Opowieść o pancerzu cz.2: Pancerz i stal – dziś.

Idea czołgu sięga czasów Leonarda da Vinci,lecz wdrożona została dopiero w XX wieku.I odkąd pierwsza, spośród ruchomych twierdz nazwanych czołgami zmieniła pole bitwy – najpierw nad Sommą jako wsparcie piechoty,a potem w bitwie pod Cambrai – stal jako element sprawnego pancerza wróciła do łask.Dziś obok Ceramik i Kevlaru®  jest stosowana jako podstawa pancerza zarówno samochodów bojowych,transporterów jak i czołgów.I nie tylko.

Właściwie czołg,podobnie jak później rosyjska Katiusza był początkowo niedocenionym przełomem na polu bitwy.Bywa.Konserwatyzm rzecz ludzka,niezależnie od tego czy chodzi o wojskowych,specjalistów od sieci komputerowych,menadżerów i zwykłych ludzi. Zresztą, hurraoptymizm też jest zły,czego przykładem była wielka Rosyjska porażka pancerna,znana jako czołg Car.

II Wojna światowa udowodniła już podstawowe znaczenie czołgów – zwłaszcza w wykonaniu Niemieckim.Największą spośród bitew pancernych II Wojny światowej (ale i świata) była bitwa na Łuku Kurskim w 1943 roku,  a jej kulminacyjnym momentem nierozstrzygnięta ostatecznie bitwa pod Prochorowką gdzie czołgi strzelały do siebie nieraz z odległości kilku metrów.

Pierwsze czołgi, takie jak Mark I. posiadały już całkiem przyzwoity (jak na tamte czasy i przynajmniej pod względem grubości) pancerz o grubości 6-10 mm. Wiele się od tego czasu zmieniło,okazało się m.in,że nie tylko stal itd,ale sentyment do porządnego pancerza na polu bitwy trwa,w końcu we współczesnym wozie bojowym KTO Rosomak opancerzenie potrafi być w sumie rzędu kilkunastu milimetrów (choć jest warstwowe) – a to tylko transporter opancerzony,i to nie transporter ciężki jak np. Izraelski Namer. Pancerz Rosyjskiego czołgu T34 miał w niektórych miejscach już 52 mm,a Niemiecki PzKpfw VI Tiger (Tygrys) nawet (w niektórych miejscach) 120 mm. Współczesny czołg Polski PT91 „Twardy” ma pancerz kompozytowy rzędu 80-400 mm ,waży jednak nieco mniej od czołgu „Tygrys” – „tylko” 45 ton,w porównaniu z ponad 50 tonami. Pancerzem naszego Polskiego czołgu nie jest oczywiście tylko stal,ale z konieczności ograniczam się do pancernej stali (o której mam w miarę porządną wiedzę),choć jest oczywiste,że sama stal jest dzisiaj niewystarczająca.

I tak w wypadku kompozytów,jak stali – ważna jest jakość.To się nie zmienia.

Jak wiadomo, każde zabezpieczenie – czy to fizyczne czy informatyczne przetrwać może tylko konkretne zagrożenia,a całe systemy obronne – czy to fizyczne czy informatyczne – również dzisiaj – tracą na elastyczności i użyteczności, w miarę zabezpieczania ich przed coraz nowszymi zagrożeniami,więc nadmiar „zdrowej paranoi” niestety jest szkodliwy. W dodatku porównując bezpieczeństwo informatyczne i trwałość pancerza musimy uznać problem,jakim jest koszt wykonania ewentualnych napraw i dużo wyższe koszty eksploatacyjne. To prawda.Wojsko opracowało własną wersję „zapory ogniowej” polegającej na stałym ostrzale jakiegoś terenu („najlepszą obroną jest atak”),ale amunicja nie jest nieskończona. To prawda.Pancerz może być coraz grubszy.Ale kilka ton więcej to nie jest to samo,co kilka megabajtów czy nawet gigabajtów pamięci więcej.Komputery są energooszczędne.Czołgi nie.Palą jak smok całe hektolitry paliwa,jeśli będą za ciężkie np. nie przejadą mostu. Co z tym można zrobić ?

