Бронебойная керамика: взгляд в парадоксальную область

Выстрел! В облаке огня из орудия вылетел и помчался вперед бронебойный снаряд. Он быстро приблизился к цели, подставившей бронекорпус. Снаряд ударил в него всей сокрушающей силой своего движения. Нос снаряда начал сминаться о броневую сталь, 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.

Острие носа сердечника прокалывает все новые слои брони, конус и округлые плечи раздвигают их в стороны. Чудовищным усилием сердечник взрезает броню, уходя все глубже, погружаясь в нее полностью. Продолжая движение, он достигает внутренней поверхности броневого листа, вспучивает и рвет ее. Благодаря запасу энергии сердечник выходит из брони с остаточной скоростью, и методично поражает все встретившееся в пространстве за броней, многократно изламывая свой путь внутренними рикошетами.

Что же позволяет сердечнику пробить броню? Огромная энергия движения. А еще — большие плотность, твердость и прочность. Эти четыре фактора обеспечивают проникающее действие сердечника, его бронебойность. Найти их эффективное сочетание не так просто. Его ищут в нескольких направлениях: в соединениях химических элементов, в технологиях, в бронебойных процессах.

Терминальная баллистика

Баллистика, бесконечная в своих проявлениях и реализациях, делится на несколько областей: внешняя, внутренняя, орбитальная. Область, изучающая работу пули (шире — ударного тела: осколка, стержня, метеорного тела) в преграде, называется терминальной баллистикой. Это динамика тела в материале мишени: картина силового взаимодействия и все прилагаемые к ней процессы и явления.

Как и другие области баллистики, терминальная баллистика очень широка и разбивается на направления. Здесь и бесчисленные вариации раскрытия и фрагментации экспансивных пуль, от исторических «дум-дум» до сложных изощренностей и огромного многообразия современных пистолетных; и особенности раневого канала и возникающих пульсирующих полостей. И вопросы неустойчивости движения в преграде пуль со смещенным центром тяжести или косой ложкообразной выемкой в носике. И отстрел пуль на экспертизу с уменьшением заряда пороха, чтобы пуля не разрушилась в плотной массе желтых кевларовых веревок пулеуловителя и смогла сохранить идентифицирующие признаки ствола.

Динамика пули в воде тоже востребована: от подводных пистолетов СПП и автоматов АПС до двухсредных (работающих в двух средах, жидкости и газе, воде и воздухе) стрелковых систем и их специальных пуль. И корабельных артсистем, расстреливающих с борта двухсредными крупнокалиберными пулями торпеды, идущие под водой на глубине нескольких метров. А есть еще и геологическая отрасль терминальной баллистики, изучающая удары астероидов, их внедрение в земную кору и характерные геологические структуры, оставшиеся после таких событий. Также представляют интерес микрометеорные повреждения космических аппаратов, внедрение пенетраторов в поверхность астероида, движение бетонобойных бомб в слоях бетонных плит или гранитном массиве и много других направлений.

Вопросы бронепробивания тоже относятся к терминальной баллистике и могут группироваться по вариантам действия. Например, есть тупые и острые бронебойные сердечники. Тупые выламывают из брони округлую пробку, выбивают, как штампом, кусок броневого материала. Острые накалывают броню носиком и раздвигают ее плечами носового конуса. Как действовать эффективнее? Единого, абсолютного ответа нет; есть разные конкретные ситуации и разные решения, удачно в них работающие. А мы с вами сейчас немного прогуляемся именно по этим направлениям терминальной баллистики.

Картина пробивания брони и заброневого действия (ради которого и перфорируют броню) обычно сложнее простых схем. Пробить броню еще не вся задача; преград иногда несколько, а сердечник в процессе работы превращается в поток поражающих элементов со своими углами разлета и разделяемых на категории по бронебойности. И для поражения цели важны именно эти заброневые фрагменты сердечника. 

