорилось ранее, керамика представляет собой довольно хрупкий материал, но есть у неё одна особенность, которая заключается в способности кратковременно накапливать энергию упругого сжатия. На практике это выглядит следующим образом.
Схлопывание кумулятивной струи слоями разрушенной керамики. УВ – ударная волна, ВР – волна разрежения. Источник: книга «Частные вопросы конечной баллистики». Издательство МГТУ имени Баумана
В момент проникания кумулятивной струи перед ней в армированном керамическом блоке распространяется ударная волна, которая, ломая керамику на мелкие и крупные обломки, заставляет их сжиматься. Тем временем давление за фронтом ударной волны начинает спадать, и ранее сжатые обломки заваливают канал пробоины, разрубая струю как гильотина.
Таким образом кумулятивная струя теряет головную – самую высокоскоростную и пробивную – часть, что негативным образом сказывается на её дальнейшем продвижении в слоях брони. По сути, керамика в данном случае выступает в роли активного компонента, который использует для нейтрализации кумулятивных боеприпасов их собственную энергию. Точно так же, но со сниженной эффективностью, работает и дешёвая альтернатива – вставки из скреплённого силикатным материалом песка в башнях танков Т-72 ранних выпусков, часть из которых под индексом Т-72М1 до сих пор находятся на вооружении некоторых стран.
Что же в реальном выражении может дать керамика против кумулятивных снарядов? Можно взглянуть на Т-64. Первые серии этих танков выпускались с башнями, в «скулах» которых были установлены алюминиевые вставки. При общей толщине брони «сталь+алюминий+сталь» около 600 мм такая защита давала эквивалент примерно 450 мм от кумулятивных снарядов. После появления башен с корундовыми шарами общая толщина брони была снижена до 450 мм, а эквивалент от «кумулей» так и остался равен 450 мм. Если же говорить в целом, то при правильной установке керамического наполнителя можно добиться двукратного превосходства над стальным массивом. Очень упрощенно: слой керамики толщиной 100 мм будет давать защиту, как лист стали толщиной 200 мм. Выгоду в массе и экономии габарита посчитать несложно.
Ложка дёгтя тоже присутствует. Высококачественная керамика – довольно дорогое удовольствие, что обязательно скажется на конечной стоимости танка. Ещё один минус: она не работает при установке под большим углом, так как ударная волна при соприкосновении с кумулятивной струёй (снарядом тоже) будет наносить преждевременные разрушения по всей толще блока сразу. Решить эту проблему можно «ступенчатым» расположением уменьшенных в размере блоков, но это требует дополнительных средств. Также неочевидной, но существенной проблемой может стать то, что керамика уязвима перед тандемными кумулятивными снарядами – если лидирующий заряд пробьёт лицевой слой брони и попадёт в неё, то для основного заряда она уже не будет представлять никакой угрозы просто потому, что окажется разрушенной.
Подводя итог, можно сказать следующее. Керамика работает, и никаких оснований отрицать это нет. Другое дело, что она, как основной компонент бронирования танка, уже не используется. За последние 30–40 лет тенденции слишком поменялись. Против кумулятивных снарядов применяется намного более эффективная невзрывная динамическая защита. Её у нас принято называть полуактивной бронёй, которая встраивается в лоб корпуса и башни. Тем не менее, бронекерамику со счетов сбрасывать не стоит. Как дополнительный элемент защиты, в том числе в навешиваемых на броню модулях, она вполне актуальна.
Информация