ГЛАВНАЯ НА ВООРУЖЕНИИ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ
РАЗРАБОТКИ
ОГНЕВАЯ МОЩЬ
ЗАЩИТА ПОДВИЖНОСТЬ 

ЭКСКЛЮЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ  БИБЛИОТЕКА ФОТООБЗОРЫ
 
 

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 = σl  /  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

Металл.

(сплав)

Плот­ность ρ, г/см3

Модуль упругости

Е, МПа·10-4

Предел прочности σв, МПа

Удель­

ная

упру­

гость

Е/ρЧ

Удель­

ная

проч­

ность

σв/ρ

1/ρ

Толщина

относит.

В

Еотн

Жёсткость

Р = ЕЧ

Алюминий

2,8

7,4

480

264

179

0,357

2,79

1,0

21,7

Титан

4,5

11,5

900

25,6

200

0,222

1,73

1,64

8,49

Сталь

7,8

21,0

1600

26,9

205

0,128

1,0

3,0

3,0

 

 

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. 4. ЗСУ «Вулкан» на базе M113

 

Рис. 5. БМП на базе	БТР М113

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. 6. БМП М2 «Брэдли»

 

Рис. 7. Схема бронирования 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

 

Наименование детали

Физическая толщина, мм/град.

Толщина брони (по нормали), эквивал. по массе Ст, мм/град.

Толщина брони по нормали эквивал. по стойкости Ст (против 25-мм БПС), мм/град

 

Корпус

1

Верхняя лобовая деталь

 

30/60°

38/60

2

Нижняя лобовая деталь

 

25/45

25... 32/45

3

Борт корпуса наклонный

43/54 А1

15/54

>15/54

4

Борт вертикальный с блоком

10Ст. + 120ППУ + 6Ст. + 31/0А1

27... 30/60

38/60 (при q = ± 30°)

5

Борт нижний с экраном

10Ст.+ 31/OAl

20/0

> 20/0

 

Башня

6

Лоб

45/55 Ст

45/55

45/55

7

Борт

35/30 Ст

35/30

35/30

 

Рис. 8. Легкий танк М551 «Генерал Шеридан»

Рис. 8. Легкий танк М551 «Генерал Шеридан»

 

Рис. 9. Легкий танк «Скорпион»

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.

 















 



ГЛАВНАЯ НА ВООРУЖЕНИИ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ
РАЗРАБОТКИ
ОГНЕВАЯ МОЩЬ
ЗАЩИТА ПОДВИЖНОСТЬ 

ЭКСКЛЮЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ  БИБЛИОТЕКА ФОТООБЗОРЫ