1. Historia czołgów pod kątem rozwoju pancerza

Czołg (w obecnym rozumieniu) to pancerny, gąsienicowy pojazd bojowy, uzbrojony w działo i karabin maszynowy umieszczone w obrotowej wieży. Korpus czołgu wykonany jest z pancernych płyt o zróżnicowanej grubości. Czołg jest zasadniczym środkiem prowadzenia walki lądowej, zwłaszcza natarcia. Niektóre czołgi z okresu I wojny światowej nie posiadały wieży, dlatego za pierwszy prawdziwy czołg uważa się francuski Renault FT-17 [1].

Rys. 1. Poszczególne elementy budowy typowego czołgu: 1 - napęd gąsienicowy, 2 - armata czołgowa, 3 - osłony gąsienic, 4 - wyrzutnie granatów dymnych, 5 - przeciwlotniczy wielkokalibrowy karabin maszynowy, 6 - przedział silnikowy, 7 - wieżyczka dowódcy, 8 - czołgowy karabin maszynowy, 9 - pochylony pancerz przedni, 10 - burtowy karabin maszynowy (nie stosowany po II wojnie światowej) [1].

Pierwszy opis konstrukcji spełniającej funkcje czołgu można odnaleźć już w notatnikach Leonarda da Vinci pochodzących z XV wieku. Maszyna ta miotała małymi kamieniami i napędzana była siłą mięśni poprzez mechanizm wałów korbowych. Wykonywała ona ruch obrotowy wokół własnej osi oraz ruch postępowy. Na potrzeby filmu dokumentalnego wyprodukowanego przez BBC, opierając się na projekcie włoskiego konstruktora zbudowano tę maszynę. Okazało się, że w zapiskach da Vinciego ukryty był błąd, który uniemożliwiał poprawne działanie mechanizmu napędu. Uważa się, że da Vinci wprowadził ten błąd celowo, aby zapobiec wykorzystaniu tego projektu przez ludzi nieuprawnionych [3].

Rys. 2. Konstrukcja czołgu Leonardo da Vinci: A - ilustracja pochodząca z notatek z 1484 roku,

B - model zbudowany na potrzeby filmu dokumentalnego BBC.

Czołg jako pierwsi w warunkach bojowych wykorzystali Anglicy w 1915 roku podczas I wojny światowej w bitwie nad Sommą. Angielska nazwa Tank, oznaczająca dosłownie zbiornik, używana do dzisiaj, była określeniem kodowym wprowadzonym w celu zmylenia wywiadu niemieckiego.

Rys. 3. A - brytyjski czołg Mark I,

B - nieuzbrojony prototyp czołgu Mark I - Little Wille

Mark I, czyli pierwszy brytyjski czołg powstał przez połączenie samochodu pancernego i ciągnika gąsienicowego. Rozwijał on od 5 do 6 km/h w warunkach bojowych i był bardzo uciążliwy w użytkowaniu. Siedmioosobowa załoga czołgu narażona była na wysoką temperaturę oraz hałas spowodowane pracą 105 konnego silnika firmy Daimler, który nie był w żaden sposób odizolowany. Dodatkowo po każdym wystrzale jednej z dwóch armat kalibru 57 mm (istniała także tzw. wersja żeńska czołgu Mark I wyposażona w 5 karabinów maszynowych) wnętrze czołgu wypełniał gryząc dym. Cała konstrukcja nie posiadała amortyzowanego zawieszenia, więc każda nierówność terenu była odczuwalna przez załogę. Pomimo tych niegodności Mark I i kolejne jego wersje sprawdził się w warunkach bojowych. Wprowadzenie czołgów zrewolucjonizowało teatr działań wojennych kończąc erę tzw. wojny pozycyjnej (okopowej).

Skuteczność pancerzy czołgów z I wojny światowej polegała głównie na zwiększaniu grubości płyt stalowych, które łączono za pomocą nitów. Takie rozwiązanie było bardzo niebezpieczne dla załogi czołgów, gdyż pociski trafiające w pancerz powodowały urywanie się łbów nitów oraz powstawanie odłamków pancerza z wewnętrznej części pancerza, które raniły załogę.

