Бұрыштық броня және оның тиімділігі

Кіріспе

Броня түрі

Еңкейтілген броня – тік немесе көлденең бағытта орналасқан емес броня. Мұндай бұрышты броня көбінесе танктер мен басқа да броньды жауынгерлік машиналарын (БЖМ), сондай-ақ соғыс кемелері мен крейсерлер сияқты теңіз кемелерінде қолданылады. Бронялық пластинаны еңкейту, оның нысанаға көбінесе көлденең траекториямен ұшуы жиі болатын жағдайда, броньды тесуші снарядтар, кинетикалық энергиямен тебушілер және ракеталар сияқты танкке қарсы қарулармен тесілуін қиындатады. Қорғаныстың артуы үш негізгі факторға байланысты. Біріншіден, 90 градустан өзге бұрышта соққан снаряд, сол пластинаға тік бұрышта соққанға қарағанда, броняның қалыңдығынан өтуі керек. Соңғы жағдайда, пластинаның қалыңдығы ғана (броня бетіне перпендикуляр) тесілуі керек. Броняның еңістігін арттыру, берілген пластина қалыңдығы үшін, соққан жердегі қорғаныс деңгейін арттырады, өйткені көлденең жазықтықта өлшенген қалыңдық және снарядтың шабуыл бұрышы артады. Бір ғана нүкте емес, бір аумақтың қорғанысы орташа көлденең қалыңдығымен көрсетіледі, ол аумақтық тығыздыққа (осы жағдайда көлденеңге қатысты) тең: осы аумақты қорғау үшін қолданылатын броняның салыстырмалы массасы. Егер пластина қалыңдығын өзгеріссіз ұстап, еңістікті арттыру арқылы көлденең қалыңдықты арттырса, белгілі бір аумақты қорғау үшін ұзын және салмақты бронялық пластина қажет болады. Қорғаныстың жақсаруы жай ғана аумақтық тығыздық пен массаның артуымен шартталған және салмақ бойынша ешқандай артықшылық бермейді. Сондықтан, бронетранспортты құралды жобалау кезінде еңкейтілген броняны қолданудың себебі осы еңістің қос негізгі әсері болды. Олардың бірі – белгілі бір көлік көлемін бронямен тиімді қоршау. Жалпы алғанда, дөңгелек пішіндердің көлеміне қарағанда беттік ауданы кішірек болады. Бронетранспортты құралда осы беттік ауданды ауыр бронямен жабу қажет, сондықтан тиімді пішін салмақты айтарлықтай азайтуға немесе бірдей салмаққа ие болғанда қалың броняға мүмкіндік береді. Броняны еңкейту идеалды дөңгелек пішінге жақындауға көмектеседі. Соңғы әсер – снарядтың жолынан ауытқуы, деформациялануы және кері соққыға ұшырауы. Егер ол тік бұрышта соқса, оның траекториясы қисайып, оның броня арқылы өтуіне себеп болуы мүмкін, немесе ол толығымен кері соққыға ұшырауы мүмкін. Сондай-ақ, ол иіліп, оның тегілу қабілетін төмендетуі мүмкін. Пішінделген зарядты снарядтар, броняға өткір бұрышта соққанда, тесілмей немесе тіпті жарылмауы мүмкін. Алайда, бұл қажетті әсерлер қолданылатын броня материалдарының және оны соққан снарядтың сипаттамаларына тікелей байланысты: еңкейту тіпті жақсы тегілуге әкелуі мүмкін. Ең өткір бұрыштар әдетте алдыңғы глацис пластинасында жасалады, өйткені ол шабуылға ұшыраған кезде корпустың ең көп соққы алатын бағыты және көліктің бойлық бағытында еңкейтуге көбірек орын бар.

