Наклонная броня: принцип действия и преимущества

Введение

Тип брони

Наклонная броня — это броня, ориентированная не вертикально и не горизонтально. Такая угловая броня обычно устанавливается на танках и других бронированных боевых машинах (ББМ), а также на военно-морских судах, таких как линкоры и крейсеры. Наклон бронеплиты затрудняет пробитие противотанковым оружием, таким как бронебойные снаряды, кинетические снаряды и ракеты, если они летят по более или менее горизонтальной траектории к цели, что часто и происходит. Улучшение защиты обусловлено тремя основными эффектами. Во-первых, снаряд, поражающий плиту под углом, отличным от 90°, должен преодолеть большую толщину брони, чем при попадании под прямым углом. В последнем случае необходимо пробить только толщину плиты (нормаль к поверхности брони). Увеличение угла наклона брони повышает уровень защиты в точке удара при заданной толщине плиты за счет увеличения толщины, измеренной в горизонтальной плоскости, и угла атаки снаряда. Защита площади, а не только отдельной точки, характеризуется средней горизонтальной толщиной, которая идентична плотности площади (в данном случае относительно горизонтальной плоскости): относительной массе брони, используемой для защиты этой площади. Если горизонтальная толщина увеличивается за счет увеличения наклона при сохранении постоянной толщины плиты, для защиты определенной площади потребуется более длинная и, следовательно, более тяжелая бронеплита. Это улучшение защиты просто эквивалентно увеличению плотности площади и, соответственно, массы, и не дает преимуществ в весе. Поэтому в конструкции бронетехники два других основных эффекта наклона стали мотивом для применения наклонной брони. Один из них — более эффективное покрытие заданного объема машины броней. В целом, более округлые формы имеют меньшую площадь поверхности по отношению к объему. В бронетехнике эта поверхность должна быть покрыта тяжелой броней, поэтому более эффективная форма приводит либо к значительному снижению веса, либо к увеличению толщины брони при том же весе. Наклон брони обеспечивает лучшее приближение к идеальной округлой форме. Последний эффект заключается в отклонении, деформации и рикошете снаряда. При попадании под острым углом траектория снаряда может искривиться, заставляя его пройти через больший слой брони, либо он может полностью отскочить. Также снаряд может быть изогнут, что снижает его пробивную способность. Кумулятивные боеголовки могут не пробить броню или даже не сработать при ударе под очень большим углом. Однако эти желаемые эффекты критически зависят от конкретных материалов брони и характеристик снаряда: наклон даже может привести к лучшему пробитию. Наиболее острые углы обычно проектируются на лобовой наклонной плите, поскольку это направление корпуса наиболее вероятно будет поражено при атаке, а также потому, что в продольном направлении машины больше места для наклона.

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

Причиной повышенной защиты определенной точки при заданной нормальной толщине является увеличенная толщина линии обзора (LOS) брони, которая представляет собой толщину вдоль горизонтальной плоскости, по линии, описывающей общее направление движения встречного снаряда. Для заданной толщины бронеплиты снаряду необходимо пройти через большую толщину брони, чтобы проникнуть в машину при ее наклоне. Однако сам факт увеличения толщины LOS при наклоне плиты не является основной причиной применения наклонной брони в конструкции бронированных машин. Это связано с тем, что такое увеличение не дает выигрыша в весе. Чтобы сохранить заданную массу машины, площадьная плотность должна оставаться неизменной, а это означает, что толщина LOS также должна оставаться постоянной при увеличении угла наклона, что, в свою очередь, подразумевает уменьшение нормальной толщины. Иными словами, чтобы избежать увеличения веса машины, плиты должны становиться пропорционально тоньше при увеличении угла наклона – процесс, эквивалентный вырезанию массы. Наклонная броня обеспечивает повышенную защиту бронированных боевых машин благодаря двум основным механизмам. Наиболее важный из них основан на том, что для достижения определенного уровня защиты определенный объем должен быть окружен определенной массой брони, а наклон может уменьшить отношение площади поверхности к объему, что позволяет либо снизить относительную массу для заданного объема, либо обеспечить большую защиту при заданном весе. Если бы атака была одинаково вероятна со всех направлений, идеальной формой была бы сфера; однако, поскольку ожидается атака преимущественно с горизонтального направления, идеал становится вытянутым сфероидом. Наклон плоских плит или использование изогнутой литой брони позволяет конструкторам приблизиться к этим идеалам. По практическим соображениям этот механизм чаще всего применяется на передней части машины, где достаточно места для наклона и сосредоточена большая часть брони, исходя из предположения, что наиболее вероятна однонаправленная фронтальная атака. Простой клин, как, например, в конструкции корпуса M1 Abrams, уже является хорошим приближением, которое часто используется. Второй механизм заключается в том, что снаряды, попадающие в наклонную броню, с большей вероятностью будут отклонены, рикошетить или разрушены при ударе. Современные технологии вооружений и брони значительно снизили эффективность этого второго преимущества, которое изначально было основной причиной внедрения наклонной брони в конструкцию машин во время Второй мировой войны.

