НАКЛОННЫЙ БРОНЕВОЙ ЛИСТ

Заявляемая полезная модель относится к области вооружений, конкретно к броневым конструкциям подвижных и стационарных объектов, главным образом танков и вспомогательных бронированных машин.
Техническое предложение распространяется, прежде всего, на броневые конструкции несущего типа. В частности, на несущие силовые корпуса танков. При этом несущая конструкция, как правило, дополняется другими элементами бронезащиты (вне силовой основы). Наибольший интерес в этом плане представляет лобовая броня современного основного танка, представляющая собой сварную несущую конструкцию из верхнего и нижнего наклонных броневых листов, частично ограничивающих заброневое пространство, причем наружная и тыльная (со стороны заброневого пространства) поверхности каждого листа выполнены ровными, с одним и тем же углом наклона от горизонтали [А.Д. Элизов, И.М. Герасимов, В.С. Старовойтов. Компоновка танков: Учеб. пособие. - СПб.: Изд-во Политехи, унта. - С. 24, 36, рис. 6а, 11].
Известно, что наклонные броневые листы существенно повышают снарядостойкость брони. Это связано с повышенной способностью броневого листа к рикошету с увеличением угла наклона его нормали к траектории полета снаряда, а также с увеличением горизонтальной составляющей толщины броневого листа в вертикальной проекции упомянутой траектории.
Недостатками конструкции с наклонными броневыми листами являются уменьшение заброневого пространства объекта, либо нерациональное увеличение объема корпуса для сохранения существующих эргономических нормативных параметров заброневого пространства.
Известна броня танка, выбранная за прототип. [RU патент №2439469].
Наружная поверхность броневого листа выполнена ступенчатой за счет параллельных, горизонтально ориентированных выемок определенного профиля без поднутрения (то есть отклонение стенки ступени у ее верхней кромки от нормали к тыльной поверхности листа равно нулю или превышает нулевое), причем выемки выполнены с двумя прямолинейными участками, образующими ступени, при этом угол наклона ступеней, образующих наружную поверхность листа, составляет 18-22° от горизонтали и меньше угла наклона тыльной поверхности листа, отклонение стенки ступеней от вертикали составляет 0-45° в сторону от поверхностей ступени, а смежные кромки выемок объединены Улучшая снарядостойкость брони (при сохранении объема заброневого пространства), устройство-прототип, тем не менее, во-первых, оставляет резервы дальнейшего продвижения в направлении этой цели, поскольку сам факт «двухступенчатости» профиля выемки, ломаный характер ее стенки вызывает сомнения в оптимальности профиля под углом зрения рикошета, особенно при относительно малом калибре снаряда. Если плоский характер первого участка поверхности выемки вполне приемлем в условиях заданных и возможных вообще углов ее наклона (18-22°), то плоскостность второго участка - «стенки ступени», а по-сути, второй четко выраженной ступени выемки, обусловливает оговоренные выше проблемы с рикошетом. Во-вторых, такая форма выемки нетехнологична: прежде всего, своей несимметричностью. В-третьих, опять же в силу своей асимметрии, такая выемка сужает возможности актуального в наше время конструирования комбинированных бронеконструкций: при послойной укладке чередование листов-слоев и, например, керамических вкладышей-наполнителей, также приветствуется симметрия таких вот полостей-выемок, в противном случае сами вставыши, в стремлении к беззазорности композиции, станут нетехнологичными, причем последнее явление еще болезненнее технологичности самого листа. В-четвертых, совмещение смежных кромок выемок (верхней кромки очередной выемки с нижней кромкой последующей вышестоящей выемкой) делает наружную рельефную поверхность листа с острой периферией, что нежелательно с позиций обеспечения механической прочности, технологичности и эргономичности.
Броневой лист (прототип) еще недостаточно совершенен и оставляет резервы повышения тактико-технических и технологических характеристик бронированных объектов за счет дальнейшего совершенствования наклонного броневого листа.
