Pochyły pancerz - Sloped armour

Pochyły pancerz na przodzie radzieckiego czołgu T-54 , tutaj rozcięty, aby zademonstrować wzrost efektywnej grubości.

Zbroja pochylona to zbroja, która nie znajduje się ani w pozycji pionowej, ani poziomej . Taki kątowy pancerz jest zwykle montowany na czołgach i innych opancerzonych pojazdach bojowych (AFV), a także na okrętach, takich jak pancerniki i krążowniki . Nachylona płyta pancerza utrudnia penetrację broni przeciwpancernej, takiej jak pociski przeciwpancerne ( penetratory energii kinetycznej ) i rakiety, jeśli podążają mniej więcej poziomą trajektorią do celu, jak to często bywa. Poprawiona ochrona jest spowodowana trzema głównymi efektami.

Po pierwsze, pocisk trafiający w płytę pod kątem innym niż 90° musi przebić się przez większą grubość pancerza w porównaniu z trafieniem w tę samą płytę pod kątem prostym. W tym ostatnim przypadku należy przebić tylko grubość płyty ( normalną do powierzchni pancerza). Zwiększenie nachylenia pancerza poprawia dla danej grubości płyty poziom ochrony w miejscu uderzenia poprzez zwiększenie grubości mierzonej w płaszczyźnie poziomej , czyli kąta natarcia pocisku. Ochrona obszaru, zamiast pojedynczego punktu, jest wskazywana przez średnią grubość poziomą, która jest identyczna z gęstością obszaru (w tym przypadku względem poziomu): względna masa pancerza użytego do ochrony tego obszaru.

Jeśli grubość pozioma zostanie zwiększona poprzez zwiększenie nachylenia przy zachowaniu stałej grubości płyty, wymagana jest dłuższa, a tym samym cięższa płyta pancerna do ochrony określonego obszaru. Ta poprawa ochrony jest po prostu równoważna zwiększeniu gęstości powierzchniowej, a tym samym masy, i nie może przynieść żadnych korzyści związanych z wagą. Dlatego w projektowaniu pojazdów opancerzonych motywem zastosowania pochyłego pancerza były dwa inne główne efekty pochylenia.

Jednym z nich jest wydajniejsze owinięcie określonej objętości pojazdu pancerzem. Ogólnie rzecz biorąc, bardziej zaokrąglone kształty mają mniejszą powierzchnię w stosunku do ich objętości. W pojeździe opancerzonym ta powierzchnia musi być pokryta ciężkim pancerzem, więc bardziej wydajny kształt prowadzi do znacznej redukcji masy lub grubszego pancerza przy tej samej masie. Pochylenie pancerza prowadzi do lepszego przybliżenia idealnie zaokrąglonego kształtu.

Efektem końcowym jest ugięcie, odkształcenie i rykoszet pocisku. Kiedy uderzy w płytę pod stromym kątem, jego ścieżka może być zakrzywiona, powodując przejście przez większą część pancerza – lub może całkowicie się odbić. Można go również zginać, zmniejszając jego penetrację. Głowice z ładunkami kumulacyjnymi mogą nie przebić się lub nawet wybuchnąć, gdy trafią w pancerz pod bardzo skośnym kątem . Jednak te pożądane efekty są w sposób krytyczny zależne od zastosowanych precyzyjnych materiałów opancerzenia w odniesieniu do charakterystyki trafiającego w niego pocisku: nachylenie może nawet prowadzić do lepszej penetracji.

Najostrzejszych kąty są zazwyczaj przeznaczone na przednim Glacis płyty, ponieważ jest to kierunek kadłub najprawdopodobniej na trafienie podczas gdy w obliczu ataku, a także dlatego, że tam jest więcej miejsca na stoku w kierunku wzdłużnym pojazdu.

Zasada pochyłego pancerza

Ilustracja wyjaśniająca, dlaczego pochyły pancerz nie zapewnia korzyści w zakresie wagi podczas ochrony określonego obszaru. Porównanie pionowej płyty pancerza po lewej stronie i odcinka pancerza nachylonego pod kątem 45 stopni po prawej stronie. Odległość pozioma przez pancerz (czarne strzałki) jest taka sama, ale normalna grubość nachylonego pancerza (zielona strzałka) jest mniejsza. Widać, że rzeczywista powierzchnia przekroju pancerza, a co za tym idzie jego masa, jest w każdym przypadku taka sama; dla danej masy normalna musiałaby się zmniejszyć, jeśli nachylenie zostanie zwiększone.

