«Башня ИС-3 не обеспечивает вполне надежной защиты от немецкого бронебойного снаряда»: моделирование 1945 года
В упор из KwK 43
Испытания башен ИС-3 отстрелом, проведенные на Уралмашзаводе (технический отчет ЦНИИ-48 и УМЗ «Подбор марки броневой стали для литой башни с резко переменными размерами по толщине в разных сечениях», 1945 г.) и материалы специальной комиссии по испытанию башен (акт испытания башен средней и высокой твердости, 1945 г.) показали, что башня танка ИС-3 не обеспечивает вполне надежной защиты против немецкого бронебойного снаряда калибра 88 мм с начальной скоростью 1000 м/сек. Этот вывод зафиксирован исследователями «Броневого института» (ЦНИИ-48) в 1945 году и подписан доктором технических наук, ученым-металловедом Андреем Сергеевичем Завьяловым. Для дальнейшего повествования напомним читателям о специфической терминологии.
Предел тыльной прочности (ПТП) – это максимальная скорость снаряда в момент удара, при которой броня еще держит удар без образования смертоносных осколков с внутренней стороны башни. На практике даже если снаряд не пробил броню насквозь, от сильного удара внутри танка могут отколоться куски металла, поражающие экипаж. Предел сквозного пробития (ПСП) – это скорость снаряда, при которой он прошивает броню насквозь. Твердость по Бринеллю – параметр, который измеряется по диаметру отпечатка от вдавленного стального шарика. Чем меньше цифра в мм, тем тверже сталь – шарик проникает на меньшую глубину.
KwK 43
В отчете об испытаниях башни ИС-3 специалистами Уралмашзавода указывается на невозможность защиты от 88-мм немецкой пушки KwK 43. Пушка, надо отметить, чрезвычайно мощная – монтировалась на «Королевский тигр» и выдавала у дульного среза 1000 м/с. Полевые стрельбы выявили неочевидную физическую закономерность, касающуюся свойств литой брони большой толщины (от 100 до 150 мм). В качестве подопытных взяли три башни – с броней высокой, средней и низкой твердости. Статистика показывает, что увеличение твердости стали не приводит к росту ее снарядостойкости против боеприпасов с высокой кинетической энергией. Сравнительный анализ параметров башен демонстрирует это предельно ясно: на участке башни «высокой твердости» (башня №18) при толщине стенки 146-152 мм предел тыльной прочности достигается при скорости снаряда 900 м/с, что эквивалентно дистанции обстрела в 1000 метров. Однако аналогичный участок башни «средней твердости» (башня №10) при толщине 146 мм способен выдержать попадание того же снаряда на скорости 990 м/с, что соответствует ведению огня с дистанции всего 100 метров.
Проще говоря, для толстой литой брони (свыше 100 мм) излишняя твердость — это зло. Твердая броня становится хрупкой. При колоссальном ударе 88-мм снаряда она колется, как стекло. А вот броня средней и пониженной твердости — более «вязкая». Она проминается, деформируется, но гасит кинетическую энергию снаряда, не давая трещин и внутренних осколков.
В отчете Уралмашзавода так и написано:
На основании проведенных испытаний было установлено, что более высокой противоснарядной стойкостью и живучестью обладают башни средней и пониженной твердости по сравнению с башнями высокой твердости. Но и башни средней твердости не обеспечивают полной защиты от немецкого бронебойного снаряда калибра 88 мм, т. к. пробиваются с дистанции до 1000 м в пределах курсовых углов от 0 до 90° (толщины от 90 мм до 150 мм), т. е. в местах, подвергающихся наиболее интенсивному обстрелу в бою.
В итоге сотрудникам ленинградского ЦНИИ-48 необходимо было дать предложения по улучшению сопротивляемости пробитию башни ИС-3 без изменения ее веса.
