Керамика пробивает броню? С виду это неожиданно, но лишь на первый взгляд. Керамические бронебойные сердечники давно и надежно работают, прошли долгий путь эволюции и продолжают развиваться. Действие керамики в броне эффективно и интересно. Naked Science расскажет о «броневой керамике» подробнее.
Выстрел! Из орудия вылетел и помчался вперед бронебойный снаряд. Быстро приблизившись к цели с бронекорпусом, снаряд ударил в него всей сокрушающей силой. Нос снаряда начал сминаться о броню, расползаясь в стороны. Обтекаемый в полете железный корпус плющится в ком, не в силах пробить броню. Но внутри кома движется небольшой заостренный сердечник. Он проходит насквозь стальную лепешку, упирается в броню носом и начинает погружаться в преграду.
Нос сердечника пронзает новые слои брони, конус и округлые плечи раздвигают их. Усилием сердечник взрезает броню, углубляясь всё глубже, погружаясь в нее полностью. Движение продолжается: он достигает внутренней поверхности броневого листа, вспучивает и рвет её. Запасом энергии сердечник выходит из брони с остаточной скоростью, методично поражая всё на своём пути за броней, многократно изменяя направление движения внутренними рикошетами.
Какую силу дает сердечнику пробить броню? Неисчислимую энергию движения. К тому же большая плотность, твердость и прочность. Эти четыре фактора обеспечивают проникновение сердечника, его бронебойность. Эффективное сочетание их не так просто найти. Исключение этого правила разрабатывают в нескольких направлениях: в соединениях химических элементов, в технологиях, в бронебойных процессах.
Терминальная баллистика
Баллистика, многообразная и широкая в своих проявлениях, разделяется на несколько областей: внешнюю, внутреннюю, орбитальную. Наука, изучающая работу пули (в более широком смысле — ударного тела: осколка, стержня, метеорного тела) в преграде, называется терминальной баллистикой. Это динамика тела в материале мишени: картина силового взаимодействия и все ей присущие процессы и явления.
Терминальная баллистика, как и другие области баллистики, очень обширна и делится на направления. К ним относятся бесчисленные вариации раскрытия и фрагментации экспансивных пуль, начиная от исторических «дум-дум» до сложных современных пистолетных; особенности раневого канала и возникающих пульсирующих полостей. Также сюда входят вопросы неустойчивости движения пуль в преграде с смещенным центром тяжести или косой ложкообразной выемкой в носике. И, наконец, отстрел пуль на экспертизу с уменьшением заряда пороха, чтобы пуля не разрушилась в плотной массе желтых кевларовых веревок пулеуловителя и сохранила идентифицирующие признаки ствола.
Динамика пули в воде востребована в разных областях: от подводных пистолетов и автоматов до двухсредних стрелковых систем с их специальными пулями. Важна она и для корабельных артсистем, поражающих торпеды крупнокалиберными пулями на глубине нескольких метров.
Есть и геологическая отрасль терминальной баллистики, изучающая удары астероидов в земную кору, а также характерные геологические структуры, оставшиеся после таких событий. Также интерес представляют микрометеорные повреждения космических аппаратов, движение бетонобойных бомб в бетонных плитах или гранитном массиве и много других направлений.
Вопросам пробивания брони посвящена терминальная баллистика, которая делится на варианты действия. Например, существуют тупые и острые бронебойные сердечники. Тупые вырывают из брони округлую пробку, как штампом ударяя куском броневого материала. Острые пробивают броню носиком и раздвигают ее плечами носового конуса. Какой способ эффективнее? Не существует единого ответа; разные ситуации требуют разных решений. Сейчас мы пройдемся по этим направлениям терминальной баллистики.
Изображение пробития брони и действия после проникания (ради чего и перфорируют броню) обычно сложнее простых схем. Пробить броню ещё не вся задача; преград иногда несколько, а сердечник в процессе работы превращается в поток поражающих элементов со своими углами разлета и разделяемых по бронебойности. Для поражения цели важны именно эти заброневые фрагменты сердечника.