Например, при испытании бронебойного оперенного противотанкового снаряда «Надежда» (с керамическим сердечником в хвостовой части) мишенью была броневая плита под углом 60 градусов. За ней в пределах метра располагались два листа алюминия: первый — шесть миллиметров толщиной, второй — 24 миллиметра. Были и еще специально подобранные условия обстрела. «Надежда» создала три сотни мелких осколков, пробивших тонкий 6-миллиметровый лист с углом разлета 120 градусов. И 37 крупных осколков с разлетом 32 градуса, пробивших 30 миллиметров алюминия. 

Как пробивалась сталь

Вообще бронебойное действие возможно и без проникающего. Парадокс? Нет. 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 для вмещения большого количества пороха, похожий на карандаш патрон с пулей стандартного немецкого винтовочного калибра 7,92 миллиметра. Пуля состояла лишь из мягкой стальной рубашки и ее свинцового заполнения. Она выстреливалась 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. Выбивался из броневого листа, будто ударом тупого штампа, поражая полученной энергией находящийся за броней экипаж и оборудование. Для нетолстой легкой брони такой способ неплохо работал, винтовка стояла на вооружении четырех стран и использовалась в боях Второй мировой войны.

Чтобы пробить толстую броню, нужна еще большая плотность энергии. Ее дают скорость и плотность заостренного сердечника. Тупой сердечник для штампового вырубания толстой брони должен быть большим, по диаметру сопоставимым с толщиной брони. Это не только увеличивает массу противотанковой артсистемы, но и рассредоточивает приложенную энергию и силу по периметру круглой броневой вырубки. Заостренный же сердечник доставляет энергию (в кинетической форме) к броне, а острие концентрирует силовую нагрузку в точке, что сильно повышает в этом месте напряженность материала брони. С превышением прочности на разрыв лопаются связи кристаллической решетки. Острие сердечника расстегивает кристаллические связи брони, словно замок-«молнию». Двигаясь в броне, острый сердечник может пройти в ней длинный путь, в несколько раз или на порядок больше своего диаметра.

Свойства и качества, или Что нужно входящему

Броня раздвигается в стороны от носика, расходясь до диаметра сердечника, образуя канал его прохода через броню. Для такого «расталкивания» нужны крепкие плечи сердечника, чтобы они не смялись под огромной сдавливающей силой броневой стали, а вошли в броню, не теряя формы. Здесь работает прочность сердечника — способность сохранять форму и целостность под нагрузкой.

А что такое твердость? Это способность тела из одного материала погружаться в другой материал. Здесь противоборствуют две кристаллические решетки — внедряемого тела и испытуемого материала. Какая сомнется раньше и сильнее, чья окажется прочнее? Это и определит погружение тела в материал. Глубиной погружения в образец испытуемого материала маленьких твердых шариков и конусов измеряют твердость по Бринеллю и Роквеллу.

Чем выше плотность, тем больше концентрация энергии в точке удара сердечника. Именно по причине своей высокой плотности так широко использовался в метании свинец: от римских пуль для пращей до огнестрельных дел. И свинцовая пуля ломала броневую сталь. Плотность стали составляет примерно 7,8 грамма на кубический сантиметр, а плотность свинца — 11,3 грамма на кубический сантиметр. Вещества плотнее свинца есть, но добыть и сделать из них массовое изделие существенно дороже.

По плотности и твердости хорошо мог бы подойти вольфрам. Плотность вольфрама — 19,25 грамма на кубический сантиметр, в 1,7 раза больше, чем 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 третье свойство — прочность.

Путь керамики

Керамикой называется материал, полученный спеканием мелкодисперсных неорганических компонентов. Это не плавление металла или льда. При спекании частицы смеси, все или некоторые, лишь размягчаются температурой до липкости, склеивая собой другие частицы. После остывания и возвращения «клею» твердости получаются композитные материалы с широким диапазоном свойств.

Первой освоенной человеком была минеральная керамика. Из природных неорганических веществ — глины, песка и других добавок — стали делать сосуды. При обжиге минеральные компоненты размягчались и слипались, после охлаждения оставаясь в прочном соединении. Позже начали обжигать кирпичи. Изобрели фаянс и фарфор. Минеральная керамика при всей своей прочности все же довольно хрупкий материал. Прочен ли глиняный горшок? Для его обычных рабочих нагрузок — да! Глиняный горшок выдерживает многие наполнения, варки, чистки, переноски. Но если он падает на землю, то разбивается вдребезги.

