|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
АЛЮМИНИЕВАЯ БРОНЯ КАК АЛЬТЕРНАТИВА
СТАЛЬНОЙ БРОНИ. ОБЛАСТЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ
А.А. Арцруни, Д.Г. Купрюнин, А.А. Зажилов (АО «НИИ стали»)
Работоспособность любой конструкции вне зависимости от функционального назначения, наряду с прочностью, определяется также и её жёсткостью. Жёсткость — это способность конструкции сопротивляться действию внешних нагрузок с наименьшими деформациями. Особенно большое значение жёсткость имеет для машин облегчённого класса со строго регламентируемыми характеристиками массы, к которому относятся машины, рассматриваемые в настоящей работе. Устойчивость, жёсткость на изгиб, как известно из курса сопротивления материалов, определяется зависимостью
Р = с Е b3 / l2,
где с — коэффициент, определяемый способом приложения нагрузки; Е — модуль упругости; b — толщина листа (плиты); l — расстояние между местами заделки листов (плит). Модуль упругости — величина, характеризующая упругие свойства материалов при малых деформациях. Зачастую именуется также модулем продольной или нормальной упругости, модулем Юнга или модулем упругости первого рода. Определяется экспериментально как отношение нормального напряжения σ к относительному удлинению ε = Δ l / l, где Δ l — абсолютное удлинение, а l — первоначальная длина. Е = σ / ε = σ / l / l. Размерность
модуля упругости dim Е = L-
Представленная зависимость, определяющая жёсткость, с исключением постоянных для каждого конкретного расчёта с и l может быть упрощена до вида Р = Е b3. Таким образом, жёсткость на изгиб (устойчивость) является произведением модуля упругости материала на куб его толщины. Прежде чем обратиться к сравнительной оценке служебных свойств алюминиевой брони с другими броневыми материалами, рассмотрим общую эффективность использования алюминиевых сплавов в качестве бронекорпусного материала. Объектом сопоставления примем алюминиевый сплав средней прочности (сталь и титан). Итак, имеем сопоставительный ряд: Алюминий, Сталь, Титан. Основные сопоставляемые характеристики представлены в табл. 1 и на рис. 1.
Таблица 1 Сопоставительный анализ жёсткости металлов на изгиб
Рис. 1. Сравнительные физические параметры алюминия (А1), титана (Ti) и стали (Ст)
Сопоставляются плотность металлов (объёмная масса), их прочность (предел прочности на разрыв), характеристика упругости (модуль упругости) и жёсткость при равной массе. По показателям упругости и прочности сталь в рассматриваемом ряду является безусловным лидером. Однако соотнесение представленных характеристик с плотностью каждого из рассматриваемых материалов и приведение их к виду E/ρ·10-3 и о;/р, к так называемым удельной упругости и удельной прочности, приводит рассматриваемые материалы к практически равным показателям. При этом, если рассматривать возможные толщины материалов при условии равной массы, то совершенно очевидно следует использовать величину, обратную плотности или 1/ρ. Мы видим, что в этом случае алюминий будет в 2,8 раза толще стали и в 1,6 раза толще титана. Титан, в свою очередь, только в 1,73 раза толще стали. Таким образом, наибольшая абсолютная толщина отмечается у алюминия. Жёсткость, как это мы рассмотрели выше, является произведением модуля упругости материала на куб его толщины. Жёсткость алюминия, даже с учётом в три раза меньшего, чем у стали модуля упругости оказывается почти в восемь раз больше жесткости стали и почти в три раза больше жёсткости титана. Именно это обстоятельство и предопределило использование алюминиевой брони для изготовления бронекорпусов машин ЛKM, так как в стальном варианте бронекорпус из-за недостаточной жёсткости нуждается в использовании специального каркаса, а в алюминиевом исполнении не нуждается. Это в случае использования алюминия в качестве брони позволяет характеризовать алюминиевый корпус как «несущий», не требующий специального увеличения жесткости за счёт применения каркаса. При этом только за счёт отказа от каркаса переход от стального бронирования к алюминиевому способен обеспечить экономию массы бронекорпуса до 20%. Однако
представленный выигрыш массы, являясь основным, не является единственным, и
алюминиевая броня в равной со стальной бронёй массе способна уже по броневым
свойствам обеспечить дополнительный выигрыш, достигающий при определённых
условиях обстрела значений 10 и более процентов. Так, алюминиевая броня при
обстреле бронебойными пулями Б-32 калибра
Следует отметить, что с ростом калибра средства поражения отмеченный выигрыш возрастает. Следует также особо отметить высокую эффективность сплавов на алюминиевой основе (композиционирования) в сравнении с эффективностью и потенциалом сплавов на основе железа и титана. Так, эффективность роста прочности в сопоставлении «чистый металл» - «сплавы на его основе» для алюминиевых сплавов способна составить 15-20 крат, в то время как для сплавов железа (сталей) составляет – 10 крат, а для сплавов титана не способна превзойти 8 крат. Это является объяснением повышенного интереса к алюминиевым сплавам как к высокоэффективным конструкционным и динамически нагружаемым, в том числе и броневым, материалам. И, наконец, принимая во внимание высокую коррозионную стойкость, живучесть и свариваемость сплавов алюминия, мы понимаем абсолютную