Olovo proti pancé?ové oceli – hádejte, kdo vyhrálÚvod V tomto ?lánku jsou popsány pom?rn? zajímavé výsledky st?eleckého experimentu, kterým byla vyvrácena klasická pojetí pr?bojnosti st?el. Výsledky experimentu daly ne?ekanou odpov?? na otázku položenou v názvu ?lánku. Ukázalo se totiž, že i velmi m?kké, tvárné olovo m?že být vysokopevnostní oceli zdatným protivníkem. Cílem ?ásti st?eleckých experiment?, jejichž výsledek je popsán v tomto ?lánku, bylo stanovení balistické odolnosti plech? HARDOX proti pr?bojným i nepr?bojným st?elám. Ocelový plech švédské výroby HARDOX 450 je používán mj. jako základní konstruk?ní materiál pro výrobu balistických clon a záchyt? na st?elnicích ur?ených pro st?elbu z ru?ních zbraní. Výsledky st?eleckých experiment? se zbra?ovými systémy vysokého balistického výkonu jsou dopln?ny simulacemi proniku st?el tlustost?nným ocelovým plechem s využitím SW Ansys Autodyn.
1. Oceli HARDOX Oceli HARDOX vyráb?né švédskou firmou SSAB Oxelösund jsou legované vysokopevnostní ot?ruvzdorné oceli pro široké spektrum strojírenských aplikací. Jsou dodávány ve více modifikacích, lišících se množstvím legur, odlišených t?ímístným ?íselným kódem, který odpovídá st?ední zaru?ené tvrdosti oceli podle Brinella (základní ?ada 400, 450, 500 a 600). ?ím vyšší je ?íslo, tím je vyšší deklarovaná tvrdost a ot?ruvzdornost oceli i její pevnost v tahu, klesá však tažnost, houževnatost a zhoršuje se sva?itelnost oceli. Z hlediska aplikací na st?elnicích lze považovat za optimální kompromis materiál HARDOX 450 (s ohledem na požadavky na vysokou pevnost, tvrdost, houževnatost a sva?itelnost materiálu ur?eného k výrob? balistických clon st?elnic). Pro balistické aplikace, u nichž se p?edpokládá extrémní rázové namáhání, je možné vrubovou houževnatost materiálu HARDOX 450 považovat za limitní (tj. oceli HARDOX vyšších t?íd není možné použít s ohledem na jejich nižší houževnatost a horší sva?itelnost). Charakteristiky materiálu HARDOX 450: tvrdost Brinell HB = 425 – 475 st?ední hodnota HB 450 mez kluzu Rp0,2 = 1200 MPa mez pevnosti v tahu Rm = 1400 MPa tažnost A = 10 %
Z uvedeného p?ehledu základních charakteristik je z?ejmé, že ocel HARDOX 450 svými mechanickými vlastnostmi výrazn? p?evyšuje b?žné konstruk?ní oceli. Svými parametry se blíží špi?kovým pancé?ovým ocelím ARMOX. 2. Experimentální st?elby P?i st?eleckých experimentech byl použit plech HARDOX 450 tlouš?ky 10 mm, který by m?l zachytit každou st?elu s dopadovou energií do 6500 Joul?. Ú?elem st?eleckých experiment? proto bylo ov??it, zda uvedený p?edpoklad o záchytné schopnosti plechu HARDOX je reálný ?i nikoliv. S ohledem na výše uvedený limit byl pro post?elování plech? HARDOX 450 vybrán zbra?ový systém, který dosahuje absolutních balistických limit? uvedených výše, a to s minimální ráží st?ely, tedy s maximální m?rnou energií. Za t?chto okolností je dosaženo nejmén? p?íznivé situace z hlediska možnosti zachycení st?ely. Pokud by plechy p?i nást?elu vyhov?ly, bylo by možné p?edpokládat, že odolají i jiným st?elám v?tší ráže se shodnou dopadovou energií. Pro srovnání: energii 6500 J má nap?. rovn?ž kilové závaží letící rychlostí asi 115 m/s, tj. více než 400 km/h. Lze o?ekávat, že tuto p?ekážku je 10 mm plech z Hardoxu 450 schopen zastavit. Pro post?elování plechu tlouš?ky 10 mm byl vybrán zbra?ový systém ráže 338 Lapua Magnum (8,6 x 69) s odst?elovací puškou TRG 42 (SAKO) a dv?ma druhy náboj?, lišících se typem st?ely. St?elba byla vedena na vzdálenost 15 a 50 m. Smluvní ráže st?ely 338 LM je tedy 8,6 mm, této hodnot? p?ibližn? odpovídá i skute?ný pr?m?r st?el. Na plech 10 mm bylo vyst?eleno náboji 338 Lapua Magnum s celopláš?ovou st?elou FMJ s komer?ním ozna?ením Lock Base a expanzní st?elou HP s dutinou v p?ední ?ásti ozna?enou Scenar (u obou výrobce Lapua). Ob? st?ely mají shodnou hmotnost 16,2 g; jsou tvo?eny mosazným plášt?m s olov?nou výplní. Nelze je tedy v žádném p?ípad? považovat za pr?bojné. Jejich po?áte?ní rychlost se pohybuje kolem 900 m/s, tomu odpovídá po?áte?ní kinetická energie asi 6600 J. Ve vzdálenosti 200 m od ústí mají st?ely rychlost mírn? p?es 800 m/s (energie okolo 5300 J). Oba náboje se vzhledov? tém?? neliší (obr.1), rozdíl je pouze ve tvaru špi?ky st?el (st?ela Scenar má ve špi?ce otvor malého pr?m?ru – vyúst?ní dutiny, která umož?uje vhodné rozložení hmot podél st?ely a sou?asn? dává st?ele Scenar lepší deforma?ní schopnost ve srovnání se st?elou Lock Base). 