Trójkątne metalowe wkładki są wymagane, aby uzyskać jednolitą gęstość powierzchni nachylonego pancerza (B). Normalna grubość płyty w (B) musi zostać zmniejszona, aby skompensować ciężar tych wkładek.

Przyczyną zwiększonej ochrony pewnego punktu przy danej normalnej grubości jest zwiększona grubość pancerza w linii widzenia ( LOS ) , która jest grubością w płaszczyźnie poziomej, wzdłuż linii opisującej ogólny kierunek nadlatującego pocisku podróż. Dla danej grubości płyty pancernej pocisk musi przejść przez pancerz o większej grubości, aby przebić się do pojazdu, gdy jest on pochylony.

Strzyżenie jest niezmienne objętości

Sam fakt, że grubość LOS zwiększa się wraz z pochyleniem płyty, nie jest jednak motywem stosowania pochyłego pancerza w konstrukcji pojazdów opancerzonych. Powodem tego jest to, że wzrost ten nie zapewnia korzyści związanych z wagą. Aby utrzymać daną masę pojazdu, gęstość powierzchni musiałaby pozostać równa, a to oznacza, że ​​grubość LOS również musiałaby pozostać stała, podczas gdy nachylenie wzrastało, co ponownie oznacza, że ​​normalna grubość maleje. Innymi słowy: aby uniknąć zwiększania masy pojazdu, płyty muszą być proporcjonalnie cieńsze, a ich nachylenie rośnie, co jest procesem równoznacznym ze ścinaniem masy.

Pochyły pancerz zapewnia zwiększoną ochronę opancerzonych pojazdów bojowych dzięki dwóm podstawowym mechanizmom. Najważniejszy opiera się na fakcie, że aby osiągnąć określony poziom ochrony, pewna objętość musi być otoczona pewną masą pancerza i że nachylenie może zmniejszyć stosunek powierzchni do objętości, a tym samym pozwolić na mniejszą względną masę dla danego objętość lub więcej ochrony dla danej wagi. Gdyby atak był jednakowo prawdopodobny ze wszystkich kierunków, idealną formą byłaby kula ; ponieważ w rzeczywistości należy się spodziewać ataku poziomego, ideał staje się spłaszczoną sferoidą . Kątowanie płaskich płyt lub zakrzywiony odlewany pancerz pozwala projektantom zbliżyć się do tych ideałów. Ze względów praktycznych mechanizm ten jest najczęściej stosowany z przodu pojazdu, gdzie jest wystarczająco dużo miejsca do pochylenia i skoncentrowana jest znaczna część pancerza, przy założeniu, że najbardziej prawdopodobny jest jednokierunkowy atak frontalny. Prosty klin, taki jaki można zobaczyć w konstrukcji kadłuba M1 Abrams , jest już dobrym przybliżeniem, które często się stosuje.

Drugi mechanizm polega na tym, że strzały trafiające w nachylony pancerz są bardziej podatne na odbicie, rykoszet lub rozbicie przy uderzeniu. Nowoczesna technologia broni i opancerzenia znacznie zmniejszyła tę drugą zaletę, którą początkowo był główny motyw pochylenia pancerza, który został włączony do konstrukcji pojazdu podczas II wojny światowej.

Zasada cosinusa

Mimo że zwiększona ochrona do punktu, jaką zapewnia nachylenie pewnej płyty pancerza o danej normalnej grubości, powodujące zwiększenie grubości linii widzenia ( LOS ), nie ma znaczenia przy projektowaniu pojazdu opancerzonego, ma ona ogromne znaczenie przy określaniu poziom ochrony zaprojektowanego pojazdu. Grubość LOS dla pojazdu w pozycji poziomej można obliczyć za pomocą prostego wzoru, stosując zasadę cosinusa: jest równa normalnej grubości pancerza podzielonej przez cosinus nachylenia pancerza od prostopadłości do ruchu pocisku (przyjęty w płaszczyźnie poziomej) lub:

${\ Displaystyle T_ {L} = {\ Frac {T_ {N}} {cos (\ theta)}}}$

gdzie

• ${\displaystyle T_{L}}$: Grubość linii wzroku
• ${\ Displaystyle T_ {N}}$: Normalna grubość
• ${\displaystyle \theta}$: Kąt nachylenia płyty pancernej od pionu