Задачей полезной модели является дальнейшее повышение снарядо-стойкости наклонной листовой брони с одновременным сохранением существующих эргономических нормативных параметров заброневого пространства, повышение ее технологичности и расширение возможностей комбинаторики и конструирования на ее основе двух- и многослойных композитных бронеконструкций, с размещением в указанных выемках вставышей или наполнителя из неметаллических материалов. А в итоге - повышение тактико-технических, технологических и эргономических характеристик бронированных объектов (в том числе их живучесть).
Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом наклонном броневом листе, наружная поверхность которого выполнена ступенчатой за счет параллельных, горизонтально ориентированных выемок определенного профиля, в поперечном сечении ступеней, с прогрессивным углом наклона к горизонтальной плоскости в направлении тыльной поверхности листа и без поднутрения, выемки выполнены с профилем стенки в форме плавной кривой.
Технический результат достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):
- выемки могут быть выполнены с профилем стенки по радиусу, сегментным на всем своем протяжении (это в наибольшей степени содействует реализации сразу двух целевых составляющих - повышению технологичности изготовления броневого листа и встраиванию круглопрофильных элементов между такими листами при изготовлении комбинированных, составных, композитных бронеконструкций, поскольку будет обеспечен плотный контакт «вставыш-выборка листа» по всей длине стенки выборки);
- выемки могут быть выполнены с профилем стенки по радиусу, сегментным на участке от верхней ее кромки, с переходом в касательную прямую до достижения нижней точки окружности упомянутого радиуса, или заменяющую ее плавную кривую с увеличением радиуса кривизны вплоть до нижней кромки (это позволяет, сохраняя специфические преимущества первого варианта устройства, сохранить постоянную прогрессивность угла наклона профиля выемки к горизонтальной плоскости на всем его протяжении от нижней до верхней кромки);
a
a
a
- выемки могут быть выполнены с профилем стенки на всем своем протяжении от нижней до верхней ее стенки по прогрессивной степенной функции: y=kx, где y - функция (координата); k - масштабный множитель; x - аргумент (координата);  - показатель степени, больший 1 (>0); начало координат находится на нижней кромке выборки, а оси абсцисс 0X и ординат 0Y направлены, соответственно, вертикально вверх и горизонтально от наружной поверхности броневого листа к тыльной его поверхности (это также расширяет возможности оптимизации с выбором конкретных числовых значений величин, входящих в эти прикладные математические зависимости, в конкретных условиях эксплуатации);
a
a
x
- выемки могут быть выполнены с профилем стенки на всем своем протяжении от нижней до верхней ее кромки по прогрессивной показательной функции: y=-1, где y - функция (координата);  - показатель степени, больший 1; x - аргумент (координата); начало координат находится на нижней кромке выборки, а оси абсцисс 0X и ординат 0Y направлены, соответственно, вертикально вверх и горизонтально от наружной поверхности броневого листа к тыльной его поверхности (это также расширяет возможности оптимизации с выбором конкретных числовых значений величин, входящих в эти прикладные математические зависимости, в конкретных условиях эксплуатации);
z
- при предыдущей совокупности существенных признаков, выемки могут быть выполнены с профилем стенки по прогрессивной экспоненте: y=e-0,1, или, в ином принятом виде: y=expz-1, где z - рациональный показатель степени, больший 1 (z>0) (это еще больше расширяет возможности оптимизации с выбором конкретных числовых значений величин, входящих в эти прикладные математические зависимости);
- смежные кромки выемок могут быть удалены друг от друга (это упрочняет внешнюю периферию броневого листа, подобно зубьям зубчатых колес, что важно не только при механическом воздействии на броню извне, но и в процессе ее изготовления, и что наиболее актуально в отношении лобовых листов корпуса танков и др. бронированных военных машин; в большей степени соответствует эргономике).
