Броня танка будущего – перспективы развития бронезащиты

Вступление

Почему же для перспективного танка необходимо использование защиты нового поколения? Рассмотрим перспективы вооружения танка будущего: скорость снарядов к 2015-2020 году может достичь величины в 4,5 км ./сек. (ЭМП, ЭТХП). Величина бронепробиваемости может 1000 мм ( 2000 мм под углом 0 град.). Дульная энергия, достигаемая перспективной 140 мм пушкой составляет 23 МДж и более, при эффективной энергии снаряда 14 МДж. Наряду с этим приняты на вооружение   кумулятивные боеприпасы с тандемной  боевой частью и с большим временем задержки существенно ограничивающие область целесообразного применения встроенной динамической защиты. Динамическая защита от тандемных  боеприпасов предполагает практически полную нейтрализацию действия предзаряда, что делает необходимым введение в структуру динамической защиты между ее рядами достаточно толстой броневой перегородки. Это, в свою очередь, ограничивает ее использование для защиты бортовых проекций, а при защите лобовых - требует большой массы и габаритов.

При этом к перспективным танкам выдвигаются строгие весовые ограничения (Боевой вес- 42-57* тонны), которые делают мало осуществимым обеспечение защиты исключительно при помощи стандартной встроенной динамической защиты и пассивной многослойной брони.

Предположительно современные танки при применении ДЗ могут обеспечить защиту до 1350 мм по ходу снаряда с применением ДЗ, что явно не достаточно для перспективы, дальнейший рост защиты возможен только при значительном росте плотности защитного материала, соответственно и массы танка, шасси которых исчерпали возможности по увеличению нагрузки.

Развитие бронетанковой техники будущего тесно связано с исполь­зованием новых типов брони, так как возрастает необходимость радикально увеличить защиту танков от средств поражения будущего, при этом со снижением массы самого танка. Одним из путей является дальнейшая разработка динамической защиты, которая еще имеет некоторый потенциал, а решения включают, различные варианты электродинамической и так называемой «умной» брони.

Сейчас также ведутся разработки перспективных систем активной защиты, использующие в качестве контрбоеприпаса осколочно-фугасные боевые элементы, что позволит бороться с любым кумулятивным  боеприпасом, в том числе тандемным, имеющим большое время задержки срабатывания основного заряда, а также, позволит эффективно воздействовать на оперенные БПС танковых пушек, однако решении проблемы обеспечения точного срабатывания контрбоеприпасов  по высокоскоростным снарядам является сложноосуществимой задачей. Эксперименты, проведенные в течение последних лет, показали принципиальную возможность создания активной защиты, способной защитить танки, в том числе от оперенных БПС.

Использование динамической защиты, начатое с патента, по­лученного доктором М. Хельдом** и фирмы «Мессершмитт-Бельков-Блом» в Германии в 1970 г ., и разработки ее в варианте «Блайзер» в 1974 г . фирмой «Рафаэль армамент девелопмент оторити» для применения на танках М48 и М60 с монолитной броней произвело революцию в мире защиты танков и девальвацию имевшихся тогда арсеналов кумулятивного противотанкового оружия. Дальнейшее развитие встроенной динамической защиты в СССР поставило под угрозу и кинетические боеприпасы. Сейчас сложно с точностью прогнозировать структуру бронезащиты перспективного танка, на западе ведутся работы по созданию «полностью электрического танка», в котором «электрическая» броня является органическим компонентом защиты. Уже можно утверждать, что времена обычной многослойной, брони ушли безвозвратно. Противостоять поражающим элементам современных боеприпасов за счет простого поглощения их кинетической энергии, срабатывания и торможения при имеющихся ограничениях по массе и толщине бронирования далее не представляется возможным. В любом случае им должен наноситься деструктивный и дестабилизирующий ущерб активным контрвоздействием со стороны брони. 

Разработки в области электродинамической и электротермохимическкой защиты

Рабо­та над электромагнитной защитой началась в СССР в ин­ституте гидродинамики имени Лав­рентьева в конце 1970-х годов*** и про­водилась в США в "Максвелл лабораториз" в Калифорнии и франко-германском науч­но-исследовательском институте Сент-Луис в 1980-е го­ды. Активно разработки ведутся и в наши дни.