Во время испытаний бронебойного снаряда «Надежда» (с сердечником из керамики в хвостовой части) целью служила броневая плита под углом 60 градусов. За ней на расстоянии метра находились два листа алюминия: первый — толщиной шесть миллиметров, второй — 24 миллиметра. Испытания проводились при специально подобранных условиях. «Надежда» образовала три сотни мелких осколков, пробив тонкий лист из шести миллиметров с углом разлета 120 градусов. Кроме того, 37 крупных осколков с разлетом 32 градуса проникли в 30-миллиметровый лист алюминия.
Как пробивалась сталь
Бронебойное действие возможно и без проникающего действия. Так работала пуля польского противотанкового ружья Марошека, созданного к 1935 году для поражения легкой и средней бронетехники с преобладавшей на ней легкой броней 15-20 миллиметров. Необычно длинный патрон похож на карандаш и вмещал большое количество пороха. Пуля имела стандартный немецкий винтовочный калибр 7,92 миллиметра, состояла лишь из мягкой стальной рубашки и свинцового заполнения. Ее выстреливало с огромной скоростью почти 1,3 километра в секунду. При ударе в броню пуля плющилась, отдавая свою энергию месту удара. Участок брони диаметром в пару сантиметров не выдерживал приложенной нагрузки и проламывался внутрь. Выбиваясь из броневого листа, будто ударом тупого штампа, пуля поражала экипаж и оборудование за броней полученной энергией. Для нетолстой легкой брони такой способ неплохо работал, винтовка стояла на вооружении четырех стран и использовалась в боях Второй мировой войны.
Для пробития толстой брони требуется большая плотность энергии, которую обеспечивают скорость и форма заостренного сердечника. Тупой сердечник для штампового вырубания такой брони должен быть большого размера, по диаметру приблизительно равного толщине брони.
Это увеличивает массу противотанковой артсистемы и рассеивает энергию и силу по периметру круглой броневой вырубки. Заостренный же сердечник направляет энергию (в кинетической форме) к броне, а острие концентрирует силовую нагрузку в точке, повышая напряженность материала брони.
С превышением прочности на разрыв разрушаются связи кристаллической решетки. Острие сердечника расщепляет эти связи, подобно замку-«молнии». Двигаясь в броне, острый сердечник может пройти в ней путь, превосходящий его диаметр в несколько раз или даже в порядке величины.
Свойства и качества, или Что нужно входящему
Броня раздвигается по бокам от выступа, образуя канал для прохода сердечника. Такое расхождение возможно благодаря крепким плечам сердечника, которые удерживают свою форму под силой броневой стали и входят в неё без деформации.
Твердость — это способность предмета из одного материала проникнуть в другой. В этом противостоят две кристаллические решетки: материала, который проникает, и испытуемого.
Какая решетка сломается раньше и сильнее? Что окажется прочнее? Именно это определяет насколько глубоко предмет погрузится в материал. Глубину погружения маленьких твердых шариков и конусов в образец измеряют для определения твердости материала. твердость по Бринеллю и Роквеллу.
Чем больше плотность, тем выше концентрация энергии в месте удара боеприпаса. Из-за высокой плотности свинец долго использовался для изготовления снарядов: от римских пуль для пращей до пули для огнестрельного оружия. Свинцовая пуля способна пробить броневую сталь. Плотность стали примерно 7,8 грамма на кубический сантиметр, а у свинца — 11,3 грамма на кубический сантиметр. Существуют вещества плотнее свинца, но изготовление массовых изделий из них слишком дорогое.