Rys. 4. T-34/85 z oznaczeniami Wojska Polskiego

Kolejnym rozwojowym krokiem w tworzeniu pancerzy czołgowy było pionierskie zastosowanie pochyłego pancerza w radzieckim czołgu T-34, który zadebiutował w roku 1941. Rozmieszczone na nim spadziste płyty pancerne pod określonym kątem miały większe prawdopodobieństwo załamania lotu pocisków przeciwpancernych niż pancerz pionowy. Powodowało to większe prawdopodobieństwo rykoszetowania pocisków przeciwpancernych.

Rozwój broni przeciwpancernej determinował powstawanie nowych bardziej wytrzymałych pancerzy oraz modyfikacje już istniejących. Wdrożenie ładunków wybuchowych, które przyczepiane były za pomocą kleju lub magnesu wymusiło stosowanie specjalnych tworzyw na pancerzu, których celem było uniemożliwienie umieszczeniu ich na pancerzu. Wynalezienie broni kumulacyjnej spowodowało zastosowanie w czołgach tzw. pancerza reaktywnego.

Rys. 5. T-34/85 zaopatrzony w improwizowany pancerz przeciwkumulacyjny. Wystające ekrany (metalowa siatka) zastosowane w celu ochrony cieńszych pancerzy - bocznych oraz przedniego - przed głowicami Panzerfaustów z pociskami kumulacyjnymi podczas walk ulicznych. Pancerze te budowano ze stalowych drutów grubości 5-8 mm. Berlin, maj 1945.

Ekrany przeciwkumulacyjne stosowane były już podczas II wojny światowej przez aliantów. Osłona, zwykle metalowa, umieszczana w odległości 15-50 cm. od pancerza pojazdu, chroniąca częściowo pancerz zasadniczy przed pociskami kumulacyjnymi, powodująca zainicjowanie efektu kumulacyjnego pocisku przed jego dojściem do pancerza czołgu. Rolę ekranu przeciwkumulacyjnego spełnia zwykle metalowa siatka, blachy stalowe lub specjalne konstrukcje przestrzenne, osłaniające wieżę czołgu, pancerz czołowy lub układ bieżny wraz z płytami bocznymi. Największy efekt przeciwkumulacyjny daje stalowa konstrukcja przestrzenna, powodująca jednocześnie inicjację pocisku przed jego zetknięciem się z pancerzem oraz rozproszenie i załamanie strumienia kumulacyjnego. Ekran przeciwkumulacyjny podwyższa sumaryczną odporność czołgu na przebicie pociskiem kumulacyjnym.

Rys. 6. Nowoczesna konstrukcja pancerza wielowarstwowego, zawierającego warstwy ceramiczne, metaliczne i polimerowe (aramid)

W 1960 roku brytyjscy naukowcy opracowali wielowarstwowy kompozytowy pancerz nazwany od miejsca wynalezienia pancerzem Chobham. Pancerze warstwowe tego typu są zbudowane z wierzchniej płyty stalowej RHA, następnie z kombinacji płyt ceramicznych (różnych typów, o różnych właściwościach fizycznych), oddzielonych od siebie warstwami laminowymi (włókna aramidowe/kevlar i materiał żywiczny). Płyty znajdują się w aluminiowym segmencie podzielonym na grodzie. Za tym segmentem znajduje się stalowa płyta o grubości kilkudziesięciu minimetrów pełniąca rolę podłoża dla ceramiki, co poprawia jej charakterystyki w powstrzymywaniu pocisków kinetycznych. Tak zaprojektowany pancerz warstwowy zapewnia tzw. duża efektywność masową, czyli odpowiednio niższą masę wobec płyty pancernej RHA, o takich samych właściwościach ochronnych. Pancerze Chobham jak i Chobham 2 (z pewnością od I generacji różni się zastosowaniem nowszych lub czyściejszych typów ceramiki) są wysoce efektywne wobec pocisków kinetycznych, jaki i kumulacyjnych. Z powodu powszechnego utajniania informacji tego typu, dokładna budowa, odporność oraz skład pancerza niestety nie jest powszechnie znany, jednak można się spotkać z pewnymi niepotwierdzonymi informacjami. Strukturę pancerza wielowarstwowego przedstawia rys. 7 [4].