целесообразность их использования в качестве брони. Ещё одним немаловажным фактором эффективности использования алюминиевой брони является возможность его формообразования путём прессования — продавливания через формообразующую фильеру (разумеется, на мощных прессах с усилием прессования 12-20 тыс. тонн), из круглых слитков Ø 800 мм в горячем состоянии). Примером такого рода профилей является ребристая, верхнелобовая, надмоторная панель из сплава АЦМ, использованная на отечественных БМП-1 и БМП-2, а также профиль «борт - подкрылок», решивший серьёзную проблему защиты одного из наиболее опасных и протяжённых сварных швов боевой машины десанта – БМД-1 и БМД-2, «ниша пулемётного гнезда» этих машин и ряд других профилей. В условиях возрастающих динамических нагрузок на башенные поворотные орудийные конструкции, связанных с калибром и мощностью используемых снарядов, применение более толстой (в сравнении с традиционной стальной бронёй) и потому динамически устойчивой алюминиевой брони становится весьма актуальным. На сегодняшний день все технически развитые страны мира располагают собственными броневыми алюминиевыми сплавами или, коротко говоря, алюминиевой бронёй. Пионером использования алюминия, а точнее сплавов на основе алюминия, в качестве брони являются США, где уже в конце 50-х годов был начат выпуск бронетранспортера М113, до настоящего времени находящегося на вооружении стран НАТО. Здесь в качестве брони был использован обычный конструкционный нетермоупрочняемый сплав средней прочности — сплав 5083, по американской классификации, сплав системы Al-Mg-Mn, ближайшим аналогом которого по Российским стандартам может быть назван сплав АМг5. Сплав этот может быть отнесён к сплавам малой и средней прочности и охарактеризован как свариваемый и коррозионностойкий сплав. Вид бронетранспортёра Ml 13 представлен на рис. 2. Основные толщины БТР Ml 13 (по замерам авторов) представлены на рис. 3. Бронетранспортёр
МПЗ принят на вооружение в 1961 году. Боевой вес — Ют, вместимость с экипажем
13 человек. M113 аэротранспортабелен и десантируется
с парашютами. На базе БТР М113 разработано около 10 образцов боевых машин
различного назначения. Некоторые образцы представлены на рис. 4 и 5. На рис. 5
представлена зенитная установка «Вулкан». Установка вооружена
Рис. 2. БТР М113
Рис. 3. Основные толщины корпуса БТР M113
Рис. 4. ЗСУ «Вулкан» на базе M113
Рис. 5. БМП на базе БТР М113
На рис. 5 представлена боевая машина пехоты PIM113. Экипаж машины 2 человека, десант — 9 человек. Лобовая и бортовая части машины усилены накладными стальными деталями, часть бортовой проекции выполнена наклонной. Следующим этапом развития алюминиевого бронекорпусного производства США и, как это будет показано далее, всего мира стал переход на использование специально разработанной алюминиевой танковой брони — термоупрочняемой, высокопрочной брони системы Al-Zn-Mg, получившей обозначение по американской классификации сплав 7039. Эта броня использована для изготовления бронекорпусов боевой машины пехоты М2 «Брэдли» и лёгкого танка М551 «Генерал Шеридан» (рис. 6 и рис. 8 соответственно). Масса БМП М2 22-30 тонн, фронтальная проекция обеспечивает защиту от
23-мм снарядов на дальности
Рис. 6. БМП М2 «Брэдли»
Рис. 7. Схема бронирования БМП М2 «Брэдли»
Схема бронирования и данные по материалам и толщинам некоторых броневых деталей БМП М2 приведены на рис. 7 и в табл. 2. Лёгкий танк
М551 имеет вес 15,2 тонн, экипаж — 4 человека, основное вооружение —
В Англии работы по алюминиевому бронекорпусному производству привели к разработке лёгкого танка «Скорпион» и целого семейства машин на его базе (рис. 9). Основой создания бронекорпуса послужил термоупрочняемый сплав собственной разработки уже знакомой нам системы Al-Zn-Mg, сплав — E74S (7017). Компоновка
танка выполнена с передним расположением силового отделения. Танк «Скорпион»
был принят на вооружение в 1972 году. Лобовая проекция обеспечивает защиту от
Особого внимания заслуживает конструкция башни танка «Скорпион». Башня танка выполнена сварной (из плоских заготовок), двухпоясной, детали башни как верхнего, так и нижнего поясов сварены внахлёст по обводу от фронта к тылу. Как было сказано выше, танк «Скорпион», подобно МПЗ в США, стал основой для разработки соответствующего семейства машин. Во Франции, в свою очередь,
разработана собственная алюминиевая броня — сплав A-Z5-G (по американской
классификации сплав 7020). Из неё изготовлена боевая машина пехоты АМХ-10Р,
поступившая на вооружение французских сухопутных войск в 1973
году. Французская БМП имеет массу 14 тонн, экипаж 3
человека и десант — 8 человек. Вооружение состоит из
Завершая настоящее соотношение, хочется обратить внимание на одну из новейших концепций танкостроения, состоящей в сочетании жёсткого «несущего» корпуса и навесного «накладного» или «разнесённого» усиления, решаемого стальными или титановыми броневыми сплавами, а также металлокерамическими экранами.
Таблица 2 Данные по некоторым бронедеталям корпуса и башни БМП М2
Рис. 8. Легкий танк М551 «Генерал Шеридан»
Рис. 9. Легкий танк «Скорпион»
Рис. 10. БМП АМХ-10
Литература 1. Арцруни А.А., Купрюнин Д.Г. Алюминиевая броня для военной техники. Теория, технология, практика. — М.: РадиоСофт. 2017. |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|