Инновационные решения в броневой защите.

     Ранее мы поверхностно сравнили гомогенную и композитную броню, коснулись основных типов ДВС, и достаточно подробно остановились на артиллерии. Сегодня стоит вспомнить про современную защиту бронетехники.

     Следует отметить, что используемые на практике решения чаще всего продиктованы экономическими соображениями, возможностями промышленности, и технологичностью обслуживания и ремонта. В крайности впадать обычно никто не стремится.

        Сегодня наиболее актуальна защита бронетехники от трех основных типов снарядов: кумулятивные, БОПС, и ОФС. С первыми все более менее понятно, уточню только, что эффект ОФС это солидный заряд бризантного ВВ, содержащийся, например, в боеголовке корректируемой авиабомбы, БЧ крылатой ракеты или ПТУР. Следовательно, хорошо, если ОБТ сравнительно безболезненно выдерживает взрыв на поверхности брони заряда в 4-6 кг ТНТ, еще лучше, если 10-20 кг и более. Хорошая защита от ударной волны актуальна и в плане защиты от ПТ мин и фугасов, всяких шахидмобилей и пр. “нежданок”.

       Исходя из назначения, можно в общих чертах накидать требование к функционированию броневой защиты. Сверху необходим экран для дистанционирования взрыва от основной брони (КС, ОФС). Под экраном стоит заполнить промежуток каким-либо наполнителем, отличающим абразивным действием на снаряд, упругость, амортизирующим действием, и гашением ударной волны. При этом наполнитель должен отличаться минимальной плотностью (как и все материалы бронетехники, ибо, оптимизации подвижности, авиа транспортабельность, возможность плавать, требования к дорогам и мостам, экономию ГСМ, и пр., разумеется, никто не отменял). Под наполнителем стоит разместить максимально твердый лист для рассеивания кумулятивной струи, и в большей степени, для разрушения или притупления сердечника БОПС (как и любого другого бронебойного сердечника, например, пуль БЗТ или Б-32, калиберных “болванок”, и пр.). Под твердым листом должен располагаться основной слой брони, гасящий воздействие осколков сердечника БОПС (или струи КС). Кроме того, основная броня выполняет основную функцию – несущий каркас конструкции, который держит все остальные элементы, выдерживает кинетический удар калиберных снарядов и/или ударной волны КС и ОФС.

     Основная броня не панацей, посему, в ряде случаев она получит пробоины, отдельные фрагменты сердечников БОПС пройдут на вылет, возможны отслоения искр и осколков от внутренней стороны листа при его быстрой деформации. Все эти “прелести” полетят внутрь и могут нанести повреждения экипажу (поэтому часто экипажи бронемашин используют спец комбинезоны из кевлара, а то и бронежилеты с касками), проводке, топливо проводам, электронике, и даже ДВС и боеукладке (пробить стенку снаряда это обычно сложная задача для небольшого осколка). Для резкого повышения защиты бронетехники используют подбой из полимерных плит или высокопрочных волокон. Слой ткани и/или полимерный лист призваны ловить как мелкие осколки, так и фрагменты сердечников БОПС.

                                                                            Ткань.

       Возможности ткани подбоя достаточно солидные. Если капрон, нейлон или кевлар имеют плотность моноволокна порядка 1,2-1,5 гр./см3, то волокно из СВМПЭ имеет плотность всего порядка 0,9 гр./см3, при аналогичной прочности. Сегодня высоко ориентированное полимерное волокно обеспечивает прочность на разрыв (именно на разрыв работает ткань подбоя) порядка 2,0-2,6 ГПа. Для сравнения, обычная сырая сталь ст.3 дает прочность на разрыв в сыром состоянии порядка 350 МПа, а термически обработанная сталь тросов подъемных машин, например, 65Г, дает стандартную прочность на разрыв порядка 1,2-1,4 ГПа. При этом, волокно более упругое и обеспечивает более плавный отъем энергии у снаряда.

        Пять слоев ткани из высокопрочного волокна выдерживают пистолетную пулю 9*17“Браунинг” или 9*18ПМ примерно с 50 метров под углом 50-60*. Десяток слоев выдерживают любую не бронебойную пистолетную пулю вплотную. Пятьдесят-шестьдесят слоев выдержат с сотни метров под 90* большинство не бронебойных пуль штурмовых винтовок и автоматов калибром 7,62 мм.