Можно спечь вместе карбиды металлов. 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, однако, можно склеить специальным агентом — тонким слоем металлов, обладающих после затвердения высокой адгезией, прилипанием. Образуется псевдосплав. Это не настоящий сплав, раз 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 в ряде случаев нагружения. Получается металлокерамика — керамическая основа с несколькими процентами металлического связующего компонента.

Борьба за целостность

Хрупкость, тем не менее, у металлокерамики есть. Как и у смолы, в разных нагрузках и хрупкой, и вязкой. При ударе сердечника о сердечник его заостренный носик сколется. Более того, парадоксальным образом сколы возникнут и безо всякой нагрузки — даже наоборот, при снятии (!) нагрузки. При извлечении сердечника из пули или снаряда, если сердечник десятилетиями был крепко обжат металлической рубашкой пули, через несколько часов или дней могут возникнуть самопроизвольные сколы от снятия длительного напряжения. Острый носик сердечника исчезнет, вместо него появится косой раковинообразный скол ровной эллиптической формы.

Странный парадокс. Как же носик не колется о броню? Это происходит потому, что удар сердечника обычно происходит в особых условиях. Сначала о броню плющится передняя мягкая часть снаряда, охватывая носик сердечника высоким давлением. Обжатие носика смятым металлом корпуса снаряда не дает отделяться от сердечника отщепам. Им некуда отщепляться — их прижимает окружающий металл и давление его деформации.

Так что именно в момент встречи с броней сердечник становится готов к резанию — носик охвачен и сдавлен нагрузкой смятого металла, со всех сторон подпирающего возможные отщепы. Поэтому они не возникают, им некуда отделяться; острие сердечника остается целым и исправно режет броневую сталь.

На это работает и большой угол конуса острия. Он бывает более 90 градусов. Чем тупее угол острия, тем больше на нем давление брони по нормали к поверхности сердечника; тем больше перпендикулярная прижимающая сила, тоже не дающая отщепляться материалу сердечника. Конус носика переходит в покатые плечи, также сильно обжатые сдвинутым металлом брони, и этим защищенные от растрескивания. Так металл корпуса снаряда и большой угол на его острие не дают проявиться хрупкости сердечника.

Практические воплощения

Все пули и снаряды с внутренним твердым сердечником называются подкалиберными. В России стальной сердечник первым использовал в «щитобойной пуле» патрона к винтовке Мосина штабс-капитан Кутовой, в 1916 году пуля поступила на вооружение. В 1918 году для поражения появившейся бронетехники Пауль Маузер применил твердый стальной сердечник в 13-миллиметровой пуле своей первой в мире противотанковой винтовки М1918. Поиски лучшего материала для бронебойного сердечника пошли полным ходом. Первый псевдосплав карбида вольфрама и кобальта был получен в 1923 году в Германии в лаборатории компании Osram. 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.

Зачем нужен горячий пресс? Частицы металла в холодном порошке смеси разделяют собой частицы карбида. С расплавлением металла можно сблизить зерна карбида, закрыв образовавшиеся пустоты. Последние превратятся в тончайшие щелевые капилляры, по которым растечется металл, на порядок или даже на несколько порядков увеличив свое проникновение между зернами карбида — и настолько же увеличив поверхность прилипания к карбиду, взаимодействие с ним и зерен карбида друг с другом. Так, тоже на порядки, повышается гомогенность (однородность) материала сердечника, с определенных уровней сильно меняющая его свойства. Возникает вязкость: она значительно увеличивает прочность сердечника и переносимые им без разрушения нагрузки. После значительного превышения материалом сердечника предельных нагрузок броневой стали он готов для употребления в бронебойном действии.