1
1
На фиг. 1 изображен броневой лист по первому варианту конструктивного выполнения (с простейшей криволинейной формой выборок), в поперечном его сечении, где α - угол наклона листа (тыльной его поверхности); β - угол отклонения стенки выемки (ступени) у ее верхней кромки от нормали к тыльной поверхности листа; γ - угол отклонения стенки выемки (ступени) у ее нижней кромки от нормали к тыльной поверхности листа; R - радиус кругового сегмента, вписанного в профиль выемки (образующего этот профиль); H - максимальная глубина выемки (она же - высота указанного сегмента); m - расстояние между смежными кромками выемок;
2
2
на фиг. 2 изображен фрагмент поперечного сечения броневого листа по второму варианту конструктивного выполнения (с простейшей криволинейной формой выборок и скошенным начальным участком), где R - радиус кругового сегмента, вписанного в конечный участок профиля выемки (образующего профиль только этого участка); H - максимальная глубина выемки;
3
на фиг. 3 изображен фрагмент поперечного сечения броневого листа по третьему варианту конструктивного выполнения (с прогрессивной криволинейной формой выборок, отвечающей, например, показательной, в частности экспоненциальной, или степенной функциям), где H - текущая глубина выемки; X0Y - прямоугольная (Декартова) система координат с осями 0X абсцисс (координаты x) и 0Y ординат (координаты y);
на фиг. 4 - внешний вид на наклонный листа спереди;
на фиг. 5 показан пример использования листов, по второму конструктивному варианту их выполнения, в качестве слоев комбинированной (композитной) бронеконструкций;
на фиг. 6 изображена схема выбора систем координат X0Y для выемок в броневых листах при различной ориентации последних, на примере носовой части корпуса танка.
Наклонный броневой лист (фиг. 1-4) имеет наружную 1 и тыльную 2 поверхности, наклоненные, в составе броневой конструкции, под углом а к горизонту. Поверхность 2 - гладкая, а поверхность 1 - сложной формы с описанным далее макрорельефом, в связи с чем можно говорить о ее условной параллельности с поверхностью 2, имея ввиду касательную к ней наклонную плоскость (см. фиг. 1).
Поверхность 1 броневого листа выполнена ступенчатой за счет параллельных, горизонтально ориентированных выемок 3 (см. фиг. 4). Их высота, как правило, соизмерима с калибром основного применяемого противником боеприпаса (для современного противотанкового снаряда - 120 мм) или несколько превышает этот калибр.
Выемки 3 выполнены с криволинейными (то есть без изломов) стенками.
Характер указанной кривой предполагает четыре варианта, последовательно охарактеризованных далее по тексту.
Вариант первый.
1
1
1
Выемки 3 по первому варианту конструкции выполнены (см. фиг. 1) по радиусу R - сегментными, с разнесенными на величину m смежными кромками. Глубина выемки 3 (она же - высота упомянутого формообразующего сегмента) H меньше величины R.
настолько, чтобы соблюсти условие отсутствия поднутрения профиля стенки выемки 3. Иными словами, отклонение β стенки ступени-выемки 3 у ее кромки (как верхней, так и нижней) от нормали 4 к тыльной поверхности 2 равно нулю или превышает нулевое:
1
Величина m, характеризующая разнесение смежных выемок 3, значительно меньше внешнего радиуса выемки 3 (определяется прежде всего радиусом R):
1
1
Варьируя в интервале углов α наклона листа, при соблюдении условий (1), (2) и (3), возможно получение приемлемых размеров выемок - радиуса R и высоты H. Так как величина α доминирует.
Вариант второй (см. фиг. 2).
2
2
2
Выемки 3 по второму варианту конструкции выполнены (см. фиг. 2) частью аналогично предыдущему, а именно по радиусу R, также сегментными и с разнесенными на величину m смежными кромками. Глубина выемки 3 (она же - высота упомянутого формообразующего сегмента) H тоже меньше величины R:
2
2
2
Принципиальное отличие от первого варианта состоит в том, что такой характер геометрии стенки выборки 3 имеет место только на участке от верхней кромки (самая правая точка выемки 3) до нижней по уровню (см. фиг. 2) точки окружности радиуса R до. А на предыдущем участке (левом на фиг. 2) выполнен скос как дополнительная выборка материала брони, с образованием наклонной (естественно, с наклоном меньше α), прямой или кривой большего и непостоянного радиуса кривизны, чем R. Таким образом, профиль состоит из двух участков - начального (нижнего) пологого (собственно скоса) 5 и второго - 6 с монотонно возрастающей по радиусу R«крутизной». При этом никакого излома кривой нет: участки 5 и 6 стыкуются по касательной к окружности сегмента. Угол наклона первого участка к горизонту может подчиняться рекомендациям для первого участка в устройстве-прототипе - 18-22° при характерном для лобовой танковой брони угле α=30-32°.
