Наклонная броня — это броня, которая не ориентирована ни вертикально, ни горизонтально . Такая наклонная броня обычно устанавливается на танках и других боевых бронированных машинах (ББМ), а также на военных судах, таких как линкоры и крейсеры . Наклон броневой плиты затрудняет проникновение противотанкового оружия, такого как бронебойные снаряды , бронебойные снаряды и ракеты , если они следуют по более или менее горизонтальной траектории к своей цели, как это часто бывает. Улучшенная защита обусловлена тремя основными эффектами.
Во-первых, снаряд, поражающий пластину под углом, отличным от 90°, должен пройти через большую толщину брони, чем при попадании в ту же пластину под прямым углом. В последнем случае должна быть пробита только толщина пластины (нормаль к поверхности брони). Увеличение наклона брони улучшает, для данной толщины пластины, уровень защиты в точке удара за счет увеличения толщины, измеренной в горизонтальной плоскости , угла атаки снаряда. Защита области, а не только одной точки, указывается средней горизонтальной толщиной, которая идентична плотности площади (в данном случае относительно горизонтали): относительной массой брони , используемой для защиты этой области.
Если горизонтальная толщина увеличивается за счет увеличения наклона при сохранении постоянной толщины пластины, для защиты определенной области требуется более длинная и, следовательно, более тяжелая броневая пластина. Это улучшение защиты просто эквивалентно увеличению плотности площади и, следовательно, массы, и не может дать никакого выигрыша в весе. Поэтому в конструкции бронированных транспортных средств два других основных эффекта наклона стали мотивом для применения наклонной брони.
Одним из них является более эффективное покрытие определенного объема транспортного средства броней. В целом, более округлые формы имеют меньшую площадь поверхности относительно их объема. В бронированном транспортном средстве эта поверхность должна быть покрыта тяжелой броней, поэтому более эффективная форма приводит либо к существенному снижению веса, либо к более толстой броне при том же весе. Наклон брони приводит к лучшему приближению к идеальной округлой форме.
Конечный эффект — это отклонение, деформация и рикошет снаряда. Когда он попадает в пластину под крутым углом, его траектория может быть искривлена, заставляя его проходить через большее количество брони — или он может полностью отскочить. Также он может быть изогнут, что снижает его проникновение. Кумулятивные боеголовки могут не пробить или даже взорваться при ударе по броне под очень косым углом . Однако эти желаемые эффекты критически зависят от точных материалов брони, используемых по отношению к характеристикам снаряда, поражающего его: наклон может даже привести к лучшему проникновению.
Самые острые углы обычно проектируются на лобовой детали корпуса , поскольку именно в этом направлении корпус с наибольшей вероятностью подвергнется удару при встрече с противником, а также потому, что в продольном направлении машины имеется больше места для наклона.
Причиной повышенной защиты определенной точки при данной нормальной толщине является увеличенная толщина брони на линии прямой видимости ( LOS ), которая представляет собой толщину вдоль горизонтальной плоскости, вдоль линии, описывающей общее направление движения приближающегося снаряда. При данной толщине броневой плиты снаряд должен пройти через большую толщину брони, чтобы проникнуть в транспортное средство, когда оно наклонено.
Однако сам факт того, что толщина LOS увеличивается при наклоне пластины, не является мотивом для применения наклонной брони в конструкции бронированной машины. Причина этого в том, что это увеличение не дает никаких преимуществ в весе. Чтобы поддерживать заданную массу машины, плотность поверхности должна оставаться одинаковой, а это означает, что толщина LOS также должна оставаться постоянной, в то время как наклон увеличивается, что снова подразумевает, что нормальная толщина уменьшается. Другими словами: чтобы избежать увеличения веса машины, пластины должны пропорционально становиться тоньше, в то время как их наклон увеличивается, процесс, эквивалентный сдвигу массы.
Наклонная броня обеспечивает повышенную защиту бронированных боевых машин посредством двух основных механизмов. Самый важный основан на том факте, что для достижения определенного уровня защиты определенный объем должен быть заключен в определенную массу брони, и что наклон может уменьшить отношение поверхности к объему и, таким образом, обеспечить либо меньшую относительную массу для данного объема, либо большую защиту для данного веса. Если бы атака была одинаково вероятна со всех направлений, идеальной формой была бы сфера ; поскольку горизонтальная атака фактически ожидается, идеал становится сплющенным сфероидом . Наклон плоских пластин или изгиб литой брони позволяет конструкторам приблизиться к этим идеалам. По практическим причинам этот механизм чаще всего применяется в передней части машины, где достаточно места для наклона и большая часть брони сконцентрирована, исходя из предположения, что однонаправленная лобовая атака наиболее вероятна. Простой клин, такой как можно увидеть в конструкции корпуса M1 Abrams , уже является хорошим приближением, которое часто применяется.