Цель была сформулирована следующим образом: оценить надежность броневой защиты существующего варианта башни танка ИС-3 в боевых условиях под огнем 88-мм немецкой пушки с начальной скоростью 1000 м/с, выяснить возможность повышения надежности броневой защиты башни путем перераспределения ее толщин в направлении обеспечения полного непробития ее в переднем секторе (0-90°) за счет уменьшения толщин заднего сектора (90-180°) при сохранении общего веса и конструктивных углов и дать конкретные предложения по изменению конструкции броневой защиты башни.
Для решения поставленной задачи был применен метод оценки и расчета бронирования танков, разработанный МФ ЦНИИ-48. Сущность метода заключается в оценке надежности броневой защиты по величине потерь в бою от пробития ее снарядами танковой и противотанковой артиллерии. Так как величина потерь от пробития броневой защиты принимается пропорциональной полной вероятности пробития броневой защиты, то последняя величина и является показателем надежности броневой защиты.
Перед нами пример математического моделирования стойкости брони, пожалуй, первый в истории советского танкостроения. Инженеры ЦНИИ-48 предложили отказаться от дорогостоящих натурных тестов, требующих солидных затрат средств и времени.
Пластическая операция для башни
Как было сказано выше, задачу перед ЦНИИ-48 поставили нетривиальную – усилить башню без увеличения веса. Сделать это можно было только за счет «пластической операции»: срезать часть металла с другой части танка и перекинуть эту высвободившуюся массу на лоб, чтобы сделать его непробиваемым. Вместо того чтобы отливать башни наугад и снова их расстреливать, инженеры провели математические расчеты. Они применили теорию вероятностей, разложив риск поражения танка на три переменные.
Шанс попадания: какова вероятность, что враг вообще попадет в башню? Это зависит от того, насколько башня большая, какую имеет форму и насколько сильно рассеиваются снаряды пушки при стрельбе.
Шанс пробития при условии попадания: если снаряд всё-таки ударил в броню, какова вероятность, что он ее прошьет? Это уже зависит от толщины и качества стали в конкретной точке.
Тотальный риск гибели башни: это главная итоговая цифра. Она получается из сложения всех рисков по каждому кусочку башни.
На бумаге было всё просто – необходимо было так распределить заданный вес башни, чтобы обеспечить получение наименьшей величины полной вероятности пробития башни в целом при условии полного непробития переднего сектора башни (0-90°). Вроде бы всё просто.
Для расчета были приняты следующие исходные данные:
1. Тип брони — башня средней твердости.
2. Калибр и тип снаряда — 88-мм германский бронебойный, остроголовый с бронебойным наконечником, вес — 10,16 кг, начальная скорость — 1000 м/сек.
3. Данные по противоснарядной стойкости брони по ПТП взяты из работы инж. М. Я. Герасимова «Тактические свойства отечественной гомогенной катаной брони» (труды ЦНИИ-НКТП и танковой промышленности № 20, 1945 г.).
При расчете стойкости брони башни, толщины литой брони, для приведения ее к катанной равной стойкости, уменьшались на 10%. Причина в том, что башню отливали, а не сваривали из цельных листов, и металл внутри мог быть неоднородным. Применение данных инженера Герасимова обеспечивает больший запас противоснарядной стойкости по сравнению с фактическими данными, полученными при обстреле башен.
4. Условия обстрела танка по дальности приняты следующие: максимальная дальность стрельбы по танку — 2000 м. Наивероятнейшая дальность стрельбы по танку — 500 м.
Стоит отметить, что условия моделируемого обстрела танка были взяты жестче, чем для более тяжелого и бронированного ИС-7. Для «семерки» дальность наивероятнейшего обстрела из KwK 43 была целых 800 м против 500 м для ИС-3.
Чтобы оценить надежность защиты танка без проведения реальных стрельб, советские инженеры применили метод геометрического разделения сложной полусферической башни на мелкие участки. Они мысленно расчертили ее поверхность на восемьдесят отдельных фрагментов, для каждого из которых составили подробную спецификацию. В ней были скрупулёзно зафиксированы точная толщина металла в конкретной точке и углы наклона брони по отношению к стреляющему противнику. При этом, учитывая, что литая сталь по своим характеристикам несколько уступает катаной, специалисты намеренно занизили расчётную толщину каждого участка на десять процентов, чтобы все последующие вычисления гарантированно имели необходимый запас прочности и надёжности.