Вариант третий (более рациональный с позиций снарядостойкости в сравнении с первыми двумя вариантами) - см. фиг. 3.
Отличие выемок 3 по третьему варианту конструкции касается только характера профиля ее стенки - он отвечает известной в математике степенной функции (полупараболе), со свойственной ей прогрессивностью угла наклона брони в пределах всей выборки 3:
где y - функция (координата по оси 0Y); k - масштабный множитель (в частности, k=1); x - аргумент (координата по оси 0X); α - показатель степени, больший 1 (α>0); начало координат находится на нижней кромке выборки 3, а оси абсцисс 0X и ординат 0Y направлены, соответственно, вертикально вверх и горизонтально от поверхности 1 к поверхности 2 (на фиг. 3 - вправо).
Вариант четвертый (более рациональный с позиций снарядостойкости в сравнении с первыми двумя вариантами и конкурирующий по отношению к третьему) - см. фиг. 3.
Профиль выемки 3 отвечает известной в математике показательной функции, со свойственной ей строго монотонным возрастанием угла наклона брони в пределах всей выборки 3:
где k - масштабный множитель (в частности, k=1); α - показатель степени, в качестве которого выбирают рациональное число, например 2 (два) или иное целое, больше 1 (α>0); начало координат находится на нижней кромке выборки 3 (в связи с чем в формуле (6) предусмотрено вычитание единицы).
Подвариант чевертого варианта (см. фиг. 3).
a
В частном случае устройства по четвертому варианту (=e), профиль выемки 3 отвечает известной в математике экспоненциальной функции (экспоненте), со свойственной ей прогрессивностью угла наклона брони в пределах всей выборки 3:
или, в ином принятом виде:
где z - показатель степени, в качестве которого выбирают рациональное число, большее 1 (z>0); начало координат по-прежнему находится на нижней кромке выборки 3 (в связи с чем в формулах (7) и (8) предусмотрено вычитание числа 0,1).
3
Варьируя в интервале углов α наклона листа, возможно получение приемлемых значений местных текущих углов наклона а значит - величин n) и высоты H. Так как величина α и в этом случае доминирует.
2
При использовании заявляемого броневого листа (на примере листа по второму конструктивному варианту) в составе композитной брони как разновидности комбинированной конструкции, последняя может быть образована, например (см. фиг. 5), как «сэндвич»: в выемки 3 укладывают вставыши (наполнитель) в виде керамических прутков или шариков 7, имеющих такой же радиус R, как у второго, во всяком случае криволинейного участка сегментных выемок 3, за счет чего беззазорно прилегают к сегментной поверхности этого участка выемки 3, и так же плотно накрывают снаружи «крышкой» - еще одним броневым листом (8), имеющим ответные выемки 9, идентичные выемкам 3. При этом, разумеется, в приложении к такой комбинированной бронеконструкций, говорить о поверхности 1 надлежит как не о «наружной», а о внутренней поверхности обоих листов-слоев. Поверхность 2 остается тыльной и для такой конструкции. При взаимно повернутых на 180° и жестко соединенных на периферии (не показано) первом и втором («крышки» 8) листах, прутки или шарики 7 оказываются не только «запертыми», но и надежно зафиксированы в пространстве.