Na przykład, pancerz nachylony o sześćdziesiąt stopni do tyłu od pionu do pocisku poruszającego się poziomo o grubości w linii widzenia dwa razy większej niż normalna grubość pancerza, ponieważ cosinus 60° wynosi ½. Gdy wartości grubości pancerza lub walcowanego jednorodnego równoważnika pancerza (RHAe) dla opancerzonych wozów bojowych są podawane bez nachylenia pancerza, podana liczba ogólnie uwzględnia ten efekt nachylenia, podczas gdy wartość jest w formacie „x jednostek przy y stopni”, skutki nachylenia nie są brane pod uwagę.

Ugięcie

Pochylony pancerz może zwiększyć ochronę dzięki mechanizmowi, takiemu jak rozbicie kruchego penetratora wykorzystującego energię kinetyczną lub odchylenie tego penetratora od normalnej powierzchni, nawet jeśli gęstość obszaru pozostaje stała. Efekty te są najsilniejsze, gdy pocisk ma niską wagę bezwzględną i jest krótki w stosunku do swojej szerokości. Pociski przeciwpancerne z czasów II wojny światowej, z pewnością te z wczesnych lat, miały te właściwości, dlatego pochylony pancerz był w tym okresie dość skuteczny. W latach sześćdziesiątych wprowadzono jednak penetratory o długich prętach , pociski, które są zarówno bardzo wydłużone, jak i bardzo gęste. Uderzenie w pochyłe grube, jednorodne płyty, takie jak penetrator z długim prętem, po początkowej penetracji w grubość LOS pancerza, wygnie się w kierunku normalnej grubości pancerza i obierze ścieżkę o długości pomiędzy LOS i normalną grubością pancerza. Również zdeformowany penetrator ma tendencję do działania jak pocisk o bardzo dużej średnicy, co rozciąga pozostały pancerz, przez co łatwiej ulega awarii. Jeśli te ostatnie efekty wystąpią silnie – w przypadku nowoczesnych penetratorów dzieje się tak zazwyczaj przy nachyleniu od 55° do 65° – lepszą ochronę zapewni pionowo zamontowany pancerz o tej samej gęstości powierzchni. Kolejnym osiągnięciem, które zmniejsza znaczenie zasady pochyłego pancerza, było wprowadzenie w latach siedemdziesiątych pancerza ceramicznego. Przy dowolnej gęstości powierzchniowej pancerz ceramiczny jest również najlepszy, gdy jest montowany bardziej pionowo, ponieważ utrzymanie tej samej gęstości powierzchniowej wymaga pocienienia pancerza w miarę jego nachylenia i wcześniejszego pękania ceramicznego ze względu na jego zmniejszoną normalną grubość.

Pochylony pancerz może również powodować rykoszet pocisków , ale to zjawisko jest znacznie bardziej skomplikowane i na razie nie do końca przewidywalne. Wysoka gęstość pręta, prędkość uderzenia i stosunek długości do średnicy to czynniki, które przyczyniają się do wysokiego krytycznego kąta rykoszetu (kąt, pod którym spodziewany jest rykoszet) dla pocisku z długim prętem, ale różne wzory mogą przewidywać różne krytyczne kąty rykoszetu w tej samej sytuacji.

Podstawowe fizyczne zasady ugięcia

Jak rowek spowodowany uderzeniem pocisku zwiększa efektywny kąt padania (efekt mniejszego nachylenia)

Ilustracja niektórych możliwych efektów, które mogą wystąpić, gdy pocisk uderzy w pochyły pancerz

Bardzo prosty model fizyczny efektu nachylenia. Energia kinetyczna pochłaniana przez pancerz jest proporcjonalna do kwadratu sinusa kąta (maksymalnie dla 90°). Tarcie i deformacja tarczy są pomijane

Zachowanie się pocisku w świecie rzeczywistym oraz płyty pancernej, w którą uderza, zależy od wielu efektów i mechanizmów, obejmujących ich strukturę materiałową i mechanikę kontinuum, które są bardzo trudne do przewidzenia. Stosowanie tylko kilku podstawowych zasad nie doprowadzi zatem do powstania modelu, który jest dobrym opisem pełnego zakresu możliwych wyników. Jednak w wielu warunkach większość z tych czynników ma jedynie znikomy wpływ, podczas gdy kilka z nich dominuje w równaniu. W związku z tym można stworzyć bardzo uproszczony model, zapewniający ogólną ideę i zrozumienie podstawowych zasad fizycznych kryjących się za tymi aspektami konstrukcji pochyłego pancerza.