  • Podnieść jakość pancerza.

Istnieją poziomy bezpieczeństwa pancerza,opracowane w ramach umów NATO znane jako STANAG.

Na szczególną uwagę zasługuje norma STANAG 4569 określająca poziom bezpieczeństwa dla wozów lekkich.

Na podstawie tych norm można ustalić już pewne parametry (np. grubość) pancerza. Są to nie tylko parametry wytrzymałościowe i inne materiałowe ale i geometryczne.Kształt pojazdów bojowych ma na celu ograniczenie możliwości trafienia i stworzenie szansy na odbicie pocisku – jeśli materiał ma np.większą twardość, powinno się udać.A jeśli pocisk mimo to przebije pancerz ? Rzecz w tym,by w takim wypadku nie przebił go całego (najlepiej tylko się ugiął,odkształcił,a uszkodzeniu nie uległy wszystkie warstwy),oraz by ludzie wewnątrz pojazdu przeżyli i byli w stanie nadal walczyć.

Niestety, każdy inżynier materiałoznawca wie,że te wymagania na pierwszy rzut oka na sprzeczne. Mało tego. Pocisk uderza szybko i nagle.Wytrzymałość i plastyczność nie wystarczy. Kolejnym parametrem jest udarność. Do tego dochodzą możliwe defekty strukturalne – tak w hucie,jak poza nią.Co robić zatem w wypadku stali ?

Przede wszystkim, konieczne jest naprawdę poważne ograniczenie niekorzystnych wtrąceń takich jak fosfor,siarka czy cyna i uzyskanie w miarę jednorodnej i drobnoziarnistej struktury (stal i inne metale są polikrystaliczne,a mniejsze ziarno to najlepszy sposób na uzyskanie tak plastyczności, jak wytrzymałości) na poziomie huty. Segregacja pierwiastków występująca dość często w stalach dla stali pancernej jest również szkodliwa – rozwiązaniem jest jednak choćby odpowiednie mieszanie przed odlaniem czy wręcz obróbka termomechaniczna. Stal można poddać ulepszaniu cieplnemu lub innej obróbce,którą można analizować przy użyciu np. pirometru skanującego. Blachę można poddać analizie stosując techniki defektoskopii – np. defektoskopii magnetycznej (ale nie tylko – każda z tych technik ma swoje zalety i wady. norm STANAG) – by wykryć zanieczyszczenia i wady.Trzeba wiedzieć,jaka amunicja jest zagrożeniem i dostosować do niej pancerz w – bowiem znając zagrożenie można określić,czy bardziej zależy nam na odporności na przebicie (czyli większa wytrzymałość i plastyczność),czy może na odporności na uderzenie,gdzie większą rolę gra np. udarność. Tak czy siak,stal pancerna wysokiej klasy ma stosunek granicy udarności do granicy plastyczności na poziomie 3,5 ; jej twardość zaś w skali Brinella to często powyżej 300-600 HBW,granica plastyczności musi być wyższa niż 1000 MPa (1 GPa !) i w zasadzie,ok 15 mm pancernej stali powinno spokojnie zapewnić odporność przed lecącym z prędkością ponad 7 m/s pociskiem 7.62 mm. [przynajmniej tak twierdził inżynier który przedstawiał te sprawy podczas seminarium na uczelni,a ja nie widziałem opinii żołnierza,mającego inne zdanie].

Skład chemiczny stali pancernych jest różny i mówi stosunkowo niewiele.Zawartość węgla w przypadku Polskich blach pancernych produkowanych w HSW (jakieś 5 lat temu,gdy byłem jeszcze studentem) mieściła się w zakresie 0,2-0,4%, ze wskazaniem  zawierały one też często dużo takich pierwiastków jak molibden i wolfram (twardość),mangan (raczej też wytrzymałość) oraz nikiel (od którego próbuje się odchodzić, ze względu na koszty),oraz stosunkowo niewielkie,lecz istotne dodatki służące umocnieniu stali jak np. bor czy wanad.Rola chromu była jednak w niektórych z nich stosunkowo ograniczona,w porównaniu z zagranicznymi produktami. Jeśli chodzi o produkty koncernu Tyssen-Krupp czy Francuskie blachy MARS i produkty Rosyjskie generalnie stosowanymi pierwiastkami były Mangan,Chrom,Molibden i Nikiel. Nie ma jednak reguły jeśli chodzi o skład chemiczny – Szweckie stale Armox zawierać mogą jeszcze mniej węgla,stale Mars – więcej.Itd.