            * - Здесь стоит вспомнить интересную тенденцию, которую мне довелось не единожды наблюдать на бескрайних просторах инета. Толпы технически безграмотных граждан до пены у рта спорят о самых странных вещах: “пуля автомата Калашникова пробивает/не пробивает рельсу”, “пистолет-пулемет Р-90 пробивает борт БМП-1/2 в любом месте”, “урановый БОПС танка Абрамс пробивает любой танк”, и пр. В отличие от них, граждане, имеющие хотя бы законченное школьное образование (не говоря уже о действительном ВУЗовском) выражаются конструктивно. Если речь идет про пробивание чего-то чем-то, то приводят: тип пули (снаряда), дистанцию, угол встречи, толщину листа, материал листа, наличие термической или термохимической обработки, и/или иные достаточные сведения. Например, тех же рельсов, только по самым общим представлениям советских ГОСТов как минимум три: Р-50, Р-65, и Р-75 (цифра это масса погонного метра рельсы в кг), выпускали их в разные годы из разных типов стали (все они по прочности близки к 40ХГ2С, но содержали побольше марганца, что дает склонность к наклепу). Угол встречи и дистанция обстрела могут быть различными. Автоматы Калашникова выпускаются под два основных патрона: 5,45*39 и 7,62*39, не говоря уже про версии под патроны 5,56*45. Патроны могут иметь различные пули, от охотничьих со свинцовым сердечником, или стандартных армейских Пст (стальной мягкий сердечник и свинцовая рубашка), до Б-32 или современных бронебойных с вольфрамовым сердечником. Любую рельсу Р-50 в тонком месте шейки с 10 метров без проблем пробьет любой автомат или штурмовая винтовка практически любой бронебойной пулей (толщина всего около 10 мм). А шейку рельсы Р-75 (примерно 17-18 мм) не пробьет даже винтовочно-пулементая бронебойная пуля со стальным сердечником с 50 метров под 90*. Можно попытаться только вплотную, под 90*, пулей с вольфрамовым сердечником, да и то, не факт что хотя бы 80% пробоин. Посему, не выражайтесь в условных рельсах, стремитесь к использованию общепринятых в науке и технике единиц.

       При этом, один слой занимает примерно 0,5 мм толщины, и имеет плотность примерно в два раза ниже, чем у слоя исходного полимера, то есть, 1 кубический сантиметр защитного слоя имеет плотность в случае СВМПЭ всего 0,9/2=0,45 гр./см3. Иными словами, пакет размером 1м*1м*30мм имеет массу примерно 13,5 кг, и обеспечивает неплохую защиту от автоматных пуль на дистанциях 100-150 метров. Если пересчитывать на обычную броневую сталь, тогда один квадратный метр листа, имеющий массу 13,5 кг, будет иметь толщину всего примерно 1,7 мм при плотности стали около 8 гр./см3. Чтобы обеспечить аналогичную защиту от автоматных пуль, лист стали (например, 40ХГ2С, 45Х, 38ХН2МФА, 50ХНА, или аналогичная сталь) должен иметь толщину примерно 10 мм (даже при учете закалки поверхности ТВЧ, азотирования поверхности, или закалки с нормализационным отпуском). Иными словами, применение высокопрочного волокна позволяет уменьшить вес защиты примерно в пять раз по отношению к классической броневой стали.

         * - Другой вопрос, что волокно плохо держит попадание в ту же область, легко передает ударную волну на тело (если это бронежилет или каска), не любит огонь, длительное нагревание, прямой солнечный свет, а многие волокна даже к влаге относятся достаточно негативно. Для удобства монтажа, иногда ткань набирают в пакет и пропитывают под прессом, или же без сильного давления. Это снижает прочность. Кроме того, для максимальной защиты, пакет должен иметь оптимальную плотность упаковки слоев ткани, и должен висеть сравнительно свободно. Тонкие острые пули и сердечники БОПС намного легче проходят пакет ткани, чем тупоносые пули или обломки осколков брони. Чем ниже скорость пули, тем в большей степени сказывается упругость пакета. Следовательно, лучше всего пакет ткани работает именно в роли подбоя, когда снаряд уже притуплен и частично потерял скорость.

      В результате имеем общую теоретическую схему бронирования, поверх которой конечно можно еще накинуть решетчатый экран или блоки ДЗ.