Германия во Второй мировой войне задействовала большой диапазон карбид-вольфрамовых сердечников. В винтовочном калибре использовалась пуля SmKH с металлокерамическим сердечником диаметром 6 миллиметров. Трассирующая бронебойная пуля SmKH-Rs-L’spur к 7,9-миллиметровому противотанковому ружью PzB38 (Panzerbüchse 1938) несла этот сердечник с выемкой в его донце, с запрессованным туда хлорацетофеноном — слезоточивой «Черемухой». Пробив бронекорпус и попав внутрь, сердечник оказывался, естественно, раскаленным — и испарял слезоточивое вещество, вызывая добавочное поражающее действие на экипаж. Патрон для PzB38 использовал тот же стандартный немецкий калибр, заданный еще Паулем Маузером (7,9 миллиметра), что и противотанковое ружье Марошека. Но гильза была еще больше, напоминая миниатюрную пороховую бочку с узким горлышком для пули.

Артиллерийские калибры использовали самые разные сердечники. Тяжелое немецкое противотанковое ружье (по сути легкая полевая пушка на колесиках) PzB41 с коническим стволом (начальный калибр 28 миллиметров, дульный 20 миллиметров) сильно ускоряло снаряд, сжимая его стальные юбки-обтюраторы при прохождении ствола. В бронебойном снаряде использовался 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 его пушке KwK36 содержал большой сердечник диаметром четыре сантиметра и длиной 14 сантиметров, весивший более двух килограммов.

Советский Союз тоже использовал керамические сердечники, например в пуле БС-40 для винтовочного мосинского патрона. Она же была и в крупных калибрах — в крупнокалиберных пулеметных патронах 12,7 х 108 и 14,5 х 115 к ПТР (в таком обозначении патрона первое число — калибр ствола в миллиметрах, второе — длина гильзы). Карбид вольфрама применяла и противотанковая артиллерия. 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 средств вывело бронебойную керамику из крупных калибров. Бронебойный потенциал кумулятивного пути с ростом толщины брони и калибра снаряда лидирует. А в малых формах и калибрах, наоборот, плохо работают кумулятивные средства. С уменьшением размеров взрывчатой системы до сантиметра и даже нескольких миллиметров характер ее 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.

На вооружении российской армии стоят пули автоматного 5,45-миллиметрового патрона 7Н24 с самым маленьким карбидным сердечником — всего три миллиметра диаметром и пять миллиметров длиной. Его носик не заострен, и носовая плоская площадка действует как штамп, вырубая отверстие в броне своими кромками — концентраторами напряжений. В патронах 12,7 х 108 к крупнокалиберным пулеметам применяется пуля 12,7 БС с длинным керамическим сердечником. Он же стоит и в пуле специального патрона 12,7 х 55 СЦ-130ВПС (высокой пробивающей способности) к малошумной крупнокалиберной снайперской винтовке «Выхлоп». В этой пуле два бронебойных сердечника, расположенных тандемно, один за другим, и отличающихся по материалу. Передний сердечник, торчащий из носа пули в открытом виде, керамический.

Носик этого сердечника ничем не прикрыт. Как и керамический носик длинной стальной пули от патрона ПФАМ «Фаланга» к специальному бесшумному карабину-гранатомету«изделие ДМ», или «Буря», созданного в начале 1960-х для поражения баллистических ракет средней дальности «Першинг» на их стартовых позициях. Как же они работают? Работу без ударного разрушения обеспечивает низкая скорость пули (обе они 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.

Много карбидных сердечников находится в узких танковых подкалиберных стальных «ломах» БОПСов, бронебойных оперенных подкалиберных снарядов. Сердечники массой 200-300 граммов находятся в передней или задней части «лома», иногда сердечников два. Дульная скорость БОПСов близка к двум километрам в секунду, давая высокую скорость удара по броне и большую проникающую способность сердечника.

В армиях стран НАТО также широко используется в артиллерийских и стрелковых калибрах бронебойная керамика. В мощном винтовочном патроне 338 Lapua известного финского разработчика боеприпасов Lapua OU в бронебойном варианте используется пуля с сердечником из карбида вольфрама. Керамический сердечник применяется и в пулях основного стрелкового калибра НАТО 7,62 х 51.