В обычном случае, электромагнитная броня имеет две расставленные на довольно большом расстоянии пластины, одна из которых соединена с конденса­торной батареей высокого напряже­ния, а другая заземлена. Ко­гда при ударе кумулятивная струя пробивает пластины, она действует между ними как замыкатель и ини­циирует разряд электрической энер­гии, который вызывает большой им­пульс тока в ней. Это создает магнитомеханические неустойчивости в струе, что приводит к ее разрушению и резко снижает ее пробивную спо­собность.

Электромагнитная броня предназначена для защиты против сердеч­ников подкалиберных снарядов, а также против кумулятивных струй. Как и в случае с кумулятивной струёй, про­хождение через сердечники очень больших электрических токов также вызывает нестабильности флуктуирования и расширения, что может привести к разрушению подкалиберных снарядов.

Сейчас существуют несколько подходов к созданию электромагнитной защиты: Непосредственная электризация и электромагнитный пуск метательных пластин, электротермическая защита, основанная на пиролизации в плазму рабочего материала. Они делятся по принципу активации на самоактивирующиеся (непосредственная электризация, электротермическая защита) и не самоактивирующиеся, которые воздействуют на атакующий беприпас предварительно обнаружив его при помощи радара или  матрицы (Метательные пластины, «умная броня»). Существуют способы защиты, объединяющие несколько принципов.

Также существуют разработки так называемой «умной брони», которая также может использовать электроэнергию для метания боевых элементов, все это мы рассмотрим в данном материале.

Непосредственная электризация

Конструкции навесной динамической защиты основаны на принципе разрушения кумулятивной струи тонкими металлическими пластинами, расположенными под углом к кумулятивной струе и метаемыми продуктами детонации взрывчатого вещества  при взаимодействии кумулятивной струи с пробиваемой преградой под углом 60-70° от нормали к преграде и оптимальных параметрах элементов динамической защиты глубина пробития кумулятивной струей преграды может быть уменьшена на 60-80% однако при уменьшении угла подхода от нормали эффективность такой защиты резко падает.

Недостатком конструкций динамической защиты подобного типа является то, что не обеспечивается в  целом  высокий уровень противокумулятивного действия независимо от углов   подхода   кумулятивной   струи  к преграде и присутствует ВВ   значительной массы, размещаемое на поверхности объекта. Эти недостатки устраняются при использовании электродинамической защиты.

Один из вариантов конструкции защиты (с несколькими слоями боевых элементов «устройство     электродинамической защиты тандемного типа»), предложенное НИИ Специального Машиностроения и НИИ Стали содержит импульсный источник электрической энергии 1, соединенный с образованием электрической цепи с боевым элементом, размещенным перед защищаемым объектом 5, в электрическую цепь последовательно включены с помощью проводников 6 с малым сопротивлением один или несколько аналогичных дополнительных боевых элементов, размещенных между основным боевым элементом и защищаемым объектом 5. Боевые элементы выполнены в виде двух электродов 2 и 3, разделенных диэлектриком 4. Электроды основного и дополнительного боевых элементов, обращенные друг к другу, могут быть попарно объединены с образованием единого боевого элемента, с размещенными в массиве диэлектрика проводящими разделителями. В массиве диэлектрика 4 дополнительных боевых элементов могут быть образованы сквозные каналы 8, соединяющие электроды 2 и 3 и имеющие на их обращенных друг к другу сторонах заостренных выступы 9.

Другой вариант устройства электродинамической защиты (с использованием боевого элемента и метания пластины), тех же разработчиков, содержит конденсаторную батарею 1 соединенную с элементом электродинамической защиты,  выполненным в виде металлических пластин 2 и 4, разделенных диэлектриком 3, при этом между конденсаторной батареей    1    и   одной   из пластин     включен  плоский     индуктор     6, установленный   на   основной броне 5. На стороне индуктора 6, обращенной к элементу электродинамической защиты, установлена дополнительная   пластина 7,  которая  при включении индуктора 6 метается навстречу поражающему элементу.

Принцип действия

Устройство электродинамической защиты объектов работает следующим    образом. Проникающая через пластины 2 и 4 элемента электродинамической защиты кумулятивная струя замыкает цепь и посредством разрядки конденсаторной батареи 1  нарастающий ток "сбивает"  часть  кумулятивной  отдуй.  

При одновременной   протекании  тока  в  плоском индукторе возникает магнитное поле, обеспечивающее     метание пластины 7 навстречу прошедшей за элемент электродинамической защиты части кумулятивной струи. Метаемая дополнительная пластина  7  взаимодействия  с оставшейся неразрешенной частью кумулятивной струи подобно тому, как это делается в обычней динамической защите. Таким образом, решается проблема ликвидации оставшихся неразрешенными элементов   кумулятивной струи. Использование дополнительно плоского индуктора с пластиной, находящейся на его обращенной к элементу электродинамической защиты объекта стороне, приводящее к реализаций дополнительного электромеханического воздействия на кумулятивную струю*****, практически предотвращает возможность пробития элементами  кумулятивной струи защищаемого объекта.

