Olovo vs pancéřová ocel |
Olovo proti pancéřové oceli – hádejte, kdo vyhrálÚvod Cílem části střeleckých experimentů, jejichž výsledek je popsán v tomto článku, bylo stanovení balistické odolnosti plechů HARDOX proti průbojným i neprůbojným střelám. Ocelový plech švédské výroby HARDOX 450 je používán mj. jako základní konstrukční materiál pro výrobu balistických clon a záchytů na střelnicích určených pro střelbu z ručních zbraní. Výsledky střeleckých experimentů se zbraňovými systémy vysokého balistického výkonu jsou doplněny simulacemi proniku střel tlustostěnným ocelovým plechem s využitím SW Ansys Autodyn. 1. Oceli HARDOX
2. Experimentální střelby
Ve všech případech, kdy střela 338 LM pronikla plechem, vznikla mohutná výtrž z plechu. Samotná střela se rozložila na malé střepiny s výjimkou menšího zbytku ze zadní části, který pronikl za výtrží plechem. I při dopadovém úhlu 75 stupňů (měřeno od roviny plechu) celoplášťová střela plechem pronikla. Při dopadu střely pod úhlem 60 stupňů však k probití nedošlo. Příčinou tohoto jevu je jednak zvětšení tloušťky plechu při šikmém proniku (při odchýlení střely od kolmice), jednak zlepšení podmínek pro skluz a odraz střely od nástřelné strany plechu. Pro srovnání bylo na stejný plech vystřeleno i odstřelovacími puškami ráže 7,62 mm - puškou Dragunov SVD v ráži 7,62 x 54 R s vojenskými náboji s průbojnou zápalnou střelou o hmotnosti 10,4 g (dopadová energie kolem 3400 J) a puškou Sig Sauer 3000 v ráži 308 Winchester náboji s expanzivní střelou Diamond line o hmotnosti 10,9 gramů (dopadová energie kolem 3200 J). Zatímco střely z Dragunova s ocelovým jádrem 10 mm plech probily, střely ráže 308 Win s olověnou výplní neměly šanci, a to ani v případě nástřelu pěti střelami do stejného místa.
3. Mechanizmus probití plechu Při dopadu plášťové střely s olověnou výplní na ocelovou desku dostatečné tloušťky relativně nízkou rychlostí dochází k deformaci střely a jejímu postupnému rozpadu bez toho, aniž by došlo k nejen proniku, ale i k dosažení hloubkového účinku na desce. V místě dopadu střely vzniká na desce jen povrchová trvalá deformace. Pokud je jako terč použit pancíř s tvrdou povrchovou vrstvou, jsou povrchové změny na pancíři zanedbatelné. U méně kvalitních plechů menší tvrdosti vznikne na povrchu mělká prohlubeň. Pokud však stejná střela dopadá nadlimitní, vysoce nadzvukovou rychlostí a má tedy relativně vysokou dopadovou energii, dochází v první fázi po nárazu rovněž k deformaci střely, která se zkracuje a nabývá na průměru. V důsledku vysoké dopadové energie střely však dochází k poškození povrchové vrstvy desky, i když má relativně vysokou tvrdost. K tomu přispívá tvar pláště střely s ostrou špičkou, která je poměrně kompaktní. Střela postupně vniká do hloubky desky, dále se deformuje a v přední části se rozkládá (zvětšuje průměr a zkracuje se, ubývá erodující a tříštící se materiál výplně střely - olovo). Současně dochází k erozi materiálu desky v místě vstupu a střelný kanál rovněž nabývá na průměru. Tyto zásadní změny balistických poměrů jsou tedy ideální pro to, aby střela byla zastavena a deskou nepronikla. Roste totiž nejen plocha příčného průřezu střely, ale navíc i výrazně klesá rychlost a zejména hmotnost střely, dochází tedy k extrémně vysokému poklesu měrné energie střely během pronikání střely deskou. Pokud je však dopadová energie střely vysoká, dochází při dosažení určité hloubky vniku zbytku střely do desky ke smykovému porušení zbývající vrstvy desky za vzniku masivní výtrže z desky. Za ní proniká deskou přetvořený zbytek rozložené střely o přibližně stejném průměru. Střední průměr střelného kanálu je tak podstatně větší, než průměr dopadající střely (až dvojnásobně). Na obr.2 je zobrazena výtrž z plechu spolu se střelou. Obě části byly zachyceny v textilním záchytu a lze proto předpokládat, že u nich nenastala sekundární deformace po opuštění plechu.