Sloped armour is armour that is oriented neither vertically nor horizontally. Such angled armour is typically mounted on tanks and other armoured fighting vehicles (AFVs), as well as naval vessels such as battleships and cruisers. Sloping an armour plate makes it more difficult to penetrate by anti tank weapons, such as armour piercing shells, kinetic energy penetrators and rockets, if they follow a more or less horizontal trajectory to their target, as is often the case. The improved protection is caused by three main effects. Firstly, a projectile hitting a plate at an angle other than 90° has to move through a greater thickness of armour, compared to hitting the same plate at a right angle. In the latter case only the plate thickness (the normal to the surface of the armour) must be pierced. Increasing the armour slope improves, for a given plate thickness, the level of protection at the point of impact by increasing the thickness measured in the horizontal plane, the angle of attack of the projectile. The protection of an area, instead of just a single point, is indicated by the average horizontal thickness, which is identical to the area density (in this case relative to the horizontal): the relative armour mass used to protect that area. If the horizontal thickness is increased by increasing the slope while keeping the plate thickness constant, a longer and thus heavier armour plate is required to protect a certain area. This improvement in protection is simply equivalent to the increase of area density and thus mass, and can offer no weight benefit. Therefore, in armoured vehicle design the two other main effects of sloping have been the motive to apply sloped armour. One of these is the more efficient envelopment of a certain vehicle volume by armour. In general, more rounded shapes have a smaller surface area relative to their volume. In an armoured vehicle that surface must be covered by heavy armour, so a more efficient shape leads to either a substantial weight reduction or a thicker armour for the same weight. Sloping the armour leads to a better approximation of the ideal rounded shape. The final effect is that of deflection, deforming and ricochet of a projectile. When it hits a plate under a steep angle, its path might be curved, causing it to move through more armour – or it might bounce off entirely. Also it can be bent, reducing its penetration. Shaped charge warheads may fail to penetrate or even detonate when striking armour at a highly oblique angle. However, these desired effects are critically dependent on the precise armour materials used in relation to the characteristics of the projectile hitting it: sloping might even lead to better penetration. The sharpest angles are usually designed on the frontal glacis plate, because it is the hull direction most likely to be hit while facing an attack, and also because there is more room to slope in the longitudinal direction of the vehicle.

Принцип

Белгілі бір нүктедегі қорғаныстың күшеюіне себеп – броняның көру сызығы (LOS) қалыңдығының артуы, яғни снарядтың қозғалыс бағытын көрсететін түзу бойындағы көлденең жазықтықтағы қалыңдық. Берілген бронь пластинасының қалыңдығы үшін, снарядтың көлік құралына енуі үшін көлбеуленген жағдайда броньдің қалыңдығы артуы керек. Бірақ, пластинаны көлбеу арқылы LOS қалыңдығының өсуі ғана бронетранспорт құралдарының дизайнында көлбеу бронь қолдануының себебі бола алмайды. Себебі, мұндай өсім салмақ бойынша ешқандай артықшылық бермейді. Көліктің берілген массасын сақтау үшін, аудандық тығыздық бірдей болуы керек, ал бұл LOS қалыңдығының да көлбеуленгенде тұрақты болуын білдіреді, яғни қалыпты қалыңдық төмендеуі керек. Басқаша айтқанда, көліктің салмағын арттырмау үшін пластиналардың қалыңдығы көлбеуленген сайын пропорционалды түрде азаюы керек, бұл процесс массаны кесумен тең. Көлбеу бронь, бронетранспорттық құралдарды қорғау үшін екі негізгі механизм арқылы тиімділік етеді. Ең маңыздысы – белгілі бір қорғаныс деңгейіне жету үшін белгілі бір көлемді белгілі бір массадағы броньмен қоршау қажеттігіне және көлбеу беттің көлемге қатынасын азайту арқылы, берілген көлем үшін бронь массасын азайтуға немесе берілген масса үшін қорғанысты арттыруға мүмкіндік береді. Егер шабуыл барлық бағыттардан бірдей болуы мүмкін болса, идеалды пішін шар болар еді; бірақ, көлденең шабуылдар күтілуде болғандықтан, идеал шар тәрізді пішінге жақындау керек. Жалпақ пластиналарды көлбеулендіру немесе құйылған броньты иіп жасау, конструкторларға осы идеалға жақындауға мүмкіндік береді. Практикалық себептерге байланысты, бұл механизм көбінесе көліктің алдыңғы бөлігінде қолданылады, онда көлбеу үшін жеткілікті орын бар және броньтың көп бөлігі шоғырланған, ал фронталдық шабуылдың бағытты болуы ең мүмкін деп есептеледі. Мысалы, M1 Abrams танкы корпусының дизайнында көрінетін қарапайым үшбұрышты пішін, осыған жақын жатқан жақсы жуықтама болып табылады. Екінші механизм – көлбеу броньқа тиген оқтардың бұрылып, сынып қалуы немесе соққыда шашырауы мүмкін. Қазіргі қару-жарақ және бронь технологиясы бұл екінші артықшылықты едәуір азайтты, бұл бастапқыда екінші дүниежүзілік соғыста көлік құралдарын жобалауда көлбеу броньты енгізудің басты себебі болды.