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.

Отклонение

Наклонная броня может повысить защиту за счет механизма, такого как разрушение хрупкого кинетического пробойника (KEP) или отклонение этого пробойника от нормали к поверхности, даже если сохраняется постоянная плотность площади. Эти эффекты наиболее выражены, когда снаряд имеет малый абсолютный вес и короткую длину по отношению к ширине. Бронебойные снаряды Второй мировой войны, особенно ранних лет, обладали этими характеристиками, поэтому наклонная броня в тот период была достаточно эффективной. Однако в 1960-х годах появились длинноствольные пробойники, такие как бронебойные подкалиберные снаряды со стабилизирующими оперениями, которые отличаются большой вытянутостью и высокой плотностью. При попадании такого длинного пробойника в наклонную толстую однородную броню, после первоначального проникновения в толщину брони по линии взгляда (LOS), он будет изгибаться к нормальной толщине брони, проходя путь длиной между LOS и нормальной толщинами. Кроме того, деформированный пробойник начинает действовать как снаряд значительно большего диаметра, что приводит к растяжению оставшейся брони и облегчает ее разрушение. Если эти эффекты проявляются в значительной степени – для современных пробойников это обычно происходит при углах наклона от 55° до 65° – лучшую защиту обеспечит вертикально установленная броня с той же плотностью площади. Еще одним фактором, снижающим значимость принципа наклонной брони, стало внедрение керамической брони в 1970-х годах. При одинаковой плотности площади керамическая броня наиболее эффективна при вертикальной установке, поскольку для сохранения той же плотности площади необходимо уменьшать толщину брони при наклоне, а керамика разрушается раньше из-за уменьшения ее нормальной толщины. Наклонная броня также может вызывать рикошет снарядов, но это явление гораздо сложнее и пока не полностью предсказуемо. Высокая плотность пробойника, скорость удара и отношение длины к диаметру способствуют увеличению критического угла рикошета (угол, при котором ожидается начало рикошета) для длинноствольного снаряда, однако различные формулы могут давать разные значения критического угла рикошета для одной и той же ситуации.

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.

Историческое применение

Одним из самых ранних задокументированных примеров концепции наклонной брони является рисунок боевой машины Леонардо да Винчи. Наклонная броня фактически использовалась на конфедеративных броненосцах начала XIX века, таких как CSS Virginia, и частично реализована на первом французском танке Schneider CA1 в Первой мировой войне, но первыми танками, полностью оснащенными наклонной броней, были французские SOMUA S35 и другие современные французские танки, такие как Renault R35, которые имели полностью отлитые корпуса и башни. Она также была использована с большим успехом на знаменитом советском танке Т-34 советской конструкторской группой Харьковского локомотивостроительного завода под руководством Михаила Кошкина. Это был технологический ответ на более эффективные противотанковые орудия, поступавшие на вооружение в то время. Т-34 оказал глубокое влияние на немецкую танковую конструкцию во Второй мировой войне. Конструкции довоенного или раннего периода войны, такие как Panzer IV и Tiger I, отчетливо отличаются от машин, выпущенных после 1941 года, таких как Panther, Tiger II, Hetzer, Jagdpanzer IV, Jagdpanther и Jagdtiger, которые все имели наклонную броню. Это особенно заметно, поскольку немецкая танковая броня обычно не отливалась, а состояла из сварных листов. После Второй мировой войны наклонная броня стала очень популярной, её наиболее совершенным выражением, возможно, был британский Chieftain. Однако, современные основные боевые танки используют перфорированную и композитную броню, которая стремится деформировать и абразировать бронебойный снаряд, а не отклонять его, поскольку отклонить длинный стержневой снаряд сложно. Эти танки имеют более угловатый вид. Примерами являются Leopard 2 и M1 Abrams. Исключением является израильский Merkava.