Obr.2 – Výtrž z plechu HARDOX 450 tl. 10 mm po nástřelu puškovým nábojem ráže 338 Lapua Magnum s celoplášťovou střelou Lock Base (vlevo) a olověný zbytek střely (vpravo). Střední průměr výtrže 12,5 mm. Na obr.3 je detail vstupní části střelného kanálu, který vytvořila střela 338 LM Scenar. Podobný mechanismus proniku plechem byl zaznamenán jak u střely celoplášťové, tak u střely s dutinou. Vzhledem k tomu, že expanzní střela se snadněji deformovala, bylo dosaženo paradoxně většího průměru střelného kanálu i samotné výtrže, než v případě celoplášťové střely. Střelecké experimenty tedy prokázaly, že pokud má střela dostatek energie při dopadu na plech určité tloušťky, dojde k probití plechu i v případě extrémně velkého rozdílu v tvrdosti a pevnosti materiálu střely a plechu (tvrdost plechu HARDOX 450 je výrazně vyšší, než tvrdost olova). O průbojné schopnosti střely tedy při vysokých dopadových energiích téměř vůbec nerozhoduje její konstrukce. Obr.3 – Detail vstupní části střelného kanálu v plechu 10 mm po nástřelu puškovým nábojem ráže 338 Lapua Magnum s expanzní střelou Scenar.
4. Simulace K doplnění experimentálně získaných výsledků a hlubšímu objasnění mechanismu průniku střel Lock Base a Scenar ráže 338 Lapua Magnum 10 mm tlustou deskou Hardoxu byly provedeny simulace vybraných průstřelů (viz sekce Videa - Lock Base a Scenar). Počítačové simulace jsou moderním a účinným nástrojem pro zkoumání dějů ve všech vědních oblastech a zejména tam, kde nelze funkční změny s ohledem na vysokou rychlost reálně probíhajících dějů postihnout lidskými smysly a jen stěží je lze dokumentovat měřící a záznamovou technikou. Koncová balistika je tak pro simulace ideálním objektem. Simulace umožňují sledovat děj v jeho průběhu, zkoumat vliv jednotlivých parametrů na průběh děje, a relativně snadno realizovat velké množství variant bez nutnosti provedení rozsáhlých, časově náročných a drahých experimentů. Použitý druh simulace pomocí programu Ansys Autodyn využívá metodu konečných prvků, která je numerickým nástrojem pro řešení procesů, jež nelze jednoduše popsat přímo řešitelnými rovnicemi. Výpočtový model je vytvořen na základě geometrie použitých střel a cíle jako 2D model s využitím symetrie. Střela definované geometrie (z hlediska vnějšího tvaru i vnitřní konstrukce) je rozložena na určitý (konečný) počet prvků definovaného tvaru, které jsou dále použity pro výpočet i zobrazení výsledků. Pro simulaci reálného chování střely v překážce je velmi důležitá znalost materiálových charakteristik střely a prostřelovaného cíle. Při výpočtu byly u obou objektů využity modifikované charakteristiky z materiálové knihovny programu. Skutečná dopadová rychlost střely nebyla při experimentu měřena, proto je uvažována hodnota 880 m/s pro obě střely. Parametry experimentu, které lze při simulaci srovnávat, jsou průměr a tvar střelného kanálu i vytrženého materiálu střelou z desky. Cílem je nalézt soulad výsledků simulace s výsledky experimentu. Animace průstřelu ukazuje na podobný průběh průstřelu plechu u obou střel. I přesto, že střely se značné deformují, mají s ohledem na dostatek energie schopnost prostřelení plechu. Čelní rovina plechu se i přes vysokou dopadovou energii střely deformuje jen nepatrně. Průměr otvoru v plechu má velkou shodu s experimentem u střely Lock Base, u střely Scenar odpovídá průměr ale je jiný průběh průměru po délce otvoru. Rovněž simulace nepostihla sražení hrany na vstřelu, tj. na počátku střelného kanálu, které může být způsobeno větší povrchovou tvrdostí zkoušeného materiálu oproti simulaci. Srovnání zbytku střely po průstřelu je možné pouze u střely Lock Base a odpovídá simulaci. Výtrž z plechu vykazuje větší rozdíly, částečná shoda je v případě střely Lock Base. Výsledky simulace přibližují děj průstřelu a z velké míry odpovídají výsledkům střeleckých experimentů. Větší shodu simulace s experimentem umožní zpřesnění materiálových charakteristik použitých modelů a měření více parametrů při experimentu (rychlost střely před a po průstřelu).
Závěr: Provedenými experimenty z oblasti terminální balistiky by zjištěno, že plech HARDOX 450 o tl. 10 mm nesplňuje balistickou odolnost proti neprůbojným střelám o dopadové energii 6500 J při kolmém i mírně šikmém dopadu (do cca 65 stupňů od roviny plechu). Plech uvedené tloušťky je schopen při kolmém dopadu bezpečně zastavit neprůbojné střely o dopadové energii 3 000 - 4000 Joulů (v závislosti na ráži), při šikmém dopadu i neprůbojné střely o dopadové energii až 6500 Joulů. Není však schopen odolat průbojným střelám s ocelovými jádry o dopadové energii 3000 J a vyšší.
Na tomto článku spolupracovali: Doc. Ing. Jan KOMENDA, CSc. - Katedra zbraní a munice (část experimentální) Ing. Juraj HUB, Ph.D. - Katedra letecké a raketové techniky (část simulační) |