The cause for the increased protection of a certain point at a given normal thickness is the increased line of sight (LOS) thickness of the armour, which is the thickness along the horizontal plane, along a line describing the oncoming projectile's general direction of travel. For a given thickness of armour plate, a projectile must travel through a greater thickness of armour to penetrate into the vehicle when it is sloped. The mere fact that the LOS thickness increases by angling the plate is not however the motive for applying sloped armour in armoured vehicle design. The reason for this is that this increase offers no weight benefit. To maintain a given mass of a vehicle, the area density would have to remain equal and this implies that the LOS thickness would also have to remain constant while the slope increases, which again implies that the normal thickness decreases. In other words: to avoid increasing the weight of the vehicle, plates have to get proportionally thinner while their slope increases, a process equivalent to shearing the mass. Sloped armour provides increased protection for armoured fighting vehicles through two primary mechanisms. The most important is based on the fact that to attain a certain protection level a certain volume has to be enclosed by a certain mass of armour and that sloping may reduce the surface to volume ratio and thus allow for either a lesser relative mass for a given volume or more protection for a given weight. If attack were equally likely from all directions, the ideal form would be a sphere; because horizontal attack is in fact to be expected the ideal becomes an oblate spheroid. Angling flat plates or curving cast armour allows designers to approach these ideals. For practical reasons this mechanism is most often applied on the front of the vehicle, where there is sufficient room to slope and much of the armour is concentrated, on the assumption that unidirectional frontal attack is the most likely. A simple wedge, such as can be seen in the hull design of the M1 Abrams, is already a good approximation that is often applied. The second mechanism is that shots hitting sloped armour are more likely to be deflected, ricochet or shatter on impact. Modern weapon and armour technology has significantly reduced this second benefit which initially was the main motive sloped armour was incorporated into vehicle design in the Second World War.

Айналу

Көлбеу бронь, аймақ тығыздығы тұрақты болған кезде де, сынғыш кинетикалық энергияны өткізгіштің (КЭП) сынып қалуы немесе осы өткізгіштің бетке перпендикулярдан ауытқуы сияқты механизмдер арқылы қорғанысты арттыра алады. Бұл әсерлер снарядтың абсолютті салмағы төмен және еніне қатысты қысқа болғанда күштірек болады. Екінші дүниежүзілік соғыстың, әсіресе алғашқы жылдардағы, броньды тесуші снарядтары осы қасиеттерге ие болды, сондықтан сол кезеңде көлбеу бронь тиімді болды. Алайда, 1960-шы жылдары ұзын цилиндрлі өткізгіштер, мысалы, броньды тесуші, қанаттары бар, саботтан босатылатын снарядтар енгізілді, олар өте созылған және тығыз. Мұндай ұзын таяқшалар біртекті, жуан пластиналарға тигенде, броньдің LOS қалыңдығына бастапқы енуден кейін, броньдің нормаль қалыңдығына қарай иіліп, броньнің LOS және нормаль қалыңдықтары арасындағы қашықтықпен өтеді. Сонымен қатар, деформацияланған өткізгіш өте үлкен диаметрлі снаряд ретінде әрекет етеді, бұл қалған броньты созып, оның бұзылуын жеңілдетеді. Егер осы әсерлер күшті болса – қазіргі заманғы өткізгіштер үшін бұл әдетте 55° және 65° арасындағы бұрыштарда болады – сол аймақ тығыздығымен тік орнатылған бронь жақсырақ қорғаныс береді. Көлбеу бронь принципінің маңыздылығын азайтатын тағы бір фактор – 1970-ші жылдары керамикалық броньтың енгізілуі. Белгілі бір аймақ тығыздығында керамикалық бронь тік орнатылғанда тиімдірек, өйткені сол аймақ тығыздығын сақтау үшін бронь көлбеуге қарай жұқаруы керек, ал керамика нормаль қалыңдығының азаюына байланысты ертерек сынылады. Көлбеу бронь снарядтардың сырғуына да себеп болуы мүмкін, бірақ бұл құбылыс өте күрделі және әлі толыққанды болжау мүмкін емес. Ұзын таяқшаның тығыздығы, соққы жылдамдығы және ұзындығының диаметріне қатынасы – бұл ұзын таяқша снаряды үшін жоғары сындық бұрышқа (сырғу күтілетін бұрыш) әсер ететін факторлар, бірақ бірдей жағдай үшін әртүрлі формулалар әртүрлі сындық бұрыштарды болжауы мүмкін.