Указанный метод в основном предназначен для защиты от кумулятивных струй. На данном этапе удалось добиться высоких уровней эффективности, чтобы оставаться ограничений массы машины, и необходимого закрываемого пространства.

Защита была реализована в объемах конденсатора меньше кубического метра и массах всей системы, включая электроды, накопление заряда и предохранительный механизм, в диапазоне, вероятно, около 2-3 т. Даже системы с такой небольшой энергетической емкостью могут (при тщательном внимании к сети и конструкции электродов)  подавать максимальные токи, приближающиеся к миллиону ампер. Действие прохождения такого тока через струю от современного ручного кумулятивного боевого средства должно дестабилизировать ее и вызывать ее радиальное рассеяние в диффузные кольца

Электромагнитная броня имеет две расставленные на довольно большом расстоянии пластины, одна из которых соединена с конденса­торной батареей высокого напряже­ния, а другая заземлена. Ко­гда при ударе кумулятивная струя пробивает пластины, она действует между ними как замыкатель и ини­циирует разряд электрической энер­гии, который вызывает большой им­пульс тока в ней. Это создает магнитомеханические неустойчивости в струе, что приводит к ее разрушению и резко снижает ее пробивную спо­собность.

БМП М2 «Брэдли» с электродинамической защитой после испытаний обстрелом

Метательные пластины (с электромагнитным пуском)

Схема воздействия метательных пластин на атакующий боеприпас кинетического действия в целом аналогична схеме воздействия встроенной динамической защиты. Отличие в том, что энергия, которая подается для приведения пластин в действие, обеспечивается системой электрической импульсной энергии, а не взрывчатыми веществами.

Схема и принцип действия одного из вариантов устройства.

1 – электромагнитная катушка, 2 – электроды, 3 – боевые элементы. 4 – конденсатор.

Кроме того, воздействие на предварительно обнаруженный датчиками атакующий боеприпас может, осуществляется не непосредственно при контакте с броней, а при его подлете, что увеличит эффективность. Запускаемые электромагнитным способом средства нанесения удара могут состоять либо из плит гомогенной брони, либо из композитной брони, либо даже из элементов динамической защиты.

Блок – схема общей структуры системы активной защиты от снарядов кинетического действия:

1 – угроза; 2 – прибор обнаружения; 3 – вычислитель; 4 - источник питания; 5 - переключатели, 6 – модули

Данный тип электромагнитной брони не яв­ляется самоактивирующимся, а тре­бует обнаружения подлетающих сна­рядов с удлиненными сердечниками или ракет на малой дальности от це­лей. Как только многодатчиковая система обнаружения "захватила" снаряд, блок управления, включаю­щий ЭВМ, замыкает переключатель, чем способствует выбросу большого тока от конденсаторной батареи к дисковой катушке пусковой системы пластин индукционного типа. Пуско­вая система метает пластину на тра­екторию подлетающего снаряда или ракеты для разрушения или, по крайней мере, отклонения первого и подрыва второй при столкновении. Исследования этого типа активной электромагнитной брони проводятся в франко-германском науч­но-исследовательском    институте Сент-Луис в середине 1980-х годов и  достигли стадии крупномасштабных экспериментов.

Перспективный вариант «активной брони» будет поражать все типы атакующих боеприпасов (17) при помощи метательных пластин (15), которые будут обнаружиться электромагнитным датчиком****** (19). Метание пластин может производиться пиротехническим или электромагнитным методом****** (16).

"Разумная" броня

Потребность в системе предупреждения и управления, привела к развитию "умной" брони ("Smart" armour), которая являлась предметом интенсивных исследований в Западных странах.

Для реализации системы «умной брони» необходимо: определение ударов, их логическая обработка, распознавание угрозы и управление соответствующими механизмами ответного удара.