Dużo ważniejsze jest choćby poddawanie tych stali intensywnej obróbce oraz dążenie,by zejść do skali nano.  Tendencja ta, w istocie, nie tylko jest istotna w przypadku pancerza stalowego,ale i zastosowania nanotechnologii we wzmacnianiu opancerzenia pojazdów wojskowych. W poprzednim wpisie wspominałem,o badaniach które wskazywały, że przy zastosowaniu nanotechnologii nawet „kruchą” ceramikę można uczynić plastyczną.

We współczesnych pancerzach stosujemy wiele warstw blach,kompozyty itd,które są rzecz jasna bardziej skuteczne niż lita stal.Struktura „kanapki” ma bowiem szereg zalet w porównaniu z litą blachą jeśli chodzi o reakcję na ostrzał. Osobiście uważam,że ciekawą drogą (czy jednak do wdrożenia w praktyce) mogłyby być kompozytowe pancerze zawierające piankę metaliczną,np. aluminiową.Badania nad tego rodzaju kompozytowymi,lekkimi pancerzami trwają,z przykładowymi badaniami można się zapoznać w artykule, z laboratoriów armii Stanów Zjednoczonych z 2010 roku.

Co ciekawe, USA jako elementy pocisków i opancerzenia – np w czołgach Abrams wykorzystywało również zubożony uran. Niestety,pomimo wysokiej odporności pancerza zubożony uran jest powiązany m.in. z emisją stosunkowo promieniotwórczych spalin.Poza tym sporo waży.Amunicja ze zubożonego uranu jest jednak jeszcze bardziej niebezpieczna,powoduje bowiem skażenia – choć przebija większość współczesnych pancerzy.

Co robić jednak,gdy pancerz nie wystarczy ? Wtedy stosujemy kolejne rozwiązanie:

  • Pancerze reaktywne i systemy elektronicznej ochrony (można by je określić „elektronicznym pancerzem”)

w przypadku zagrożenia ze strony bardziej zaawansowanych pocisków przeciwpancernych i kierowanych Można zastosować szerzej pancerze reaktywne i ceramiczne – przynajmniej w przypadku czołgów,będące rozwiązaniem – to (najprawdopodobniej) te kwadratowe płytki na „Twardym”:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a6/PT-91_Twardy_NTW_5_93_6.jpg/800px-PT-91_Twardy_NTW_5_93_6.jpg

Ich zadanie jest proste – w przypadku pocisku który doleci i ma wybuchnąć mają wybuchać ułamek sekundy przed pociskiem.Takie płytki to jednak przykład,bowiem Pancerz aktywny ERAWA jest obiektem Polskiego patentu nr. 156463, jego treść (niestety nie w formie PDF) umieszcznono na portalu Money.pl.

Inną już zaawansowaną grupą są pancerze aktywne.Twardy chyba posiada system podobny do rosyjskiego systemu Drozd,w czołgach rosyjskich T90 zastąpiony przez system Arena. Oczywiście są też elektro-optyczne systemy pasywne,jak Sztora. Systemy pasywne i aktywne nie są już jednak elementem stricte pancerza,są to elementy ochrony elektronicznej pojazdu,służące zagłuszeniu radaru oraz ewentualnemu zestrzeleniu niebezpiecznego obiektu (pocisku)

Stosunkową nowością jest nowy pojazd bojowy wg DARPA. „wóz bojowy przyszłości” DARPA ma się opierać przede wszystkim na elektronicznych systemach ochronnych. Więcej informacji o tym projekcie na stronie Darpa,dla niniejszego tematu ważne jest,że pancerz tradycyjny będzie tu tylko ostatnią,z 4 warstw,a dominującą rolę na polu walki będą miały systemy elektroniczne:

Mimo to, należy pamiętać,że pojazdy bojowe przyszłości nadal będą musiały posiadać solidny pancerz.Szczególnie jeśli chodzi o pojazdy służące do szturmowania umocnionych pozycji.