Sloping armour can increase protection by a mechanism such as shattering of a brittle kinetic energy penetrator (KEP) or a deflection of that penetrator away from the surface normal, even though the area density remains constant. These effects are strongest when the projectile has a low absolute weight and is short relative to its width. Armour piercing shells of World War II, certainly those of the early years, had these qualities and sloped armour was therefore rather efficient in that period. In the sixties however long rod penetrators, such as armour piercing fin stabilized discarding sabot rounds, were introduced, projectiles that are both very elongated and very dense in mass. Hitting a sloped thick homogeneous plates such a long rod penetrator will, after initial penetration into the armour's LOS thickness, bend toward the armour's normal thickness and take a path with a length between the armour's LOS and normal thicknesses. Also the deformed penetrator tends to act as a projectile of a very large diameter and this stretches out the remaining armour, causing it to fail more easily. If these latter effects occur strongly – for modern penetrators this is typically the case for a slope between 55° and 65° – better protection would be provided by vertically mounted armour of the same area density. Another development decreasing the importance of the principle of sloped armour has been the introduction of ceramic armour in the seventies. At any given area density, ceramic armour is also best when mounted more vertically, as maintaining the same area density requires the armour be thinned as it is sloped and the ceramic fractures earlier because of its reduced normal thickness. Sloped armour can also cause projectiles to ricochet, but this phenomenon is much more complicated and as yet not fully predictable. High rod density, impact velocity, and length to diameter ratio are factors that contribute to a high critical ricochet angle (the angle at which ricochet is expected to onset) for a long rod projectile, but different formulae may predict different critical ricochet angles for the same situation.

Тарихи қолданылуы

Леонардо да Винчидің жауынгерлік машинасының суретінде еңсерулі бронь тұжырымының ең алғашқы құжатталған мысалы бар. Көлбеу бронь XIX ғасырдағы Конфедерацияның алғашқы темір кемелерінде, мысалы CSS Virginia қолданылған, ал Бірінші дүниежүзілік соғыстағы алғашқы француз танкісі Шнайдер CA1-де ішінара жүзеге асырылған. Бірақ, ең алдымен француздық SOMUA S35 және Renault R35 сияқты басқа да заманауи француз танкілері толықтай көлбеу броньмен жабдықталған. Бұл бронь Михаил Кошкин басқарған Харьков локомотив зауытының совет танк дизайнерлік тобының әйгілі советтік Т-34 шайқас танкісінде де кеңінен қолданылды. Бұл сол кездегі жаңа, тиімді танкке қарсы қаруларға жауап ретінде жасалған технологиялық шешім болды. T-34 екінші дүниежүзілік соғыстағы неміс танктерінің дизайнына зор әсер етті. Соғысқа дейінгі немесе соғыстың басындағы Panzer IV және Tiger I сияқты конструкциялар 1941 жылдан кейінгі Panther, Tiger II, Hetzer, Jagdpanzer IV, Jagdpanther және Jagdtiger сияқты көліктерден айқын ерекшеленеді, олардың барлығы көлбеу броньмен жабдықталған. Бұл әсіресе неміс танктерінің броньдары көбінесе құйма емес, дәнекерленген пластиналардан тұратындығына байланысты айқын байқалады. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін көлбеу бронь өте танымал болды, оның ең таза түрі, бәлкім, британдық Chieftain танкісінде көрінді. Дегенмен, қазіргі заманғы негізгі шайқас танкілері перфорацияланған және композиттік броньты қолданады, ол ұзын таяқша тәрізді снарядтарды бұрудың қиындығын ескере отырып, оларды бұрудың орнына деформациялауға және тозуға тырысады. Бұл танкілер көбінесе тікбұрышты пішінге ие. Мысалы, Leopard 2 және M1 Abrams. Израильдің Merkava танкісі бұл ереженің ерекшелігі болып табылады.