Разработан ряд типов датчиков, все из которых способны обнаруживать появление полного спектра типов ударов, которые составляют угрозу современным боевым бронированным машинам. Демонстрировались группы рабочих датчиков, основанные на трех разных методах. Электрические контактные датчики использовались на основе майларской (Mylar) фольги, на которой напечатаны рисунки металлизации, разделенные на дискретные области. Использовались также оптические аналоги этой электрической фольги, включающие сетки из оптических волокон. Они функционировали путем контроля ослабления проходящего светового излучения вниз по волокну, когда оно разорвано. В третьем типе датчиков использовался поливинилидендифторид пьезоэлектрического полимера. Дискретизированные листы этого материала генерировали напряжения, когда подвергались воздействию, которые контролировались.

На рисунке показана типичная матрица датчиков.

Реализованные системы "разумной" брони способны рассчитать траекторию снаряда через схему брони, использующую местонахождение ударов на двух слоях датчиков, размещенных перед основной броней машины. Был создан логический блок, который собирает информацию от групп датчиков и выполняет необходимую обработку, чтобы определить приблизительно ожидаемое место удара. Было показано, что необходимый расчет может быть выполнен в течение нескольких микросекунд. Для сравнения средства нападения проходят это расстояние за 50 - 60 микросекундами. Следовательно, возможно было изготовить системы "разумной" брони, используя наши методы пассивного обнаружения при размещении датчиков на расстоянии не более полметра от корпуса машины.

Эти системы способны распознавать различные классы угрозы на основе их габаритов и скорости. Скорость средства нападения определяется путем измерения временной задержки между ударами на двух слоях датчиков, расстояние между которыми известно. Количество поврежденных участков на каждом слое датчиков показывает площадь поперечного сечения. Величина производимого сигнала связывается с физическими габаритами снаряда, а время нарастания  сигнала – со скоростью снаряда. Следовательно, пьезоэлектрический полимер обладает потенциальными возможностями как дискриминатор по праву. Этот материал может также  использоваться в целях безопасности и отключения  предохранительного устройства.

Блок "разумной" брони способен управлять ответной реакцией на атакующий снаряд, направленный в область системы брони, в которой испытывается этот удар. Показано, что эта ответная реакция может осуществляться в пределах времени между ударом по датчикам и достижением средством нападения основной брони.

Интенсивно исследовались электромагнитный пуск оборонительных элементов и непосредственная электризация снаряда противника. Непосредственная электризация в высшей степени эффективна против кумулятивного удара, а электромагнитный пуск оборонительных элементов или исполнительных органов в настоящее время считается особенно перспективным для защиты от снарядов кинетического действия.

Далее приводится схема работы некоторых из образцов:

Атакующий боеприпас (1) проходит через два слоя датчиков (9, 10) которые передают информацию в логический блок, который рассчитывает траекторию снаряда и определяет его тип, после чего на атакующий боеприпас осуществляется активное воздействие метанием пластины (17).

Еще одной разработкой в этой области является новая схема поражения кинетических боеприпасов предложенная доктором Манфредом Хелдом, изобретателем западной динамической защиты.

Датчики (19) определяют место попадание атакующего боеприпаса и его скорость, сигналы датчика обрабатываются контрольным блоком (21) и вычисляют траекторию боеприпаса. После чего боеприпас (18) поражается боевыми элементами (16).

Электротермическая защита

По­добно  описанной ранее электромагнитной броне, эта броня представляет собой пару металлических пластин, одна из которых соединена с конденсатор­ной батареей, а другая заземлена. Однако пластины меньше по размеру и разделены относительно тонким слоем  изоляционного  материала вместо значительного воздушного промежутка. Когда пара пластин пробивается кумулятивной струёй или снарядом кинетического дейст­вия, происходит выброс электриче­ского тока от одной пластины к дру­гой. Это вызывает взрывное расши­рение изоляционного слоя, отбрасы­вающее пластины. Электротермиче­ская броня, следовательно, является самоактивирующейся и действует против струй и сердечников во многом таким же способом, как взрывная реактивная броня.

Электротермическая защита, по сути, является электрическим способом, возбуждаемым аналога известной динамической защиты. В этой концепции две металлические пластины метаются не путем взрыва, а путем быстрого расширения рабочей жидкости, температура которой поднята за счет разряда большого импульса электрической энергии. Этот импульс требуется применять раньше прибытия подлетающего снаряда.

В компоновке, которая, в конечном счете, испытывалась, выбранной рабочей жидкостью был полиэтилен, твердый при нормальных температурах, но легко пиролизуемый в плазму под влиянием дугового разряда в много килоджоулей от высоковольтной конденсаторной батареи. При разряде проволока испаряется и передает свою энергию окружающему полиэтилену, который быстро нагревается и увеличивается в объеме, разбрасывая пластины таким же образом, как и взрывчатое вещество.