Второй механизм заключается в том, что выстрелы, поражающие наклонную броню, с большей вероятностью будут отброшены, рикошетировать или раздроблены при ударе. Современные технологии вооружения и брони значительно снизили это второе преимущество, которое изначально было основным мотивом включения наклонной брони в конструкцию транспортных средств во Второй мировой войне.
Несмотря на то, что повышенная защита в точке, обеспечиваемая наклоном определенной броневой плиты с заданной нормальной толщиной, вызывающей увеличение толщины линии прямой видимости ( LOS ), не имеет значения при проектировании бронированного транспортного средства, она имеет большое значение при определении уровня защиты проектируемого транспортного средства. Толщина LOS для транспортного средства в горизонтальном положении может быть рассчитана по простой формуле, применяя правило косинуса: она равна нормальной толщине брони, деленной на косинус наклона брони от перпендикулярности к траектории снаряда (предполагается, что она находится в горизонтальной плоскости) или:
где
Например, броня, наклоненная на шестьдесят градусов назад от вертикали, представляет для снаряда, летящего горизонтально, толщину на линии прямой видимости, в два раза превышающую нормальную толщину брони, так как косинус 60° равен 1/2 . Когда значения толщины брони или эквивалентности катаной однородной брони (RHAe) для ББМ указаны без учета наклона брони, приведенная цифра обычно учитывает этот эффект наклона, тогда как когда значение указано в формате «единицы x при y градусах», влияние наклона не учитывается.
Наклонная броня может усилить защиту с помощью такого механизма, как разрушение хрупкого кинетического сердечника (KEP) или отклонение этого сердечника от нормали к поверхности, даже если плотность площади остается постоянной. Эти эффекты наиболее сильны, когда снаряд имеет низкий абсолютный вес и короткую по сравнению с его шириной. Бронебойные снаряды Второй мировой войны, особенно тех, что были в первые годы, обладали этими качествами, и поэтому наклонная броня была довольно эффективна в тот период. Однако в шестидесятые годы были введены длинностержневые сердечники, такие как бронебойные оперенные подкалиберные снаряды, снаряды, которые являются как очень удлиненными, так и очень плотными по массе. При попадании в наклонную толстую однородную пластину такой длинностержневой сердечник, из-за входящей задней части снаряда, действующей как рычаг , после первоначального проникновения в толщину LOS брони, изгибается в сторону нормальной толщины брони и выбирает путь с длиной между LOS брони и нормальной толщиной. Кроме того, деформированный пенетратор имеет тенденцию действовать как снаряд очень большого диаметра, и это растягивает оставшуюся броню, заставляя ее легче выходить из строя. Если эти последние эффекты проявляются сильно — для современных пенетраторов это обычно происходит при наклоне от 55° до 65° — лучшая защита будет обеспечена вертикально установленной броней той же плотности площади. Другим развитием, снижающим важность принципа наклонной брони, стало введение керамической брони в 1970-х годах. При любой заданной плотности площади керамическая броня также лучше всего устанавливается более вертикально, поскольку поддержание той же плотности площади требует, чтобы броня была тоньше по мере наклона, а керамика разрушается раньше из-за ее уменьшенной нормальной толщины. [1]
Наклонная броня также может вызывать рикошет снарядов , но это явление гораздо сложнее и пока не полностью предсказуемо. Высокая плотность стержней, скорость удара и отношение длины к диаметру являются факторами, которые способствуют высокому критическому углу рикошета (угол, при котором ожидается рикошет) для длинного стержневого снаряда, [2] но разные формулы могут предсказывать разные критические углы рикошета для одной и той же ситуации.
Поведение реального снаряда и броневой пластины, в которую он попадает, зависит от многих эффектов и механизмов, включая их материальную структуру и механику сплошной среды , которые очень трудно предсказать. Использование только нескольких основных принципов, следовательно, не приведет к модели, которая является хорошим описанием всего диапазона возможных результатов. Однако во многих условиях большинство из этих факторов оказывают лишь незначительное влияние, в то время как некоторые из них доминируют в уравнении. Поэтому можно создать очень упрощенную модель, дающую общее представление и понимание основных физических принципов, лежащих в основе этих аспектов конструкции наклонной брони.
Если снаряд летит очень быстро и, таким образом, находится в состоянии гиперскорости , прочность материала брони становится незначительной, поскольку энергия удара заставляет и снаряд, и броню плавиться и вести себя как жидкости , и только его плотность поверхности является важным фактором. В этом предельном случае после попадания снаряд продолжает проникать до тех пор, пока он не перестанет передавать свой импульс веществу цели. В этом идеальном случае важны только импульс, поперечное сечение поверхности, плотность и толщина линии видимости. Ситуация проникающей металлической струи, вызванной взрывом кумулятивного заряда фугасного противотанкового (HEAT) боеприпаса, образует хорошее приближение к этому идеалу. Поэтому, если угол не слишком велик, а снаряд очень плотный и быстрый, наклон оказывает незначительное влияние и не происходит соответствующего отклонения.