Obr.1 – Náboje ráže 338 Lapua Magnum (náboj se st?elou Scenar zcela vpravo) ve srovnání s náboji 308 Winchester (HPBT) a 9 mm Luger (FMJ),
Pro st?elecké experimenty byly použity speciáln? vyrobené 12,5 kg t?žké tabule plechu HARDOX 450 tl. 10 mm ?tvercového tvaru o délce strany 400 mm umíst?né nepohybliv? ve speciálním držáku. Na plech bylo vyst?eleno ob?ma druhy náboj? opakovan? – st?ely dopadaly na plech ve vzdálenosti 50 m nejen kolmo (úhel dopadu 90o), ale i pod úhlem 75o a 60o. P?i každém nást?elu byl po?ízen záznam proniku barevnou rychlostní kamerou Redlake HG 100K. P?i st?eleckém experimentu byly dosaženy výsledky, které výše uvedený p?edpoklad balistické odolnosti plechu tl. 10 mm proti st?elám s dopadovou energií 6500 Joul? nepotvrdily. Plech tlouš?ky 10 mm byl na vzdálenost 50 m prost?elen ob?ma druhy st?el. Celopláš?ové i expanzivní st?ely s olov?nými jádry s dopadovou energii kolem 6000 - 6200 J p?i kolmém dopadu pronikly 10 mm plechem s p?ebytkem energie, p?i?emž pr?m?r otvoru byl výrazn? vyšší, než ráže st?ely. U celopláš?ových st?el Lock Base byl p?i kolmém dopadu st?ední pr?m?r otvoru na vstupu kolem 12 mm, p?i?emž ráže st?ely je 8,6 mm. U st?el Scenar s vnit?ní dutinou je maximální rozm?r nepravidelného otvoru okolo 20 mm. To je pon?kud p?ekvapivé s ohledem na konstrukci st?ely, která není optimalizována z hlediska pr?bojnosti.
