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^{- 1 М Т-2}, [Е] = 1 Па. Аналогичны размерности единиц давления и напряжения.

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 7,62 мм обеспечивает заметный выигрыш массы при стрельбе в вертикально установленную броню («по нормали») и под большими (более 50°) углами.

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 20 мм шестиствольной автоматической пушкой M168 для стрельбы одиночными выстрелами и очередями. Боевой вес установки 11,2 т, экипаж 4 чело­века. Толщина брони от 31 до 43 мм .

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 300 м , бортовая и кормовая проекции — от 14,5 мм пуль на той же дально­сти, крыша — от осколков 155 мм снарядов на удалении 10 метров от места взрыва.

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 — 152 мм орудие, пусковая установка для ПТУР, спаренный с пушкой пулемёт М73 калибром 7,62 мм и зенитный пулемёт калибром 12,7 мм . По основным размерам и деталям двигатель танка унифицирован с двигателем БТР M113.

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 14,5 мм бронебойных пуль с дальности 200 метров , борта и корма от 7.62 мм пуль с любых дальностей, а также от осколков 105 мм снарядов на удалении 30 метров . Вооружение — 76,2 мм пушка облегчённого типа и спаренный с пушкой пулемёт калибра 7,62 мм . Боевой вес — 7,94 т, экипаж — 3 человека.

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 20 мм пушки и спаренного с ней пулемёта калибра 7,62 мм . Вид машины представлен на рис. 10.

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.