top
logo

Počítadlo

TOPlist

Knihy z naší nabídky


Úvodní Technika Olovo vs pancéřová ocel
Olovo vs pancéřová ocel Tisk Email
Hodnocení uživatelů: / 39
NejhoršíNejlepší 
Napsal uživatel Jan Komenda   
Středa, 02 Prosinec 2009 12:37

Olovo vs. Ocel - úvodní obrázek

  

Olovo proti pancéřové oceli – hádejte, kdo vyhrál

Úvod

V tomto článku jsou popsány poměrně zajímavé výsledky střeleckého experimentu, kterým byla vyvrácena klasická pojetí průbojnosti střel. Výsledky experimentu daly nečekanou odpověď na otázku položenou v názvu článku. Ukázalo se totiž, že i velmi měkké, tvárné olovo může být vysokopevnostní oceli zdatným protivníkem. 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
Oceli HARDOX vyráběné švédskou firmou SSAB Oxelösund jsou legované vysokopevnostní otěruvzdorné oceli pro široké spektrum strojírenských aplikací. Jsou dodávány ve více modifikacích, lišících se množstvím legur, odlišených třímístným číselným kódem, který odpovídá střední zaručené tvrdosti oceli podle Brinella (základní řada 400, 450, 500 a 600). Čím vyšší je číslo, tím je vyšší deklarovaná tvrdost a otěruvzdornost oceli i její pevnost v tahu, klesá však tažnost, houževnatost a zhoršuje se svařitelnost oceli.  
Z hlediska aplikací na střelnicích lze považovat za optimální kompromis materiál HARDOX 450 (s ohledem na požadavky na vysokou pevnost, tvrdost, houževnatost a svařitelnost materiálu určeného k výrobě balistických clon střelnic). Pro balistické aplikace, u nichž se předpokládá extrémní rázové namáhání, je možné vrubovou houževnatost materiálu HARDOX 450 považovat za limitní (tj. oceli HARDOX vyšších tříd není možné použít s ohledem na jejich nižší houževnatost a horší svařitelnost).  
Charakteristiky materiálu HARDOX 450:
  • tvrdost Brinell HB = 425 – 475
  • střední hodnota HB 450
  • mez kluzu Rp0,2 = 1200 MPa
  • mez pevnosti v tahu Rm = 1400 MPa
  • tažnost A = 10 % 
Z uvedeného přehledu základních charakteristik je zřejmé, že ocel HARDOX 450 svými mechanickými vlastnostmi výrazně převyšuje běžné konstrukční oceli. Svými parametry se blíží špičkovým pancéřovým ocelím ARMOX.

 

 

2.                   Experimentální střelby
Při střeleckých experimentech byl použit plech HARDOX 450 tloušťky 10 mm, který by měl zachytit každou střelu s dopadovou energií do 6500 Joulů. Účelem střeleckých experimentů proto bylo ověřit, zda uvedený předpoklad o záchytné schopnosti plechu HARDOX je reálný či nikoliv. S ohledem na výše uvedený limit byl pro postřelování plechů HARDOX 450 vybrán zbraňový systém, který dosahuje absolutních balistických limitů uvedených výše, a to s minimální ráží střely, tedy s maximální měrnou energií. Za těchto okolností je dosaženo nejméně příznivé situace z hlediska možnosti zachycení střely. Pokud by plechy při nástřelu vyhověly, bylo by možné předpokládat, že odolají i jiným střelám větší ráže se shodnou dopadovou energií. 
Pro srovnání: energii 6500 J má např. rovněž kilové závaží letící rychlostí asi 115 m/s, tj. více než 400 km/h. Lze očekávat, že tuto překážku je 10 mm plech z Hardoxu 450 schopen zastavit. 
Pro postřelování plechu tloušťky 10 mm byl vybrán zbraňový systém ráže 338 Lapua Magnum (8,6 x 69) s odstřelovací puškou TRG 42 (SAKO) a dvěma druhy nábojů, lišících se typem střely. Střelba byla vedena na vzdálenost 15 a 50 m. Smluvní ráže střely 338 LM je tedy 8,6 mm, této hodnotě přibližně odpovídá i skutečný průměr střel.  
Na plech 10 mm bylo vystřeleno náboji 338 Lapua Magnum s celoplášťovou střelou FMJ s komerčním označením Lock Base a expanzní střelou HP s dutinou v přední části označenou Scenar (u obou výrobce Lapua). Obě střely mají shodnou hmotnost 16,2 g; jsou tvořeny mosazným pláštěm s olověnou výplní. Nelze je tedy v žádném případě považovat za průbojné. Jejich počáteční rychlost se pohybuje kolem 900 m/s, tomu odpovídá počáteční kinetická energie asi 6600 J. Ve vzdálenosti 200 m od ústí mají střely rychlost mírně přes 800 m/s (energie okolo 5300 J). 
Oba náboje se vzhledově téměř neliší (obr.1), rozdíl je pouze ve tvaru špičky střel (střela Scenar má ve špičce otvor malého průměru – vyústění dutiny, která umožňuje vhodné rozložení hmot podél střely a současně dává střele Scenar lepší deformační schopnost ve srovnání se střelou Lock Base).  

Olovo vs. Ocel - obr.1 srovnání
 Obr.1 – Náboje ráže 338 Lapua Magnum (náboj se střelou Scenar zcela vpravo) ve srovnání s náboji 308 Winchester (HPBT) a 9 mm Luger (FMJ),  

 


Pro střelecké experimenty byly použity speciálně vyrobené 12,5 kg těžké tabule plechu HARDOX 450 tl. 10 mm čtvercového tvaru o délce strany 400 mm umístěné nepohyblivě ve speciálním držáku. Na plech bylo vystřeleno oběma druhy nábojů opakovaně – střely dopadaly na plech ve vzdálenosti 50 m nejen kolmo (úhel dopadu 90o), ale i pod úhlem 75o a 60o.  Při každém nástřelu byl pořízen záznam proniku barevnou rychlostní kamerou Redlake HG 100K. Při střeleckém experimentu byly dosaženy výsledky, které výše uvedený předpoklad balistické odolnosti plechu tl. 10 mm proti střelám s dopadovou energií 6500 Joulů nepotvrdily. Plech tloušťky 10 mm byl na vzdálenost 50 m prostřelen oběma druhy střel. Celoplášťové i expanzivní střely s olověnými jádry s dopadovou energii kolem 6000 - 6200 J při kolmém dopadu pronikly 10 mm plechem s přebytkem energie, přičemž průměr otvoru byl výrazně vyšší, než ráže střely. U celoplášťových střel Lock Base byl při kolmém dopadu střední průměr otvoru na vstupu kolem 12 mm, přičemž ráže střely je 8,6 mm. U střel Scenar s vnitřní dutinou je maximální rozměr nepravidelného otvoru okolo 20 mm. To je poněkud překvapivé s ohledem na konstrukci střely, která není optimalizována z hlediska průbojnosti. 

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. 

 

Olovo vs. Ocel - obr.2 výtrž z plechu a zbytek střely

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.  

Olovo vs. Ocel - obr.3  detail plechu 10mm po nástřelu

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. Olovo vs. Ocel - obr.4 simulace

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)  

Aktualizováno Středa, 16 Prosinec 2009 22:01
 

bottom

Založeno na Joomla!. Designed by: Free Joomla Template, tuvalu domain transfer. Valid XHTML and CSS.