Rys. 7. Przekrój przez typowy warstwowy pancerz laminowany: 1 — przedni ekran przeciwkumulacyjny, 2 — główna płyta stalowa, 3-elementy ceramiczne, 4 — odlewana kaseta ze stopu lekkiego, 5 — warstwa tworzywa sztucznego, 6 — wewnętrzna płyta stalowa [5]

Aby uzyskać dużą odporność materiału pancerza na przebicie (przy ograniczonym względami konstrukcyjno-manewrowymi jego ciężarze) należy wykorzystać szereg materiałów o nowych właściwościach. Kompozycje ceramiczne i kompozyty z tworzyw sztucznych o dużej wytrzymałości mechanicznej i małym ciężarze stosuje się w wielu już w produkowanych czołgach, podobnie jak pancerz warstwowy metalowo-ceramiczny. Pancerz taki składa się z płyt stali pancernej, pomiędzy którymi znajdują się płyty ceramiczne o strukturze plastra miodu (rys 8.), najczęściej zatopione w elementach ze stopu aluminium. Ceramika charakteryzuje się wysoką temperaturą topnienia, co jest szczególnie ważne przy uzyskiwaniu odporności na przebicie strumieniem kumulacyjnym. Wysoka topliwość ma również znaczny wpływ na odporność na przebicie pociskiem podkalibrowym o dużej prędkości, który ma tak dużą energię, że w procesie penetracji zastosowanie mają głównie prawa hydrodynamiki -mniejsze znaczenie ma wytrzymałość mechaniczna materiału, natomiast większe jego masa (siły bezwładności), gęstość oraz właśnie temperatura topnienia. Stosowane od około 20 lat pancerze stalowo-ceramiczne (tzw. Chobham), są do 2,8 raza odporniejsze na pociski kumulacyjne niż pancerze ze stali pancernej o takim samym ciężarze [5].

Rys. 8. Struktura plastra miodu w modelu ceramicznego panelu antybalistycznego (Rosomak)

W roku 1970 powstał projekt pancerza reaktywnego (ERA - Explosive Reactive Armour), który stosowany jest obecnie w nowoczesnych czołgach. Stanowi on tak naprawdę opancerzenie dodatkowe. Pancerze reaktywne przybierają zazwyczaj postać prostopadłościanów z metalu, wypełnionych materiałem wybuchowym umieszczonym pomiędzy metalowymi płytami tworzącymi reaktywną "kostkę". W przypadku trafienia przez pocisk czoło strumienia kumulacyjnego powoduje detonację małej ilości materiału wybuchowego umieszczonego w wydzielonej przestrzeni, która jest jednak wystarczająca do zakłócenia szyku kawałków strumienia, wytrącenia ich z zajmowanego toru. Zmniejszenia prędkości, a tym samym ograniczenia ich skuteczności.

Rys. 9. Przykład stosowania pancerza reaktywnego w radzieckim modelu czołgu T-72S

Ciekawą konstrukcją nowoczesnego czołgu pod katem pancerza jest izraelska Merkawa widoczna na rys. 10. Czołg ten ma nietypowy układ konstrukcyjny, będący efektem położenia przy jego projektowaniu i dalszych modyfikacjach szczególnego nacisku na bezpieczeństwo załogi, kosztem innych cech.

Rys. 10. Merkava IV

Ponieważ najbardziej narażoną na ostrzał częścią czołgu jest jego przód, w czołgu Merkawa zastosowano nietypowy układ konstrukcyjny umieszczając w przedniej części silnik wraz z układem napędowym, a dopiero za nim osłonięty płytą pancerną przedział załogi. Takie rozwiązanie spowodowało, że pocisk musiałby pokonać najpierw wielowarstwowy pancerz przedni, później cały blok silnika a następnie płytę pancerną, aby dotrzeć do przedziału załogi. Ponadto wieża czołgu Merkawa ma kształt długiego klina, co sprzyja rykoszetowaniu pocisków, a niewielkie rozmiary płaszczyzn poszczególnych części wieży utrudniają jej trafienie. W wersji czołgu Merkawa Mk 3 zastosowano ponadto warstwowy pancerz laminowany, który można wymieniać. Sama wieża jest przesunięta do tyłu, dzięki czemu armata wystaje dużo mniej przed przednią krawędź kadłuba. Umożliwia to też jazdę po nierównościach bez odwracania wieży do tyłu. Z boku czołgi Merkawa są chronione dodatkowo metalowymi fartuchami, na których wybuchają pociski kumulacyjne. Dodatkowo izraelska konstrukcja posiada oryginalne rozwiązanie chroniące miejsce łączenia się wieżyczki z korpusem (najwrażliwsze miejsce każdego czołgu). Tył wieży chroni kombinowany ekran, składający się z kurtyny wiszących swobodnie łańcuchów z okrągłymi obciążnikami (chroniącej łączenie wieży z kadłubem) i stelaża przestrzennego. Jej tylną płytę kadłuba osłaniają dwa ekrany przestrzenne ("żaluzje" ze stalowych płaskowników). Merkawa posiada również niespotykany w innych konstrukcjach tylni właz ewakuacyjny.