Jeśli pocisk porusza się bardzo szybko, a tym samym znajduje się w stanie hiperprędkości , wytrzymałość materiału pancerza staje się znikoma – pod wpływem uderzenia zarówno pocisk, jak i pancerz stopią się i będą zachowywać się jak płyny – i tylko jego gęstość powierzchniowa jest ważnym czynnikiem. W tym granicznym przypadku pocisk po trafieniu kontynuuje penetrację, dopóki nie przestanie przenosić pędu na materię celu. W tym idealnym przypadku istotne są tylko pęd, przekrój powierzchni, gęstość i grubość LOS. Sytuacja przenikającego metalu strumieniem spowodowanej wybuchem ładunek kumulacyjny z HEAT amunicji, stanowi dobre przybliżenie tego ideału. Dlatego też, jeśli kąt nie jest zbyt ekstremalny, a pocisk jest bardzo gęsty i szybki, nachylenie ma niewielki wpływ i nie następuje żadne istotne ugięcie.

Z drugiej strony, im bardziej lekki i powolny jest pocisk, tym bardziej odpowiednie staje się nachylenie. Typowe pociski przeciwpancerne z okresu II wojny światowej miały kształt pocisku i miały znacznie mniejszą prędkość niż odrzutowiec kumulacyjny. Uderzenie nie spowodowałoby całkowitego stopienia pocisku i pancerza. W tym stanie istotnym czynnikiem staje się wytrzymałość materiału pancerza. Jeśli pocisk byłby bardzo lekki i powolny, siła pancerza może nawet spowodować, że trafienie spowoduje jedynie elastyczną deformację , pocisk zostanie pokonany bez uszkodzenia celu. Nachylenie będzie oznaczało, że pocisk będzie musiał osiągnąć większą prędkość, aby pokonać pancerz, ponieważ przy uderzeniu w nachylony pancerz nie cała energia kinetyczna jest przekazywana na cel, a stosunek ten zależy od kąta nachylenia. Pocisk w procesie zderzenia sprężystego odchyla się pod kątem 2 (gdzie oznacza kąt pomiędzy powierzchnią płyty pancernej a początkowym kierunkiem pocisku), jednak zmianę kierunku można by wirtualnie podzielić na część spowalniającą , gdy pocisk jest zatrzymany podczas ruchu w kierunku prostopadłym do płyty (i będzie poruszał się wzdłuż płyty po odchyleniu o kąt około ), oraz proces sprężystego przyspieszania, gdy pocisk przyspiesza z płyty (prędkość wzdłuż płyty jest uważana za niezmienne ze względu na znikome tarcie). W ten sposób maksymalna energia zgromadzona przez płytę może być obliczona na podstawie fazy wytracania prędkości zdarzenia kolizyjnego. ${\ Displaystyle \ alfa}$${\ Displaystyle \ alfa}$${\ Displaystyle \ alfa}$

Przy założeniu, że ma miejsce tylko odkształcenie sprężyste i że cel jest solidny, pomijając tarcie , łatwo jest obliczyć proporcję energii pochłoniętej przez cel przy trafieniu pociskiem, która, jeśli pominiemy również bardziej złożone efekty odchylenia , po uderzeniu odbija się (pokrowiec elastyczny) lub ślizga się wzdłuż (idealny pokrowiec nieelastyczny) płyty pancernej.

W tym bardzo prostym modelu część energii rzutowanej na cel zależy od kąta nachylenia:

${\ Displaystyle E_ {d} / E_ {k} = {grzech ^ {2} (\ alfa)}}$

gdzie

• ${\ Displaystyle E_ {d}}$: Energia przekazana do celu
• ${\ Displaystyle E_ {k}}$: Energia kinetyczna padania pocisku
• ${\ Displaystyle \ alfa}$: Kąt nachylonej płyty pancerza od początkowego kierunku pocisku