С другой стороны, чем легче и медленнее снаряд, тем более уместным становится наклон. Типичные бронебойные снаряды Второй мировой войны имели форму пули и имели гораздо меньшую скорость, чем кумулятивная струя. Удар не приводил к полному расплавлению снаряда и брони. В этом случае прочность материала брони становится значимым фактором. Если снаряд будет очень легким и медленным, прочность брони может даже привести к тому, что попадание приведет только к упругой деформации , и снаряд будет поражен без повреждения цели. Наклон будет означать, что снаряду придется достичь более высокой скорости, чтобы поразить броню, потому что при ударе о наклонную броню не вся кинетическая энергия передается цели, соотношение зависит от угла наклона. Снаряд в процессе упругого соударения отклоняется на угол 2 (где обозначает угол между поверхностью броневой плиты и первоначальным направлением снаряда), однако изменение направления можно условно разделить на часть замедления , когда снаряд останавливается при движении в направлении, перпендикулярном пластине (и будет двигаться вдоль пластины после отклонения на угол около ), и процесс упругого ускорения, когда снаряд ускоряется от пластины (скорость вдоль пластины считается неизменной из-за пренебрежимо малого трения). Таким образом, максимальную энергию, накопленную пластиной, можно рассчитать по фазе замедления события столкновения.
Предположив, что происходит только упругая деформация и что цель является твердой, пренебрегая трением , легко рассчитать долю энергии, поглощаемой целью при попадании в нее снаряда, который, если также пренебречь более сложными эффектами отклонения, после удара отскакивает (упругий случай) или скользит по (идеализированному неупругому случаю) броневой плите.
В этой очень простой модели доля энергии, проецируемая на цель, зависит от угла наклона:
где
Однако на практике бронебойные снаряды были достаточно мощными, чтобы задействованные силы достигли предела пластической деформации , а эластичность пластины могла аккумулировать лишь малую часть энергии. В этом случае броневая пластина поддалась бы, и большая часть энергии и силы была бы потрачена на деформацию. Таким образом, это означает, что можно предположить приблизительно половину прогиба (только вместо 2 ), и снаряд врежется в пластину, прежде чем он проскользнет вдоль, а не отскочит. Пластичное поверхностное трение также очень мало по сравнению с энергией пластической деформации и им можно пренебречь. Это означает, что приведенная выше формула в принципе верна и для случая пластической деформации, но из-за калибра, врезанного в пластину, следует учитывать больший угол поверхности.
Это не только означало бы, что энергия, переданная цели, будет использована для ее повреждения; это также означало бы, что эта энергия будет выше, поскольку эффективный угол в формуле теперь больше угла наклона брони. Значение соответствующего реального ', которое должно быть подставлено, не может быть получено из этого простого принципа и может быть определено только с помощью более сложной модели или моделирования.
С другой стороны, та же самая деформация также вызовет, в сочетании с наклоном броневой плиты, эффект, который уменьшает бронепробиваемость. Хотя отклонение в условиях пластической деформации меньше, оно, тем не менее, изменит курс снаряда с нарезкой, что снова приведет к увеличению угла между новой поверхностью брони и первоначальным направлением снаряда. Таким образом, снаряд должен пройти через большую броню и, хотя в абсолютных величинах таким образом больше энергии может быть поглощено целью, его легче победить, процесс в идеале заканчивается полным рикошетом.
Одним из самых ранних задокументированных примеров концепции наклонной брони является рисунок боевой машины Леонардо да Винчи . Наклонная броня фактически использовалась на ранних броненосцах Конфедерации девятнадцатого века , таких как CSS Virginia , и частично реализована на первом французском танке Schneider CA1 в Первую мировую войну, но первыми танками, которые были полностью оснащены наклонной броней, были французский SOMUA S35 и другие современные французские танки, такие как Renault R35 , которые имели полностью литые корпуса и башни. Она также использовалась с большим эффектом на знаменитом советском боевом танке Т-34 советской конструкторской группой Харьковского паровозостроительного завода под руководством Михаила Кошкина . Это был технологический ответ на более эффективные противотанковые орудия, принятые на вооружение в то время.
T-34 оказал глубокое влияние на конструкцию немецких танков Второй мировой войны. Довоенные или ранние конструкции, такие как Panzer IV и Tiger I, явно отличаются от машин после 1941 года, таких как Panther , Tiger II , Hetzer , Jagdpanzer IV , Jagdpanther и Jagdtiger , которые все имели наклонную броню. Это особенно очевидно, потому что броня немецких танков, как правило, не литая, а состояла из сварных пластин.
Наклонная броня стала очень модной после Второй мировой войны , ее наиболее чистым выражением, возможно, был британский Chieftain . [ требуется ссылка ] Однако, новейшие основные боевые танки используют перфорированную и композитную броню , которая пытается деформировать и истирать пенетратор, а не отклонять его, поскольку отклонение длинного стержневого пенетратора затруднительно. Эти танки имеют более блочный вид. Примерами являются Leopard 2 и M1 Abrams . Исключением является израильский Merkava .