Следующим шагом стало определение уязвимости каждого такого фрагмента в условиях маневренного боя. Для этого была применена логика теории вероятностей, согласно которой общий риск поражения элемента складывался из перемножения двух факторов: вероятности того, что вражеский наводчик вообще попадет в этот конкретный участок, и вероятности сквозного пробития брони в случае успешного попадания. Чтобы эти вычисления отражали реальность, исследователи учли сложную геометрию башни и вычислили ее пропорции. Это позволило математически описать, как часто различные участки брони будут подставляться под снаряд под прямым, наиболее опасным углом, а как часто — под острым углом, способствующим рикошету.
Заключительным этапом стало моделирование баллистических характеристик орудия противника — KwK 43. Взяв за основу наиболее вероятную дистанцию танкового боя в 500 м и среднюю высоту бронированной цели, инженеры рассчитали эллипс рассеивания снарядов. Они определили величину вероятного отклонения боеприпасов по вертикали и горизонтали при стрельбе с данного расстояния. Объединив данные о кучности немецкого орудия, углах встречи снаряда с поверхностью и скорректированной толщине каждого отдельного фрагмента, советские конструкторы смогли провести полноценный виртуальный обстрел танка на бумаге, детально спрогнозировав стойкость башни к вражескому огню.
Для точного определения уязвимости советским инженерам потребовалось вычислить, как именно будут ложиться вражеские снаряды на поверхность танка с учетом погрешности орудия. Поскольку башня имела сложную форму и была смещена относительно центральной оси корпуса машины, расчетчикам пришлось определять точные координаты центра рассеивания попаданий как по горизонтали, так и по вертикали. Все эти смещения для каждого отдельного сектора башни были тщательно пересчитаны с учетом вероятных отклонений летящего боеприпаса и сведены во вспомогательные таблицы. По сути, специалисты привязали математическую модель «облака» летящих болванок к реальным габаритам конкретной боевой машины.
Самым поразительным этапом этого исследования стал сам процесс вычислений, заменявший в сороковые годы компьютерное 3D-моделирование. Чтобы высчитать шансы поражения для каждого изогнутого элемента брони, инженеры использовали обычную чертежную кальку. На ней в строгом масштабе вычерчивались силуэты участков башни и особые тактические диаграммы пробиваемости. Затем эта прозрачная калька накладывалась на специальную расчетную сетку, состоящую из множества мелких прямоугольников. Исследователи вручную скрупулёзно подсчитывали количество прямоугольников сетки, оказавшихся внутри нарисованного на кальке контура. Отношение подсчитанных клеточек к формуле базового масштаба и давало точный процент вероятности попадания или пробития для каждого кусочка брони.
Итогом этой колоссальной графической и аналитической работы стал полный «паспорт уязвимости» всей башни. В нем для каждого из десятков мелких фрагментов лобовой и бортовой проекций собраны воедино все исходные данные: физическая толщина отлитого металла, углы его наклона и поворота. Отдельно выделены итоговые показатели риска, полученные путем подсчета клеточек на кальке. Таким образом, конструкторы получили наглядную и математически обоснованную карту выживаемости, точно показывающую, какие зоны выдержат удар, а какие требуют немедленного перераспределения стального массива.
Итоги математического моделирования показали, что для абсолютной стойкости башни ИС-3 к немецкой KwK 43 потребуется еще не менее полутонны брони. Делать это было нельзя, поэтому решено было отщипнуть от наименее угрожаемой тыльной части корпуса. При этом принципиально важным инженерным решением стало то, что внешняя форма танка и конструктивные углы наклона брони остались абсолютно неизменными — поменялась лишь внутренняя геометрия отливки металлического массива.
Исторический документ «Изменение конструкции башни танка ИС-3 с целью повышения надежности её броневой защиты (тема Б-128)», свидетельствующий высочайшую квалификацию советских ученых, хранится в Российском государственном архиве экономики.
Информация