PS: Taka ważna informacja.Stale pancerne są jednym z produktów,których zakup w Polsce jest nadzorowany i ewidencjonowany.

Reklamy

Opowieść o pancerzu – cz.1. – jak „hartowała się stal”,albo pancerz z bronią w tle.

Choć tytuł „Jak hartowała się stal” dla humanisty i wprawnego historyka może być rozpoznany jako tytuł stalinowskiej agitki, to w istocie oprócz zwykłych narzędzi rolniczych i rzemieślniczych – Stal,podobnie jak pseudonim „Stalin” ma bardziej złowrogie znaczenie. Wiemy jakie ono jest. Broń. Lecz nie dostrzegamy tak wyraziście ważnej rzeczy. W cieniu narzędzi do zabijania rozwijały się narzędzia ratujące życie. Hełmy,zbroje,pancerze – owszem – wprawnym zabójcom jakimi w gruncie rzeczy są żołnierze umożliwiły odebranie większej liczby żyć,lecz jako takie zawsze były narzędziami ochrony życia.

Wyścig pomiędzy narzędziami zabijania, a narzędziami ochrony życia, niknie w mrokach dziejów – lecz trwa do tej pory. Z początku skórzane czy drewniane odzienie czy tarcze,z czasem coraz bardziej zaawansowane twory, w odpowiedzi,na coraz doskonalsze środki zabijania.

Pierwszym spośród trwale zastosowanych i trwających w jakiś sposób po dziś dzień środków ochrony życia był hełm,a także – przestarzała dziś zbroja rycerska

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/90/Maximilienne-p1000557.jpg/320px-Maximilienne-p1000557.jpg

Lecz pancerze – tak jak i miecze – bywały różne.

Cytat z „Krzyżaków” Sienkiewicza (tom II):


— A Zbyszko? Zali zacną ma zbroję?
— Ma ich kilka zacnych, a najlepszą tę zdobyczną po Fryzie, bo w Mediolanie kuta. Jeszcze przed rokiem była cośkolwiek na Zbyszka za luźna, ale ninie w sam raz.
— To już przeciw takiej żadna broń nie poradzi, prawda?
— Co ręka ludzka zrobiła, przeciw temu ręka ludzka poradzi. Na mediolańską zbroję — mediolański miecz albo też strzały Angielczyków


Za jedną z najdoskonalszych stali – jednak na miecze – uznawano stal z Damaszku – zwaną stalą damasceńską, lub damaskiem. Nieprzypadkowo,bowiem współcześni uczeni dowiedli,że stal ta zawierała w swej strukturze nanorurki węglowe które ją znacznie wzmacniały. Oczywiście o nanorurkach ówcześni kowale nie wiedzieli,tym bardziej należy uszanować ich kunszt i szczęście,ponieważ w ówczesnych czasach często trafiała się jednak krucha i łamliwa broń.Ówczesna stal bowiem często nie spełniałaby dzisiejszej definicji stali jako stopu żelaza z węglem, zawierającego do 2,11% węgla,a poddawana była zwykle dużo mniej dokładnym,jeśli chodzi o zakres temperatur – procesom hartowania

Prymitywne formy wytopu – czy to w dymarkach,czy to w prymitywnych piecach hutniczych, powodowały,że stal była bardziej nawęglona,co wiązało się – zwłaszcza po hartowaniu – właśnie z kruchością.Prymitywne narzędzia ograniczały możliwości kowala.Bardzo wiele zależało zatem od wiedzy i zdolności kowala prowadzącego dalszą obróbkę,a jej możliwości były dużo bardziej ograniczone,niż w przypadku miecza.Zbroja tak jak miecz była twarda i chroniła przed ostrzem – ale silniejsze uderzenie miecza czy topora bojowego,już nie mówiąc o kopii czy kuszy, mogło doprowadzić do jej przebicia. Jednocześnie musiała być jednak dopasowana,a czasem nawet w miarę ergonomiczna.Problem otrzymania sprawnej i a nawet do pewnego stopnia elastycznej stali jednak był przezwyciężany przez dawnych mistrzów płatnerskiej i kowalskiej sztuki.