                                       Материалы броневых листов.

                                       Внешние экраны.

            Стоит остановится на материалах каждого защитного слоя. Самый верхний экран (как и решетка против КС и ОФС) получает в бою максимальные повреждения, кроме пистолетных пуль и автоматных пуль на излете (угол встречи 30-45* с сотни метров, или угол 90* с 0,5-1,0 км), он ничего полностью не задержит. Даже полной защиты от винтовочных бронебойных пуль со ста метров он полностью останавливать не должен. Здесь три противоречия: экран должен иметь минимальную массу, он должен иметь минимальную стоимость (ибо чаще всего менять), и он должен сочетать твердость и вязкость. твердость для деформации головок пуль или снарядов, вязкость для предотвращения образования трещин (в том числе, по сварным узлам). Посему, впадать в крайности здесь не стоит, толщина экрана для легкой бронетехники (БРДМ, БРЭМ, БТР, и пр.) может составлять всего 4-5 мм, для тяжелой бронетехники (ОБТ, некоторые САУ, ряд машин разграждения) прядка 8-10 мм. Материал экрана может быть или хорошая броневая сталь (например, 40ХН4МФА), или титановый сплав (например, ВТ5 или ВТ1-0). Внешние решетки должны быть достаточно жесткими и их чаще всего менять, там только сталь. Внешний экран из титана имеет очень важное преимущество – он не ржавеет, но, титан для монтажа предпочитает аргоновую сварку (болты болтами, но, сварка она и в Африке сварка). В качестве экранов эконом-класса предпочтительно использовать сталь 65Г, она стоит всего в полтора раза дороже обычных конструкционных сталей типа сталь 10 или сталь 45.

                                               Наполнитель.

         От наполнителя требуется низкая плотность, вязкость, упругость, желательно, хорошее гашение ударной волны. Прекрасный вариант – стекловата. Дополнительный бонус стекловаты заключается в абразивном воздействии на снаряд при больших скоростях деформации, стекло не горючее, оно не гниет от попадания воды, долговечное и отличается широкой сырьевой базой. Хотя, можно пофантазировать насчет композиций нано керамики с полиуретаном или силиконом, но, легче, надежнее, долговечнее, негорючее, и при этом дешевле стекловаты пока никто ничего не придумал. Если хотим повысить качество в ущерб экономическим показателям, тогда можем зашить мат из стекловолокна в 3-10 слоев стеклоткани на основе прочного стекловолокна (вплоть до бороволокна, или кварцевого волокна). Можно применять вспененные полимеры, но, они более горючие, и отличаются малым воздействием на сердечники БОПС.

                                        Твердый лист.

        Внешний экран и слой наполнителя толщиной 50-180 мм (в зависимости от типа бронетехники и места крепления) без особых проблем остановят пули автоматов с 20-100 метров, и отнимут 80-90% поражающего действия у винтовочно-пулементых пуль с 100-300 метров (в том числе, бронебойных). Твердый лист всегда отличается некоторой хрупкостью, поэтому, его стоит закрыть полимерным листиком из упругого и недорогого полимера, оптимально подходит недорогой ПЭНД (полиэтилен низкого давления) или более вязкий, долговечный, и несколько менее горючий полиуретан. Толщина этого листика всего 2-4 мм.

     Сам твердый лист можно выполнить из инструментально стали, от эконом класса типа У-8 или У-10А, до более дорогих быстрорезов (Р5М4, Р6М5, и пр.), или даже сплавов сочетающих содержание углерода под 1% с содержанием вольфрама и молибдена по 7-12%. В любом случае, лист получается намного тверже любой обычной танковой брони, и менее хрупкий, чем практически любая керамика (хрупкость классически выражается через величину ударной вязкости, представленной единицей энергии на единицу поверхности в ходе удара на маятниковом копре, не люблю эту единицу измерения, посему, в отличие от шкал твердости, использую такие вещи крайне редко из-за их малой наглядности).