Все описанные существенные конструктивные признаки заявляемого устройства даны в соответствующей системе координат (см. фиг. 3) на примере броневого листа, установленного с отклонением верхней точки в сторону заброневого пространства. Для листа с другим характером наклона, - с отклонением нижней точки в сторону заброневого пространства, - заявляемая совокупность признаков, включая прикладные математические зависимости, справедлива, естественно, в системе координат, симметричной относительно горизонтальной плоскости (ось ординат 0Y направлена не вверх, а вниз). Это характерно, например, в общим с прототипом примере лобовой танковой брони, состоящей их сопряженных верхнего и нижнего листов с симметричным характером наклона (см. фиг. 6).
Описанный пример конкретного варианта конструкции не исключает других возможных вариантов устройства в рамках заявляемой совокупности существенных конструктивных признаков (см. формулу изобретения).
Большая технологичность конструкции первых двух вариантов и особенно первого очевидна: выполнение цилиндрических, тем более симметричных и тем более на глубину меньше радиуса (см. соотношение (1)) выемок 3 однозначно проще и дешевле практически при любом способе их формирования (литье, штамповка, фрезерование). Третий и четвертый вариант (с его подвариантом) не имеют существенных технологических преимуществ и направлено в основном на оптимизацию противоснарядной стойкости броневого листа.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При попадании снаряда в выемку 3, последний, взаимодействуя с ее поверхностью, непрерывно и прогрессивно «наращивающую» свой угол наклона вплоть до верхней кромки, рикошетирует, неумолимо отклоняясь продольной своей осью вверх.
Единственное исключение может касаться лишь первого участка конструкции по первому варианту в определенном диапазоне геометрических соотношений (при отрицательных углах наклона переднего участка). Однако, следует учитывать и спектр эксплуатационных условий и назначение бронированного объекта. Так, при выраженной параболической траектории снаряда, при больших углах α, при обстреле из вышестоящих огневых точек (городские и горные условия) этот недостаток превращается в преимущество. При попадании же непосредственно под верхнюю кромку выборки 3 (особенно при попадании снаряда по восходящей траектории, например при стрельбе из подвалов и канализационных люков в городских условиях, вероятный местный скол материала брони будет содействовать как отклонению снаряда, так и потери им кинетической энергии, а значит - пробивной способности.
В предлагаемом устройстве, особенно втором, третьем и четвертом его вариантах (с подвариантом четвертого), в любой точке поверхности выборки, где может оказаться пятно контакта «снаряд-броня», горизонтальная составляющая толщины листа «по металлу» не только остается существенно больше толщины листа по нормали 4 (за счет угла α при условной горизонтальности конечного участка траектории снаряда), но и во всем своем диапазоне превышает горизонтальную составляющую толщины в прототипе (опять же благодаря геометрическим свойствам окружности в сравнении с ломаной линией). Текущим углом наклона наружной поверхности брони с самого начала взаимодействия «снаряд-броня» выступает гораздо меньший угол, который определяется наклоном касательной к кривой-функции y=f(x), чем угол α наклона всего листа.
Интенсивный регулярный «поворот» снаряда (рикошет) способствует более эффективному «рассеянию» кинетики снаряда по объему листа, перераспределению ударного импульса на направление вдоль броневого листа, гасит образование продольной каверны в теле брони, «размывает» ее.
Разница в работе (эффективности противодействия снаряду) третьего и последующих вариантов заключается только количественными показателями, с широчайшим спектром возможностей оптимизации защитных свойств подбором соответствующих числовых значений величин, входящих в приведенные формулы (5)-(8).
Иллюстрация расширения возможностей при использовании листов для комбинированных бронеконструкций (см. фиг. 4) с вышеприведенным комментарием в текстовом блоке «Устройство» достаточны и без описания работы такого комбинированной конструкции, как имеющей косвенное отношение в предмету данного изобретения.
Использование наклонного броневого листа позволяет повысить тактико-технические и технологические характеристики подвижных и стационарных бронированных объектов за счет дальнейшего повышения снарядо-стойкости наклонной листовой брони с одновременным сохранением существующих эргономических нормативных параметров заброневого пространства, повышения ее технологичности, эргономичности и расширения возможностей комбинаторики и конструирования на ее основе двух- и многослойных композитных бронеконструкций, с размещением в указанных выемках вставышей или наполнителя из неметаллических материалов.