Nowoczesny pancerz zabezpiecza również załogę przed atakami chemicznymi. Większość czołgów wyposażona jest także w specjalną wykładzinę absorbującą promieniowanie radarowe.

Przyszłość pancerzy czołgowych wciąż jest otwarta, ponieważ cały czas trwają badania nad polepszeniem istniejących już rozwiązań. Ponadto prowadzone są prace nad adaptowaniem różnych technologii, które mają na celu modyfikacje własności opancerzenia. Przykładem może posłużyć np. technologia "Stealth", z powodzeniem stosowana w lotnictwie i marynarce wojennej, znajduje zastosowanie w pojazdach pancernych. "Czarne czołgi" już teraz są testowane w USA, mają bardzo obniżoną sylwetkę i zmniejszony ślad termiczny oraz są niewidoczne dla radarów.

Eksperci z brytyjskiego Defense Science and Technology Laboratory (Dstl), które stanowi jednostkę badawczą Ministerstwa Obrony, pracują nad pancerzem z ochronnym polem siłowym. Silne pole elektromagnetyczne miałoby chronić pojazdy przed uderzeniem pocisków. Specjaliści twierdzą, że w pancerze czołgów można wbudować superkondensatory. Gdy pojazd wykryje, że w jego stronę lecą pociski, energia z superkondensatorów może zostać przekazana do pancerza. Wytworzy się wówczas pole elektromagnetyczne i takie pole siłowe byłoby w stanie uchronić pancerz pojazdu. Oczywiście, takie pole istniałoby jedynie przez ułamki sekundy, jednak odpowiednie dobranie momentu jego pojawienia się uchroniłoby pojazd przed ogniem wroga.

2. Cel projektu

Każdy czołg to efekt konstruktorskiego kompromisu, ponieważ siła ognia , pancerz i mobilność to czynniki znajdujące się wobec siebie w opozycji. Wzrost grubości pancerza zapewnia większą siłę ognia, jednak pogarsza mobilność. Biorąc pod uwagę złożoność materiałową nowoczesnych pancerzy oraz fakt, że czołg nie jest jednolicie opancerzony ze względu na jego ofensywny charakter, na dodatek niektórych miejsc (np. wloty powietrza do silnika) nie da się opancerzyć. W niniejszym projekcie, aby ustalić element dalszych rozważań skupiłem swoją uwagę na głównej płycie (Rys. 7. ) znajdującej się w pancerzu czołowym.

Celem projektu jest optymalne dobranie materiału, według ustalonych kryteriów, przeznaczonego na główną płytę czołowego korpusu pancerza czołgowego. Następnie należy dokonać optymalizacji gatunkowej wybranego materiału

3. Analiza kryterialna materiału

Skala ocen przyjęta do oceny materiałów zawiera się od 1 do 10. Podczas rozważań optymalizacyjnych stosując wybrane kryteria najlepszym materiałem okazało się żeliwo ADI.