     Самый твердый материал это, конечно же, алмаз, но, этот вариант естественно отметается по причине стоимости. Несколько меньшей твердостью обладает корунд и карбид вольфрама (примерно 96-98% от твердости алмаза). При этом, карбид вольфрама подороже корунда, и намного плотнее, что ограничивает его применение в броневой защите. Другое дело, корунд (спеченный под давлением при нагревании оксид алюминия с чистотой выше 99,5%). Несколько меньшей твердостью обладают искусственные и натуральные наждаки (“наждак” это изначально минерал), из-за примесей других оксидов и даже галогенидов в исходном оксиде алюминия, их твердость всего 90-95% от твердости алмаза (иными словами 90-95 единиц по шкале Роквелла, или 90-95HRC). Керамические композиции на основе наждаков являются дешевыми заменителями корунда.

     Если говорить о самых дешевых вариантах твердого листа, тогда стоит остановится на стали У-10А, она несколько более надежная и стойкая к ударным нагрузкам, чем сталь У-10, позволяет достичь высокой твердости без сплошной закалки (что не всегда сподручно делать для крупных и толстых листов того же ОБТ), в отличие от той же У-7. При этом, впадать в крайность со сталью У-12 не стоит (содержание углерода 1,2% приводит к скачкам хрупкости до нежелательного уровня). Для подстраховки лист из У-10А можно закалить с поверхности на 0,5-1,5 мм при помощи ТВЧ. Рыночная стоимость листовой стали У-10А находится примерно на уровне 80-100 р./кг, что соответствует стоимости средних современных броневых сталей. Плотность У-10А, так же, как и большинства конструкционных сталей, примерно равна 7,8 гр./см3.

     Другой противоположностью является корунд. Даже небольшие пластинки качественного корунда имеют стоимость порядка 1-2 тыс. р. за килограмм, что весьма немало для серийной бронетехники. При увеличении размеров пластинок (например, до 200х200х20 мм) стоимость может вырастать еще в несколько раз. При этом, плотность хорошо спеченного корунда всего 4 гр./см3, то есть, почти в два раза ниже, чем у современных броневых сталей (стали с высоким содержанием вольфрама имеют плотность вплоть до 10 гр./см3). Твердость хорошего корунда достигает 96-98HRC (сложно определить точно), при ударной вязкости всего на 20-40% ниже, чем у закаленной стали У-10А (твердость порядка 72-76HRC). То есть, керамика это намного более предпочтительный вариант, чем инструменталка, хотя и очень дорогой.

      Для повышения живучести и защитных свойств, стоит оклеивать любую керамику с обеих сторон прочной пленкой, что предотвратит рассыпание листа в отдельные фрагменты. Даже полностью растрескавшийся лист керамики будет сохранять форму и солидную часть защитных свойств за счет пленки, полимерного листа (который можно наклеить вместо пленки или просто положить сверху), и прижимающего эффекта слоя наполнителя (залитый вспененный пластик или плотно уложенный мат из стековолокна, возможно, с предварительным оборачиванием керамических листов стеклотканью).

                                                    Каркас.

         Как мы уже сказали выше, керамика легко растрескивается, внешний экран тонкий, наполнитель вообще стекловата, а подбой это относительно свободно висящий пакет ткани, для конструкции нужен каркас, придающий всей конструкции прочность и жесткость. В классическом исполнении такой каркас выполнен сварным из гомогенных стальных листов. Например, на танке Леопард 2, корпус и башня сварены или стальных листов толщиной всего 15-40 мм. Остальное это пакеты композитки, экраны, ребра жесткости, подбой, ДЗ, и прочие примочки.

    Сталь весьма тяжелая, кроме того, она отличается малой вязкостью в закаленном состоянии. Следовательно, предпочтительно заменить сталь на титановые или алюминиевые сплавы. На практике так обычно не поступают в связи с высокой стоимостью данных материалов, и проблемами с аргоновой сваркой толстых листов. Алюминий, как мы помним, имеет плотность всего 2,7 гр./cм3, титан порядка 3,5 гр/см3, стали примерно 7,8-7,9 гр./см3. Разница на лицо. Стоит отметить, что вязкость и эластичность титана немного превосходит стали. Алюминий хорошо отнимает энергию у кумулятивной струи или мелких фрагментов сердечника БОПС, преимущественно, за счет своей пластичности и вязкости. При этом, титановые сплавы имеют твердость порядка 30-45HRC, что соответствует сырым среднеуглеродистым сталям, а верхний порог закаленным конструкционкам типа 35Г2С или 40Х. Хотя это намного меньше, чем у керамики или инструменталок, но, твердость броневых сталей сварных корпусов современных танков обычно не превышает данной планки. Следовательно, применение титанового листа вместо в 1,5-2,0 раза более тонкого стального листа предпочтительнее. Если позволяют габариты техники, тогда даже предпочтительнее использовать сотовую или иную пористую конструкцию из титанового проката, но, это технически сложно реализовать, тем более, в поточном производстве. Применение сотовой конструкции (например, с закрытыми шестигранными сотами) позволит при той же массе конструкции достичь большей жесткости корпуса и прочности к ударным нагрузкам (например, при гашении ударной волны). Тем более, соты можно наполнить керамикой, но, это уже фантастическая себестоимость.