Ve všech p?ípadech, kdy st?ela 338 LM pronikla plechem, vznikla mohutná výtrž z plechu. Samotná st?ela se rozložila na malé st?epiny s výjimkou menšího zbytku ze zadní ?ásti, který pronikl za výtrží plechem. I p?i dopadovém úhlu 75 stup?? (m??eno od roviny plechu) celopláš?ová st?ela plechem pronikla. P?i dopadu st?ely pod úhlem 60 stup?? však k probití nedošlo. P?í?inou tohoto jevu je jednak zv?tšení tlouš?ky plechu p?i šikmém proniku (p?i odchýlení st?ely od kolmice), jednak zlepšení podmínek pro skluz a odraz st?ely od nást?elné strany plechu. Pro srovnání bylo na stejný plech vyst?eleno i odst?elovacími puškami ráže 7,62 mm - puškou Dragunov SVD v ráži 7,62 x 54 R s vojenskými náboji s pr?bojnou zápalnou st?elou o hmotnosti 10,4 g (dopadová energie kolem 3400 J) a puškou Sig Sauer 3000 v ráži 308 Winchester náboji s expanzivní st?elou Diamond line o hmotnosti 10,9 gram? (dopadová energie kolem 3200 J). Zatímco st?ely z Dragunova s ocelovým jádrem 10 mm plech probily, st?ely ráže 308 Win s olov?nou výplní nem?ly šanci, a to ani v p?ípad? nást?elu p?ti st?elami do stejného místa. 3. Mechanizmus probití plechu P?i dopadu pláš?ové st?ely s olov?nou výplní na ocelovou desku dostate?né tlouš?ky relativn? nízkou rychlostí dochází k deformaci st?ely a jejímu postupnému rozpadu bez toho, aniž by došlo k nejen proniku, ale i k dosažení hloubkového ú?inku na desce. V míst? dopadu st?ely vzniká na desce jen povrchová trvalá deformace. Pokud je jako ter? použit pancí? s tvrdou povrchovou vrstvou, jsou povrchové zm?ny na pancí?i zanedbatelné. U mén? kvalitních plech? menší tvrdosti vznikne na povrchu m?lká prohlube?. Pokud však stejná st?ela dopadá nadlimitní, vysoce nadzvukovou rychlostí a má tedy relativn? vysokou dopadovou energii, dochází v první fázi po nárazu rovn?ž k deformaci st?ely, která se zkracuje a nabývá na pr?m?ru. V d?sledku vysoké dopadové energie st?ely však dochází k poškození povrchové vrstvy desky, i když má relativn? vysokou tvrdost. K tomu p?ispívá tvar plášt? st?ely s ostrou špi?kou, která je pom?rn? kompaktní. St?ela postupn? vniká do hloubky desky, dále se deformuje a v p?ední ?ásti se rozkládá (zv?tšuje pr?m?r a zkracuje se, ubývá erodující a t?íštící se materiál výpln? st?ely - olovo). Sou?asn? dochází k erozi materiálu desky v míst? vstupu a st?elný kanál rovn?ž nabývá na pr?m?ru. Tyto zásadní zm?ny balistických pom?r? jsou tedy ideální pro to, aby st?ela byla zastavena a deskou nepronikla. Roste totiž nejen plocha p?í?ného pr??ezu st?ely, ale navíc i výrazn? klesá rychlost a zejména hmotnost st?ely, dochází tedy k extrémn? vysokému poklesu m?rné energie st?ely b?hem pronikání st?ely deskou. Pokud je však dopadová energie st?ely vysoká, dochází p?i dosažení ur?ité hloubky vniku zbytku st?ely do desky ke smykovému porušení zbývající vrstvy desky za vzniku masivní výtrže z desky. Za ní proniká deskou p?etvo?ený zbytek rozložené st?ely o p?ibližn? stejném pr?m?ru. St?ední pr?m?r st?elného kanálu je tak podstatn? v?tší, než pr?m?r dopadající st?ely (až dvojnásobn?). Na obr.2 je zobrazena výtrž z plechu spolu se st?elou. Ob? ?ásti byly zachyceny v textilním záchytu a lze proto p?edpokládat, že u nich nenastala sekundární deformace po opušt?ní plechu.  Obr.2 – Výtrž z plechu HARDOX 450 tl. 10 mm po nást?elu puškovým nábojem ráže 338 Lapua Magnum s celopláš?ovou st?elou Lock Base (vlevo) a olov?ný zbytek st?ely (vpravo). St?ední pr?m?r výtrže 12,5 mm. 