По плотности и твердости мог бы подойти вольфрам. Его плотность — 19,25 грамма на кубический сантиметр, в 1,7 раза больше, чем у свинца. Но вольфрам дорогой. Что можно взять еще? Карбид WC, соединение вольфрама с углеродом, тоже твердый и плотный — 15,8 грамма на кубический сантиметр. Легче вольфрама, но все равно плотнее свинца на 40 процентов. Подходящая плотность для сердечника. И твердость карбида высокая, в полтора раза выше броневых сталей. Сочетание плотности и твердости вполне бронебойное, годное для сердечника. Если у этого материала будет еще и прочность.
Путь керамики
Керамика — это материал, образованный спеканием мелкодисперсных неорганических компонентов. Это не плавление металла или льда. При спекании частицы смеси, все или некоторые, размягчаются температурой до липкости и склеивают между собой другие частицы. После остывания и возвращения «клею» твердости получаются композитные материалы с широким диапазоном свойств.
Первой освоенной человеком была минеральная керамика. Из глины, песка и других добавок делали сосуды. При обжиге минеральные компоненты размягчались и слипались, после охлаждения оставаясь в прочном соединении. Позже стали обжигать кирпичи. Изобрели фаянс и фарфор. Минеральная керамика при всей своей прочности — довольно хрупкий материал. Прочен ли глиняный горшок? Для обычных рабочих нагрузок — да! Глиняный горшок выдерживает наполнения, варки, чистки, переноски. Но если падает на землю, то разбивается.
Можно изготавливать карбиды металлов совместно. Но если песчинки и частички глины в минеральной керамике размягчаются до степени слипания, то карбид — тугоплавкий. Его частицы не размягчатся и при 2500 градусах Цельсия. Их можно склеить специальным агентом — тонким слоем металлов, обладающих после затвердения высокой адгезией. Образуется псевдосплав. Это не настоящий сплав, так как частицы карбида остаются твердыми. Возникает керамический композитный материал из карбидных частиц, спаянных металлом по всему объему образца. Это придает материалу высокую прочность. Основную нагрузку принимает кристаллическая решетка зерен карбида. Металлическая матрица, охватывающая зерна тонкой прослойкой, распределяет и выравнивает напряжения. Псевдосплав обретает вязкость, чтобы не разрушаться при нагружении. Получается металлокерамика — керамическая основа с несколькими процентами металлического связующего компонента.
Борьба за целостность
Металлокерамика хоть и прочная, но всё же хрупкая, как и смола. В разных нагрузках может вести себя как хрупко, так и вязко. При ударе сердечника о сердечник его заостренный носик отколется. Более того, парадоксальным образом сколы могут возникнуть и без нагрузки — даже наоборот, при снятии её. Если сердечник десятилетиями был крепко обжат металлической рубашкой пули, то при извлечении его может появиться самопроизвольный скол от снятия длительного напряжения через несколько часов или дней. Острый носик сердечника исчезнет, а на его месте появится косой раковинообразный скол ровной эллиптической формы.
Необычный парадокс: как же носик не пробивает броню? Это объясняется особенностью удара сердечника. Вначале передняя мягкая часть снаряда, воздействуя на броню, сжимается под высоким давлением.
Обжатие носика смятым корпусом не позволяет отделяться отщепам. Их удерживает прилегающий металл и давление деформации.
В момент встречи с броней сердечник готов к прорезанию — носик сжат нагрузкой металла, сдавливающего его со всех сторон. Возникновение отщепов невозможно из-за отсутствия места для отделения; острие сердечника остается целым и режет броню.
Большой угол конуса острия (более 90 градусов) способствует тому, что давление брони по нормали к поверхности сердечника возрастает при тупом угле острия. Это увеличивает перпендикулярную прижимающую силу, которая препятствует отщеплению материала сердечника. Конус носика переходит в покатые плечи, также обжатые сдвинутым металлом брони, что защищает их от растрескивания. Благодаря этому металл корпуса снаряда и большой угол его острия не позволяют проявиться хрупкости сердечника.