Jednak w praktyce powłoki AP były wystarczająco silne, aby zaangażowane siły osiągnęły granicę odkształcenia plastycznego, a elastyczność płyty mogła akumulować tylko niewielką część energii. W takim przypadku płyta pancerna ulegnie odkształceniu, a większość energii i siły zostanie zużyta na deformację. W związku z tym oznacza to, że można przyjąć około połowy ugięcia ( zamiast 2 ), a pocisk wbije się w płytę, zanim się ześlizgnie, a nie odbije. Plastyczne tarcie powierzchniowe jest również bardzo niskie w porównaniu z energią odkształcenia plastycznego i można je pominąć. Wynika z tego, że powyższy wzór jest zasadniczo ważny również dla przypadku odkształcenia plastycznego, ale ze względu na rowek pomiarowy w płycie należy wziąć pod uwagę większy kąt powierzchni . ${\ Displaystyle \ alfa}$${\ Displaystyle \ alfa}$${\ Displaystyle \ alfa}$

Nie tylko oznaczałoby to, że energia przekazana do celu zostałaby w ten sposób wykorzystana do jego uszkodzenia; oznaczałoby to również, że ta energia byłaby wyższa, ponieważ efektywny kąt we wzorze jest teraz wyższy niż kąt nachylenia pancerza. Wartość odpowiedniej wartości rzeczywistej , którą należy zastąpić, nie może być wyprowadzona z tej prostej zasady i może być określona jedynie przez bardziej wyrafinowany model lub symulację. ${\ Displaystyle \ alfa}$${\ Displaystyle \ alfa}$

Z drugiej strony, ta sama deformacja spowoduje, w połączeniu z nachyleniem płyty pancerza, efekt zmniejszający penetrację pancerza. Choć ugięcie jest w warunkach odkształcenia plastycznego mniejsze, to jednak zmieni kurs pocisku rowkującego, co ponownie spowoduje zwiększenie kąta między powierzchnią nowego pancerza a początkowym kierunkiem pocisku. W ten sposób pocisk musi przebić się przez większą ilość pancerza i chociaż w wartościach bezwzględnych cel może w ten sposób pochłonąć więcej energii, łatwiej go pokonać, a proces idealnie kończy się całkowitym rykoszetem.

Aplikacja historyczna

Niemieckie konstrukcje z końca II wojny światowej z pochyłym pancerzem: w tle niszczyciel czołgów Jagdpanther i niemiecki czołg ciężki Tiger II .

Niezwykle późnowojenny radziecki IS-3 wykorzystywał szpiczasty dziób zamiast prostego przednia

Jednym z najwcześniejszych udokumentowanych przykładów koncepcji pochyłego pancerza jest rysunek pojazdu bojowego Leonarda da Vinci . Pochylony pancerz był faktycznie używany w dziewiętnastowiecznych pancernikach Konfederacji , takich jak CSS Virginia , i częściowo zaimplementowany w pierwszym francuskim czołgu Schneider CA1 podczas I wojny światowej, ale pierwszymi czołgami, które zostały całkowicie wyposażone w pochylony pancerz, były francuskie SOMUA S35 i inne współczesne francuskie czołgi, takie jak Renault R35 , które miały w pełni odlewane kadłuby i wieże. Większy efekt wykorzystał również w słynnym radzieckim czołgu bojowym T-34 przez radziecki zespół projektowy z Charkowskiej Fabryki Lokomotyw , kierowany przez Michaiła Koszkina . Była to technologiczna odpowiedź na coraz skuteczniejsze działa przeciwpancerne wprowadzane do służby w tym czasie.

T-34 miał ogromny wpływ na projekt niemieckiego czołgu podczas II wojny światowej. Konstrukcje przed- lub wczesnej wojny, takie jak Panzer IV i Tiger, wyraźnie różnią się od pojazdów po 1941 r., takich jak Panther , Tiger II , Jagdpanzer i Hetzer , które miały pochyły pancerz. Jest to szczególnie widoczne, ponieważ niemieckie opancerzenie czołgów zasadniczo nie było odlewane, lecz składało się ze spawanych płyt.

Merkava Mark III ma ekstremalnie pochylony pancerz wieży

Pochyła zbroja stała się bardzo modna po II wojnie światowej , a jej najczystszym wyrazem jest być może brytyjski wódz . Jednak najnowsze czołgi podstawowe wykorzystują pancerz perforowany i kompozytowy , który zamiast odchylać penetrator, próbuje odkształcić i ścierać penetrator, ponieważ odchylenie penetratora z długim prętem jest trudne. Te czołgi mają bardziej blokowy wygląd. Przykładami są Leopard 2 i M1 Abrams . Wyjątkiem jest izraelska Merkava .

Bibliografia