Tabela 1. Ocena kryterialna

	Temp. topnienia	Gęstość	Twardość	Odporność na korozje	Moduł Younga	Udarność	Cena	Technologiczność	Suma
Drewno Sideroxplon	1	10	2	5	1	3	10	5	37
Stal pancerna typu Kruppa	6	6	6	6	7	8	7	9	55
Stal maraging	7	7	7	5	7	8	6	8	55
Żeliwo ADI	6	9	7	8	6	7	8	10	61
Zubożony uran	6	1	8	4	8	8	9	5	45
Stopy tytanu	7	6	7	9	7	8	4	9	57
Beton	5	5	6	3	2	2	9	5	37
Diament	3	3	10	8	10	3	1	4	42
Korund Al2O3	10	4	9	8	8	8	8	5	60
Regularny azotek boru	9	3	8	8	9	4	3	4	49
Nadstopy	8	6	8	7	7	8	7	7	58

Kryteria potrzebne do szczegółowej optymalizacji materiałów stosowanych na płytę główną czołowych pancerzy czołgowych przedstawia rys. 11. Niestety utajnienie wielu danych dotyczących składu niektórych materiałów wpłynęło na szacunkowy charakter oceny kryterialnej. Aby jednoznacznie zdefiniować niektóre parametry potrzebna jest wiedza na temat balistyki materiałów, do której niestety nie miałem dostępu.

Rys. 11. Kryteria potrzebne do optymalizowania materiałów przeznaczonych na pancerz czołgowy

4. Analiza gatunkowa materiału - żeliwo ADI

Tabela 2. Normy EN 1564, PN-EN 1564 i ASTM A 897 przewidują następujące gatunki żeliwa ADI:

Gatunek	Wytrzymałość na rozciąganie Rm [N/mm^2]	Granica plastyczności Rp0,2 [N/mm^2]	Wydłużenie A5 [%]	Twardość HB	Udarność KC (bez karbu) [J]
EN-GJS-800-8	800	500	8	260 -320
ASTM 897 Grade 1	850	550	10	269-321	100
EN-GJS-1000-5	1000	700	5	300-360
ASTM 897 Grade 2	1050	700	7	302-363	80
EN-GJS-1200-2	1200	850	2	340-440
ASTM 897 Grade 3	1200	850	4	341-444	60
EN-GJS-1400-1	1400	1100	1	380-480
ASTM 897 Grade 4	1400	1100	1	488-487	35
ASTM 897 Grade 5	1600	1300	-	444-555

Dzięki połączeniu wysokiej wytrzymałości na rozciąganie i odporności na ścieranie z bardzo dobrą plastycznością, żeliwo ADI znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu jako substytut staliwa stopowego i stali nawęglanej, bądź ulepszanej cieplnie. Stosowane jest z powodzeniem w przemyśle zbrojeniowym, jego dobre właściwości stosowane przy konstrukcji pancerzy transporterów opancerzonych.

Żeliwo sferoidalne ausferrytyczne (ang. ADI - Austempered Ductile Iron) jest materiałem sklasyfikowanym wg europejskiej normy (PN-EN 1564), która określa bardzo szeroki zakres jego właściwości. Tymi najbardziej reprezentacyjnymi są przytaczane powszechnie dobre właściwości plastyczne sięgające powyżej 10% dla wytrzymałości na rozciąganie większej od 900 MPa, lub bardzo wysoka wytrzymałość na rozciąganie rejestrowana na poziomie 1600 MPa dla innego gatunku ADI. Żeliwo sferoidalne ausferrytyczne posiada jednak szereg dodatkowych cech predestynujących je do zastosowania na przeróżne elementy konstrukcyjne.Te najlepiej poznane właściwości ADI to: zdolność tłumienia drgań, o 10% procent mniejsza gęstość w porównaniu do stali, dobra skrawalność przed obróbką cieplną, zdolność do umacniania powierzchni odlewów podczas walcowania lub śrutowania itp. [6]

5. Literatura

[1] http://www.zgapa.pl/zgapedia/Czo%C5%82g.html , 19.06.2010

[2] Borkowski W., Rybak P., Michałowski B., Wpływ rodzaju uzbrojenia na stan wytężenia elementów kadłuba czołgu.

[3] http://www.theage.com.au/articles/2002/12/13/1039656218782.html ,19.06.2010

[4] http://www.militarium.net/viewart.php?aid=188 ,19.06.2010

[5] Magier M., Koncepcja czołgowego pocisku podkalibrowego nowej generacji o zwiększonej zdolności przebicia pancerzy współczesnych czołgów

[6] Myszka D., Żeliwo Sferoidalne Ausferrytyczne, Inżynieria Powierzchni, Nr 3, 2007

A

B

B

A

B

---