Практические воплощения
Подкалиберными считаются все пули и снаряды с внутренним твердым сердечником. В России в 1916 году штабс-капитан Кутовой первым применил стальной сердечник в «щитобойной пуле» патрона к винтовке Мосина, которая поступила на вооружение. В 1918 году Пауль Маузер для поражения появившейся бронетехники использовал твердый стальной сердечник в 13-миллиметровой пуле своей первой в мире противотанковой винтовки М1918. Поиск лучшего материала для бронебойного сердечника активно велся. В 1923 году в Германии компания Osram получила первый псевдосплав карбида вольфрама и кобальта. В 1926 году Krupp начал его серийный выпуск. Смесь порошка WC с кобальтом и техническими добавками раскалялась и прессовалась в графитовых формах. Металл составлял от трех до шести процентов. В СССР в 1929 году был запатентован псевдосплав победит из 90 процентов карбида вольфрама и 10 процентов кобальта. Позже для удешевления производства использовали никель и железо.
Горячий пресс необходим для сближения зерен карбида при расплавлении металла, закрывая пустоты и образуя тончайшие капилляры. Металл будет распространяться по капиллярам, увеличивая свое проникновение между зернами карбида и повышая поверхность прилипания к карбиду. Это приведет к повышению гомогенности материала сердечника, что существенно изменит его свойства. Возникновение вязкости значительно повысит прочность сердечника и его способность выдерживать нагрузки. После того как материал сердечника превзойдет допустимые нагрузки броневой стали, он готов для использования в бронебойном действии.
Во время Второй мировой войны Германия применяла карбид-вольфрамовые сердечники в различных видах оружия. В винтовочном калибре использовалась пуля SmKH с металлокерамическим сердечником диаметром 6 миллиметров. Трассирующая бронебойная пуля SmKH-Rs-L’spur для противотанкового ружья PzB38 (Panzerbüchse 1938) к оружию калибра 7,9 мм имела такой же сердечник с выемкой на донце, где был запрессован хлорацетофенон — слезоточивое вещество «Черемуха». При пробитии бронекорпуса и попадании внутрь раскаленный сердечник испарил бы слезоточивый состав, вызывая дополнительное поражающее действие на экипаж. Патрон для PzB38 использовал стандартный немецкий калибр 7,9 мм, установленный еще Паулем Маузером, как и противотанковое ружье Марошека. Гильза имела большую длину, напоминав миниатюрную пороховую бочку с узким горлышком для пули.
В артиллерийских калибрах применялись различные сердечники. Немецкое противотанковое ружье PzB41 с коническим стволом (начальный калибр 28 миллиметров, дульный 20 миллиметров) ускоряло снаряд, сжимая стальные юбки-обтюраторы при прохождении ствола. Бронебойный снаряд имел керамический сердечник размером с мизинец первоклассника. Более крупные противотанковые калибры содержали керамические сердечники покрупнее, размером с палец взрослого человека, диаметром в пару сантиметров и массой 300 граммов. Подкалиберный 88-миллиметровый снаряд «Тигра» к пушке KwK36 содержал большой сердечник диаметром четыре сантиметра и длиной 14 сантиметров, весивший более двух килограммов.
Керамические сердечники применялись в Советском Союзе, например, в пуле БС-40 для винтовочного патрона Мосина. Такая конструкция использовалась и в крупнокалиберных пулеметных патронах 12,7 х 108 и 14,5 х 115 к ПТР (в таком обозначении первого числа — калибр ствола в миллиметрах, второго — длина гильзы). Карбид вольфрама применялся также в противотанковой артиллерии. После Второй мировой войны керамические сердечники достигли максимальных размеров и массы. Сердечник советского бронебойного 100-миллиметрового снаряда 3БМ8 диаметром пять сантиметров весил почти три килограмма.