Не попали в лигу чемпионов

Отметим, что керамические сердечники не «вершина творения» бронебойных материалов. Они уступают псевдосплавам с металлическим вольфрамом, каких тоже много. Например, сердечник экспериментального российского 30-миллиметрового патрона «Кернер» выполнен из сплава ВНЖ: вольфрам, никель, железо. Вольфрама в нем от 93 до 98 процентов, в зависимости от сорта, остальное — связующие железо и никель. У этого сплава нет хрупкости, свойственной керамике; иногда на сердечниках из ВНЖ, подобранных за преградой, видны пластические деформации от удара. Кроме того, он немного плотнее керамики. Сердечники из металлического вольфрама (порошкового псевдосплава) применяются, хотя и нечасто, в винтовочных калибрах, пулях крупнокалиберных пулеметов и артиллерийских калибрах до 30 миллиметров.

Но чисто металлические сердечники из тяжелых сплавов существенно дороже, и это сужает их применение. Свои плюсы есть и у металлического урана: высокая плотность, самозаточка в броне и пирофорность (воспламенение) заброневых осколков, автоматически делающая патроны с урановыми сердечниками бронебойно-зажигательными, хотя и без всякого зажигательного состава. Одновременно у урана есть и свои минусы, не позволяющие его широко применять. По сравнению с керамическими сердечниками металлы типа вольфрама и урана используются на порядок реже.

Что же касается самых-пресамых, то участники лиги чемпионов не совпадают своими наборами свойств. Самый твердый — алмаз, он легкий: 3,5 грамма на кубический сантиметр, но и хрупкий: колется несильным ударом. Самый плотный — металл осмий: 22,6 грамма на кубический сантиметр, всем-то он хорош, но дорог: один грамм стоит много десятков тысяч долларов США, что делает его вторым самым дорогим металлом после калифорния. Задача конструкторов, однако, не в задействовании чемпионов и их отдельных рекордов. Поиск эффективно работающих сочетаний — более симфоническая задача, охватывающая не только материалы, но и процессы.

Процессы и границы

Пули для стрельбы под водой, пистолетная калибра 4,5 миллиметра, и автоматная 5,66 миллиметра, — это стальные дротики со слабым коническим заострением. Оно, однако, не сходится в острие: носик пули — перпендикулярная главной оси пули маленькая плоская площадка. Она расталкивает воду радиально, в стороны. И делает это с такой силой и скоростью, что вода здесь 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.

Аналогичный 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… недолго.

С некоторых уровней скорости взаимодействие с броней меняется ключевым образом. С огромным валом приложенной в точку удара энергии кристаллические связи брони рвутся уже не только в точке острия, а во всей области, прилегающей к передней части сердечника. Массовое разрушение связей кристаллической решетки вещества брони означает ее фактическое разжижение в этом месте, то есть взаимодействие становится все более гидродинамическим (не исключая и материал сердечника, чьи пределы прочности перешагиваются тоже). На скоростях выше двух километров в секунду понятие «прочность» начинает терять смысл, исчезая в гидродинамике трех километров в секунду (при этой 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.

Использование кинетического удара продолжается далеко за пределами этого диапазона. Но — уже не для бронебойности. Картину взаимодействия образует чрезвычайно быстрое сближение цели и кинетического ударного тела. Это кинетические боевые части высотных и заатмосферных ракет-перехватчиков, сбивающие прямым попаданием цель с баллистическим уровнем скоростей пять-семь километров в секунду и больше. Они развивают высокую скорость и используют физический удар для того же самого прямого поражения цели. Но никаких особых свойств от ударного материала здесь уже не требуется — ни твердости, ни прочности, ни плотности, была бы просто хорошая масса.

А бронебойная керамика остается в сегодняшнем наземном вооружении, продолжая совершенствоваться. Все основные российские стрелковые калибры содержат в вариантах снаряжения пули с керамическим сердечником — 5,45, 7,62, 12,7, 14,5 миллиметра. Новые калибры, осваиваемые последнее время, тоже предусматривают использование таких пуль. Похожая ситуация и в зарубежном стрелковом вооружении. Масса, форма, размеры, технологические нюансы варьируются и пробуются, работа конструкторов не останавливается. Путь бронебойной керамики продолжается.