Wikipedia - dymarka - rekonstrukcja z miejscowości Brusiek

W zasadzie, można było stosować głównie dwa rodzaje obróbki – cieplną (nagrzewanie) i plastyczną. Kowal który chciał wykuć miecz w zasadzie miał o tyle dobrze,że mógł stosować również rozmaite rozwiązania prymitywnej – lecz skutecznej – metalurgii,takie jak wykorzystanie moczu przy azotowaniu.Chemia była wtedy stosunkowo prymitywna,znano raczej jej szarlatańską wersję – Alchemię .Wynikały stąd pewne ograniczenia jeśli chodzi o pracę kowala czy płatnerza oraz ówczesnych metalurgów. W zasadzie podstawą była ciężka praca zwiększająca stopień przekucia umożliwiająca tworzenie bardziej włóknistej i drobnoziarnistej struktury,bowiem sama nawet obróbka cieplna żelaza (w tym hartowanie i odpuszczanie) ograniczała się do znajomości barw powiązanych z temperaturą,jak na poniższym obrazku:

Ale wynalezienie kuszy,a później wprowadzenie prochu i broni palnej wszystko zmieniło. Zbroja nie chroniła już tak dobrze przed pociskiem karabinowym. Stopniowo więc została wyeliminowana,pozostały jednak gdzieniegdzie pełniące funkcję ozdobną hełmy. Niebawem jednak,dzięki udoskonaleniu procesów metalurgicznych,stosunkowo lekkie hełmy powróciły na pole walki.

W początkach XX wieku,Polski wynalazca Jan Szczepanik pochodzący ze Zręcina pod Krosnem (co ciekawe – z tej samej okolicy, w której mieszkał wcześniej Ignacy Łukasiewicz) opracował jednocześnie z innym Polskim wynalazcą który wyjechał do USA – Kazimierzem Żegleniem. Ówczesna tkanina kuloodporna uratowała życie króla Hiszpanii Alfonsa XIII.Współczesne pancerze oraz kamizelki kuloodporne wykorzystują włókna aramidowe i tworzywo znane jako Kevlar (nazwa Kevlar® jest zastrzeżonym znakiem handlowym DuPont) czyli polimer znany chemikom jako:

PPTA, poli(tereftalano-1,4-fenylodiamid) lub poli(p-fenylotereftalanoamid), -[-CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH-]n

Co ciekawe materiał ten odkryła w USA córka Polskich emigrantów Stephanie Kwolek (Chwałek).

W praktyce jednak, wciąż w kamizelkach kuloodpornych stosuje się niekiedy również wkładki stalowe w celu lepszego zabezpieczenia ciała.Są one nieco mniej odporne niż tytanowe,ale dzięki temu,że pękają rozpraszają energię.Same włókna aramidowe jak kevlar mają również swoje wady i niedostatki – dla przykładu, kevlar źle sobie radzi z naprężeniami ściskającymi oraz wilgocią.

Ponadto nie zapominajmy,że oprócz środków ochrony indywidualnej, przez lata istniały środki ochrony zbiorowej – twierdze.Początki epoki muszkietów i przyszłych karabinów, to również początki idei opancerzonych ruchomych twierdz – czołgów – projekt pierwszego czołgu opracował Leonardo da Vinci.Lecz ruchome twierdze z metalu znane jako czołgi oraz transportery opancerzone to już dalsza część historii,wprowadzono tak naprawdę je dopiero w XX wieku. Jest to miejsce ,na następną część tej historii.część współczesną,w której będzie więcej współczesnych informacji technicznych na temat stalowego pancerza,nie sucha wiedza historyczna.