Достоинство малого размера
Развитие кумулятивных боеприпасов выдвинуло бронебойную керамику из крупных калибров. Встречные силы с ростом толщины брони и калибра снаряда лидирует у кумулятивного канала. А в малых формах и калибрах, наоборот, плохо действуют кумулятивные средства. С уменьшением размеров взрывчатого заряда до сантиметра и даже нескольких миллиметров характер его взрыва становится все более сферическим, а затем и вовсе неустойчивым с дальнейшей потерей взрывоспособности. Поэтому керамические формы бронебойности развиваются сегодня в небольших калибрах и диаметрах.
В российской армии применяются пули автоматного 5,45-миллиметрового патрона 7Н24 с карбидным сердечником диаметром три миллиметра и длиной пять миллиметров. Носик не заострен, а плоская площадка действует как штамп, вырубая отверстие в броне кромками — концентраторами напряжений. Патроны 12,7 х 108 к крупнокалиберным пулеметам используют пулю 12,7 БС с длинным керамическим сердечником. В патронах 12,7 х 55 СЦ-130ВПС к малошумной крупнокалиберной снайперской винтовке «Выхлоп» также применяется эта пуля. Она имеет два бронебойных сердечника, расположенных тандемно, один за другим, и отличающихся по материалу. Передний сердечник торчит из носа пули в открытом виде и сделан из керамики.
Носик этого сердечника открыт. Как и керамический носик длинной стальной пули от патрона ПФАМ «Фаланга» к специальному бесшумному карабину-гранатомету«изделие ДМ», или «Буря», созданному в начале 1960-х для поражения баллистических ракет средней дальности «Першинг» на их стартовых позициях. Как работает такая конструкция? Работа без ударного разрушения обеспечивается низкой скоростью пули (обе дозвуковые) в сочетании с очень «тупым» острием, наверное самым «тупым» из всех керамических заострений. Чем тупее угол острия, тем больше прижимающая сила материала и ниже вероятность сколов. Можно отметить, что ранние варианты этого сердечника были более острыми. Но опытная эксплуатация патрона показала необходимость увеличения затупления, в итоге повысившего бронебойные свойства сердечника.
В узких танковых подкалиберных стальных «ломах» БОПСов – бронебойных оперенных подкалиберных снарядов – размещаются много карбидных сердечников. Сердечники массой 200-300 граммов располагаются в передней или задней части «лома», иногда по два. Дульная скорость БОПСов приближается к двум километрам в секунду, обеспечивая высокую скорость удара по броне и большую проникающую способность сердечников.
Бронебойная керамика применяют в артиллерийских и стрелковых калибрах армий стран НАТО. В мощном винтовочном патроне 338 Lapua финского разработчика боеприпасов Lapua OU бронебойной версии пуля имеет сердечник из карбида вольфрама. Керамический сердечник также используют в пулях основного стрелкового калибра НАТО 7,62 х 51.
Не попали в лигу чемпионов
Керамические сердечники — не предел развития бронебойных материалов. Больше подходит псевдосплав с металлическим вольфрамом, из которого изготовлено немало изделий. Например, сердечник экспериментального российского патрона «Кернер» состоит из сплава ВНЖ: вольфрам, никель, железо. Вольфрама в нём 93–98% (в зависимости от сорта), остальное — связующие железо и никель. Этот сплав не хрупкий, как керамика; на сердечниках из ВНЖ, прошедших преграду, иногда видны пластические деформации от удара. Более того, он немного плотнее керамики. Сердечники из металлического вольфрама (порошкового псевдосплава) применяются и в винтовочных калибрах, и в пулях крупнокалиберных пулеметов, и в артиллерийских калибрах до 30 миллиметров.
Чисто металлические ядра из тяжёлых сплавов стоят значительно дороже, что ограничивает их использование. Металлический уран имеет свои преимущества: высокая плотность, самозаточка в броне и пирофорность осколков заброневой полосы, автоматически делающая патроны с сердечниками из урана бронебойно-зажигательными, без добавления зажигательного состава. Вместе с тем у урана есть минусы, не позволяющие его широко применять. По сравнению с керамическими ядрами металлы типа вольфрама и урана используются в разы реже.