Источники энергии

Действие всех трех типов элек­трической брони будет, безусловно, зависеть от перевозимых танками конденсаторных батарей высокого напряжения, потребных для обеспе­чения необходимых количеств элек­трической энергии, которые могут быть значительными. Например, ак­тивная электромагнитная броня, ко­торая запускает пластины, довольно тяжелые, чтобы были эффективными против сердечников современных снарядов танковых пушек, должна вырабатывать около 1 МДж кинети­ческой энергии на пластину. С уче­том эффективности (КПД) в 20 % пусковой системы пластин, это тре­бует 5-МДж конденсаторной батареи. При современном уровне удельной энергии импульсных источников электропитания примерно 1МДж/м³, такой конденсатор займет 5 м³ , что равно одной третьей части внутрен­него объема танка.

Дальнейшая разработка кон­денсаторов, вероятно, увеличит их удельную энергию; оптимистичные экстраполяции (по уровню, достиг­нутому за последние годы) говорят, что она может достичь 20 МДж/м³ . Однако, даже если в дальнейшем и будут достигнуты значительные ус­пехи, электрическая броня будет осуществима и эффективна только как часть "полностью электрическо­го" танка - если или когда это станет реальностью.

Сноски

*     Оперативно-тактические требования к перспективному танку: обеспечение оперативно-тактической мобильности, в том числе авиа-транспортабельности, при возможном ограничении общего веса объектов (~ до 40 тонн) без снижения показателей по защищенности, С.А. Маев, доклад на конференции «Броня 2002».

**    Впервые изобрели ДЗ в СССР.

***   Исследования в области динамической защиты, электродинамической защиты начались в институте задолго до того, как эти признанные сегодня способы получили практическое применение – они были начаты у нас еще в 1957 году.

***** Во время нарастания тока в разрядной цепи головная часть кумулятивной струи успевает пройти межэлектродный промежуток, поэтому применяют либо несколько боевых элементов, либо дополнительное метание пластины.

******    Доплеровская РЛС непрерывного излучения с рабочим в спектром СВЧ

******* Энергия, которая подается для приведения пластин в действие, обеспечивается системой электрической импульсной энергии, а не взрывчатыми веществами. Это использование импульсной энергии предлагает в принципе ряд преимуществ по сравнению с взрывным управлением. С электромагнитным пуском связан малый эффект воздушной ударной волны или образования осколков и "отдача", возникающая как неизбежное следствие законов Ньютона, происходит в предсказуемом направлении и месте. Сопутствующие повреждения и опасность для своих войск таким образом менее трудно управляемые, этому способствует небольшое, но значимое увеличение периода выделения энергии. Способность, общая для всех возбуждаемых электрическим способом систем, выключать систему, когда она не нужна, является также приемуществом. У разработчика брони имеется также возможность использовать потенциально выгодные геометрические варианты и варианты материалов для летающих элементов, а не быть ограниченными простыми плоскими железными плитами. Например, летающие элементы, изготовленные из плотных, но хрупких материалов или со структурой открытой разработки могут использоваться для повышения уровней конечной эффективности, будучи подверженными менее разрушительным уровням силы тяготения во время пуска.

Схематическое изображение электромагнитной метательной установки

Материал подготовлен автором сайта © Andrеi

Список использованной литературы:

R.M. Ogorkiewicz Future Tank Armors   Re­vealed.

Developments in electric and explosive reactive armor. Jane's International Defense Review, 1997, May, p. 50-51

J. Brown, P.C. Endersby Electric Armour Research in the UK . All Electric Combat Vehicle (AECV).

Second International Conference, 8-th – 12-th June 1997, p. 333-343

Патент   1547528   (Великобритания). Бронеплита / Опубл. 20.06.79, N 4708, МКИ F3x Изобретения в СССР и за рубежом. Вып. 97 (МКИ F41), 1979, N 12, с. 7.

Защита танка - анахронизм или жизненная необходимость? (журнал "Военный парад", 5(53), 2002, стр. 82-84) В. А. Григорян.

Манфред Хелд. Системы активной за­щиты с cенсорными взрывателями.  Military Technology, 2001, No 10, p. 50-54

Прогнозирование основных тактико-технических характеристик танков зарубежных стран. (Алекс)

Состояние и перспективы обеспечения защищенности гусеничных и колесных бронированных машин. В.П. Соловьев, начальник отдела, к.т.н. (38 НИИИ МО РФ) доклад на конференции «Броня 2002».