Na obr.3 je detail vstupní ?ásti st?elného kanálu, který vytvo?ila st?ela 338 LM Scenar. Podobný mechanismus proniku plechem byl zaznamenán jak u st?ely celopláš?ové, tak u st?ely s dutinou. Vzhledem k tomu, že expanzní st?ela se snadn?ji deformovala, bylo dosaženo paradoxn? v?tšího pr?m?ru st?elného kanálu i samotné výtrže, než v p?ípad? celopláš?ové st?ely. St?elecké experimenty tedy prokázaly, že pokud má st?ela dostatek energie p?i dopadu na plech ur?ité tlouš?ky, dojde k probití plechu i v p?ípad? extrémn? velkého rozdílu v tvrdosti a pevnosti materiálu st?ely a plechu (tvrdost plechu HARDOX 450 je výrazn? vyšší, než tvrdost olova). O pr?bojné schopnosti st?ely tedy p?i vysokých dopadových energiích tém?? v?bec nerozhoduje její konstrukce. Obr.3 – Detail vstupní ?ásti st?elného kanálu v plechu 10 mm po nást?elu puškovým nábojem ráže 338 Lapua Magnum s expanzní st?elou Scenar. 4. Simulace K dopln?ní experimentáln? získaných výsledk? a hlubšímu objasn?ní mechanismu pr?niku st?el Lock Base a Scenar ráže 338 Lapua Magnum 10 mm tlustou deskou Hardoxu byly provedeny simulace vybraných pr?st?el? (viz sekce Videa - Lock Base a Scenar). Po?íta?ové simulace jsou moderním a ú?inným nástrojem pro zkoumání d?j? ve všech v?dních oblastech a zejména tam, kde nelze funk?ní zm?ny s ohledem na vysokou rychlost reáln? probíhajících d?j? postihnout lidskými smysly a jen st?ží je lze dokumentovat m??ící a záznamovou technikou. Koncová balistika je tak pro simulace ideálním objektem. Simulace umož?ují sledovat d?j v jeho pr?b?hu, zkoumat vliv jednotlivých parametr? na pr?b?h d?je, a relativn? snadno realizovat velké množství variant bez nutnosti provedení rozsáhlých, ?asov? náro?ných a drahých experiment?. Použitý druh simulace pomocí programu Ansys Autodyn využívá metodu kone?ných prvk?, která je numerickým nástrojem pro ?ešení proces?, jež nelze jednoduše popsat p?ímo ?ešitelnými rovnicemi.  Výpo?tový model je vytvo?en na základ? geometrie použitých st?el a cíle jako 2D model s využitím symetrie. St?ela definované geometrie (z hlediska vn?jšího tvaru i vnit?ní konstrukce) je rozložena na ur?itý (kone?ný) po?et prvk? definovaného tvaru, které jsou dále použity pro výpo?et i zobrazení výsledk?. Pro simulaci reálného chování st?ely v p?ekážce je velmi d?ležitá znalost materiálových charakteristik st?ely a prost?elovaného cíle. P?i výpo?tu byly u obou objekt? využity modifikované charakteristiky z materiálové knihovny programu. Skute?ná dopadová rychlost st?ely nebyla p?i experimentu m??ena, proto je uvažována hodnota 880 m/s pro ob? st?ely. Parametry experimentu, které lze p?i simulaci srovnávat, jsou pr?m?r a tvar st?elného kanálu i vytrženého materiálu st?elou z desky. Cílem je nalézt soulad výsledk? simulace s výsledky experimentu. Animace pr?st?elu ukazuje na podobný pr?b?h pr?st?elu plechu u obou st?el. I p?esto, že st?ely se zna?né deformují, mají s ohledem na dostatek energie schopnost prost?elení plechu. ?elní rovina plechu se i p?es vysokou dopadovou energii st?ely deformuje jen nepatrn?. Pr?m?r otvoru v plechu má velkou shodu s experimentem u st?ely Lock Base, u st?ely Scenar odpovídá pr?m?r ale je jiný pr?b?h pr?m?ru po délce otvoru. Rovn?ž simulace nepostihla sražení hrany na vst?elu, tj. na po?átku st?elného kanálu, které m?že být zp?sobeno v?tší povrchovou tvrdostí zkoušeného materiálu oproti simulaci. Srovnání zbytku st?ely po pr?st?elu je možné pouze u st?ely Lock Base a odpovídá simulaci. Výtrž z plechu vykazuje v?tší rozdíly, ?áste?ná shoda je v p?ípad? st?ely Lock Base. Výsledky simulace p?ibližují d?j pr?st?elu a z velké míry odpovídají výsledk?m st?eleckých experiment?. V?tší shodu simulace s experimentem umožní zp?esn?ní materiálových charakteristik použitých model? a m??ení více parametr? p?i experimentu (rychlost st?ely p?ed a po pr?st?elu). Záv?r: Provedenými experimenty z oblasti terminální balistiky by zjišt?no, že plech HARDOX 450 o tl. 10 mm nespl?uje balistickou odolnost proti nepr?bojným st?elám o dopadové energii 6500 J p?i kolmém i mírn? šikmém dopadu (do cca 65 stup?? od roviny plechu). Plech uvedené tlouš?ky je schopen p?i kolmém dopadu bezpe?n? zastavit nepr?bojné st?ely o dopadové energii 3 000 - 4000 Joul? (v závislosti na ráži), p?i šikmém dopadu i nepr?bojné st?ely o dopadové energii až 6500 Joul?. Není však schopen odolat pr?bojným st?elám s ocelovými jádry o dopadové energii 3000 J a vyšší. Na tomto ?lánku spolupracovali: Doc. Ing. Jan KOMENDA, CSc. - Katedra zbraní a munice (?ást experimentální) Ing. Juraj HUB, Ph.D. - Katedra letecké a raketové techniky (?ást simula?ní) |