Что касается самых ценных металлов, то участники лиги чемпионов не совпадают своими свойствами. Самый твердый — алмаз: легкий (3,5 грамма на кубический сантиметр), но хрупкий. Самый плотный — осмий (22,6 грамма на кубический сантиметр): всем хорош, но дорог. Один грамм стоит много десятков тысяч долларов США, что делает его вторым самым дорогим металлом после калифорния. Задача конструкторов не в задействовании чемпионов и их рекордов. Поиск эффективно работающих сочетаний — более симфоническая задача, охватывающая не только материалы, но и процессы.
Процессы и границы
Пули для стрельбы под водой, калибра 4,5 миллиметра и 5,66 миллиметра, — это стальные дротики с слабым коническим заострением. Однако острие не сходится в одной точке: носик пули — перпендикулярная главной оси пули маленькая плоская площадка. Она разгоняет воду радиально, в стороны. И делает это с такой силой и скоростью, что вода рвется. В ее толще возникает вытянутая полость, кавитационный пузырь, охватывающий пулю вместо воды, как люля-кебаб — шампур. Сопротивление движению резко снижается, а схлопывание пузыря на хвостовой части пули еще и хорошо стабилизирует ее.
Радиальный разлет брони от расталкивающего носика сердечника может давать свои эффекты с ростом скорости процесса. Разгоняемая к краям сердечника броня начинает разлетаться с большой скоростью и впечатывается в окружающие слои, меньше сдавливая сердечник с боков. Пусть лишь на мгновение, с дальнейшим возвратом давления, с колебательным процессом. Если правильно задать и «поймать» эту волну разлета брони вокруг острия, сопротивление движению сердечника можно снизить. Здесь нужно найти работающее сочетание свойств брони, формы острия и скорости. С ее увеличением эффекты будут расти нелинейно, как растет энергия — и потому проявляться в очень высокоскоростной области. Но… кратковременно.
С определенных скоростей взаимодействие с броней существенно меняется. Приложенная в точку удара энергия разрывает кристаллические связи брони не только в месте острия, но и во всей области вокруг передней части сердечника. Массовое разрушение связей кристаллической решетки вещества брони означает ее фактическое разжижение, то есть взаимодействие становится все более гидродинамическим (не исключая материал сердечника, чьи пределы прочности перешагиваются). На скоростях выше двух километров в секунду понятие «прочность» теряет смысл, исчезая в гидродинамике трех километров в секунду (при такой скорости удар любого тела выделяет энергию уже чуть больше, чем взрыв тротила той же массы). Взаимодействие с преградой все больше усложняется, добавляя в гидродинамику волновые эффекты.
Применение кинетических ударов выходит за пределы этого диапазона, но уже не для пробивания брони. Взаимодействие формируется из чрезвычайно быстрого сближения цели и ударного тела. Это боевые части высотных и заатмосферных ракет-перехватчиков, которые прямым попаданием сбивают цель с баллистическим уровнем скоростей пять-семь километров в секунду и больше. Эти объекты развивают высокую скорость и применяют физический удар для прямого поражения цели. Но особых свойств от ударного материала здесь уже не требуется — ни твердости, ни прочности, ни плотности, была бы просто хорошая масса.
Бронебойная керамика сохраняет своё место в современном наземном вооружении, постоянно совершенствуясь. Основные российские калибры стрелкового оружия предлагают варианты снаряжения с пулями керамическим сердечником — 5,45, 7,62, 12,7 и 14,5 миллиметра. Новые калибры также предусматривают применение таких пуль. Аналогичная тенденция наблюдается в зарубежном стрелковом вооружении. Размеры, форма, масса, технологические особенности постоянно меняются и испытываются конструкторами. Путь бронебойной керамики продолжается.