     Про подбой мы достаточно много сказали выше.

    Исходя из всего сказанного выше, можно отметить, что реализация приведенной конструкции брони позволяет повысить броневую защиту техники в несколько раз выше, чем тот же уровень при использовании обычных броневых сталей.

     Решетка сверху представлена стальным уголком равнополочным 30х30 мм, из листа 3,5 мм. Лист экрана это броневая сталь толщиной 10 мм, далее пакет из 100 мм стекловаты, завернутый в 10 слоев стеклоткани высокой прочности. Далее 40 мм лист корунда, оклеенный на диизоцианатный клей двумя листами по 3 мм полиуретана. Основная броня представлена титановым листом толщиной 90 мм. Далее подбой из 120 слоев ткани СВМПЭ (сам по себе такой пакет выдерживает вплотную любую винтовочную пулю 30-го калибра, или с 800 метров практически любую пулю 12,7 мм), способный остановить любой осколок брони (или сердечника БОПС) массой до нескольких десятков граммов, летящий со скоростью до 200-250 метров в секунду. Пакет подбоя стоит прикрыть изнутри листом толщиной 3-4 мм, или полиуретан, или углепластик (углепластик дороже и дает острый край при разломе, полиуретан менее прочный, но, дешевле и не дает осколков при любом разрушении).

     Если прикинуть существенное заброневое действие как показатель пробития (то есть, за броней боеприпас должен пробить стенку снаряда, картер дизельного двигателя, или броник 1-го класса защиты, одетый на танкиста), тогда данный вариант брони выдержит с километра под углом в 60 градусов (т.е. реальные условия боя) любой современный БОПС калибром до 125 мм включительно. Масса одного квадратного метра бронирования при этом будет соответствовать всего лишь примерно 90 мм обычной стальной брони, в то же время, стойкость к КС (частично за счет решеток, вынесенных на 120 мм над экраном) достигает примерно 1000 мм, а стойкость к БОПС (преимущественно за счет сочетания вязкости титана, твердости керамики, и пакета подбоя) достигнет почти 1200 мм обычной конструкционной стали (обычно, в качестве эталона броневых сталей, при испытаниях снарядов сегодня используют стали типа 08кп, сталь 10, или на крайняк 20Х, что бы цифра получилась повнушительнее).

      За подбоем можно поставить и более солидные листы углепластика, но, стоимость килограмма хорошего углепластика существенно превышает стоимость килограмма средненького титанового сплава. При не намного меньшей стойкости к снарядам, по сравнению с титановыми листами, хорошие углепластики имеют плотность в 2,5-3,0 раза ниже.

                        Вывод.

     Таким образом, не проблема существенно поднять защиту бронетехники без увеличения ее массы. Другой вопрос, что стоимость прекрасно защищенного танка достигнет такого предела, что дешевле нашлепать на конвейере за те же деньги в пять-восемь раз большее число танков с обычной броней (минимум кевлара, плюс обычные экраны и некоторое количество ДЗ), от которых в результате получишь даже большую эффективность, чем от одного танка, но, с двое более солидной броневой защитой при той же массе и подвижности. Стоит отметить, что ряд современных наработок, например, Т-14 и вся техника на платформе “Армата” (https://ruxpert.ru/Т-14), более ранние разработки: Ле Клерки, Леопарды, БМП Бредли, и пр., как раз являются стремлением реализовать качественный рост за счет повышения стоимости. Здесь важен подход в распределении средств, что удобнее в данном случае? готовить больше бойцов и нести большие людские потери, или тратить больше на технику, разделяя парк техники на машины для крупных воин, и элиту для локальных конфликтов. Но, это уже вопросы не только тактики и стратегии, но и морали и этики, к которым мы сегодня скатываться не будем.