Verbundpanzerung
Eine Verbundpanzerung ist eine Panzerung welche aus verschiedenen Schichten von Materialien besteht. Sie soll einen möglichst weitreichenden Schutz gegen verschiedene Angriffsformen mit panzerbrechender Munition gewährleisten. Darunter sind Hohlladungs- und Wuchtgeschosse, Quetschkopfmunition und Panzerabwehrminen. Dazu werden in die Verbundpanzerung verschiedene Materialien eingearbeitet. Erstmals kam die Verbundpanzerung beim sowjetischen T-64 Kampfpanzer zum Einsatz.
Grundlagen
Die Entwicklung von Hohlladungsgeschossen und Raketen nach 1942 stellte eine enorme Bedrohung für Panzer dar, da sie Panzerungen aus Stahl in Stärken durchschlagen konnten, die es nicht mehr praktikabel machten, einen dagegen sicheren Panzer zu bauen. Dies wurde insbesondere wärend des Jom-Kippur-Krieg deutlich, als viele israelische Panzer von russischen Panzerabwehrlenkwaffen zerstört wurden.[1] Dies führte auch auf Seiten des Westens zu einer forcierten Entwicklung von Verbundpanzerungen, welche in der darauffolgenden Kampfpanzergeneration (Leopard 2, M1 Abrams, Challenger 1) erstmals zum Einsatz kam.
Das Ziel einer Verbundpanzerung ist es ein gefordertes Schutzniveau durch die Kombination von verschiedensten Materialien zu erreichen, wobei das Gewicht einer solchen Anordnung signifikant unter dem Gewicht einer Panzerung aus homogenem Panzerstahl mit demselben Schutz liegt. Die Schutzwirkung einer Verbundpanzerung wird in RHA angegeben, dies entspricht dem Schutzniveau einer Panzerstahlplatte mit eben dieser Stärke. Die Effektivität einer Verbundpanzerung wird mit zwei Werten angegeben:
- TE (thickness effectiveness): RHA-Äquivalent einer Panzerung im Vergleich zu ihrer Dicke
- EM (mass efficiency): Gewicht einer Panzerung im Vergleich zu Panzerstahl derselben Schutzwirkung
Eine Aluminiumknetlegierung von Typ Al-5XXX besitzt zum Beispiel eine TE von 0,6. Eine 100 mm dicke Aluminiumplatte besitzt somit ein Schutzniveau von 60 mm Panzerstahl. Um eine Schutzwirkung von 100 mm RHA zu erreichen wären 166,66 mm Aluminium notwendig:
Eine Aluminiumlegierung besitzt nur 34,6% der Dichte einer Stahllegierung. Der EM-Wert der Aluminiumlegierung beträgt somit:
Natur- und definitionsgemäß ist besitzt Panzerstahl TE = 1 und EM = 1. Diese Rechnung ist ein stark vereinfachtes Beispiel, da eine Verbundpanzerung auf unterschiedliche Bedrohungen (Hohlladung, Hartkerngeschoss, APFSDS) anders reagiert. Die EM-Werte einer Titanlegierung unter APFSDS-Beschuß variieren zum Beispiel von 1,44 bis 1,9, je nach Penetratormaterial, Längen/Durchmesserverhältnis und Geschwindigkeit.[2]
Panzerstahl
RHA
Normaler gewalzter Panzerstahl (rolled homogeneous armour), welcher sowohl hohe Zähigkeit (gegen Rissbildung) als auch Härte (bis 300 Brinell) aufweisen soll. Dies wird durch die Verwendung von Legierungsbestandteilen wie Mangan, Molybdän, Vanadium, Chrom, Nickel etc. sowie Einlagerung von Kohlenstoff Zementit und Stickstoff erreicht, wobei die genaue Zusammensetzung ein von den Militärs streng gehütetes Geheimnis bleibt. Panzerstahl ist für eine Panzerung immer noch das Material erster Wahl, da es im Vergleich zu anderen Materialien leicht und billig herzustellen und zu verarbeiten ist.
HHA
Gehärtete Stahlplatte (hard homogeneous armor). Durch die höhere Härte welche teilweise über 600 HB liegt kann das Material nicht mehr für tragende Strukturen verwendet werden, da es zu spröde ist. Da das Härten von Stahl nicht mit beliebig dicken Platten erfolgen kann werden oft mehrere dünne Platten gehärtet und übereinander gelegt. Der TE von gehärtetem Stahl kann bis zu 1,6 betragen. Ein Anwendungsbeispiel ist der Leopard 1A3.
Perforierte Panzerung
Bei der perforierten Panzerung werden in Stahlplatten kleine Löcher gebohrt, idealerweise sollte der Durchmesser kleiner oder gleich wie die zu erwartende Bedrohung sein. Die Platten werden anschließend gehärtet, damit auch die Lochinnenwand davon profitiert. Beim Einbau können mehrere Platten hintereinander gestapelt werden, das Lochmuster sollte dabei alternieren um eine "Mini-Schottpanzerung" zu erzielen. Optimalerweise sollten die Löcher schräg gebohrt werden um einschlagende Geschosse durch die harten Innenwände in Drehung zu versetzen, alternativ kann die Platte auch geneigt werden wie im Bild rechts zu sehen. Die Schutzwirkung einer perforierten Panzerung entspricht etwa einer Panzerstahlplatte gleicher Dicke, durch die Löcher ist das Gewicht aber um bis zu 50% geringer. Somit kann TE~1 und EM~2 abgeschätzt werden.
Leichtmetalle
Magnesiumlegierungen
Magnesiumlegierungen sind die leichtest möglichen Metalle für den Panzerbau. Durch die Verarbeitungsmöglichkeiten sind auch Panzerwannen und andere tragende Strukturteile aus Magnesium möglich. Ein Anwendungsbeispiel sind BMP-1 (rechts im Bild) und BMD-1, welche eine Wanne aus Magnesium besitzen.
Die Legierung AZ31B ist zum Beispiel bei Maschinengewehr und -kanonenbeschuss gewichtseffektiver als eine Al-5XXX Aluminiumlegierung, schneidet aber schlechter als eine Stahlplatte gleichen Gewichts ab. Lediglich gegen Spitter ist diese Magnesiumlegierung auch effektiver als Panzerstahl (RHA).[3] Moderne Panzer verzichten auf die Verwendung von Magnesium, da glasfaserverstärkter Kunststoff ungefähr dieselben Eigenschaften besitzt, aber über eine etwas geringere Dichte verfügt.
Aluminiumlegierungen
Aluminiumlegierungen werden im Panzerbau häufiger verwendet. Aluminium ermöglicht es tragende Strukturteile wie zum Beispiel Laufrollen leichter zu gestalten. So kommen Panzer aus Aluminiumlegierungen dort zum Einsatz wo Gewicht eine bedeutende Rolle spielt, aufgrund der höheren Kosten hat es Panzerstahl als Konstruktionsmaterial nicht vollständig verdrängen können. Eine häufige Verwendung findet sich bei Schützenpanzern und leichten Kampfpanzern wie dem M8 Armored Gun System, schwere Kampfpanzer wurden nur experimentell mit Aluminium gebaut (MBT-80).
Die ballistischen Eigenschaften sind (gewichtsbezogen) etwas besser als Panzerstahl, die erforderliche größere Dicke treibt die Kosten allerdings weiter nach oben. In Verbundpanzerungen wurde Aluminium im T-80 und gerüchteweise im Leopard 2 verwendet.
Titanlegierungen
Die Idee besteht darin, hochfeste Titanlegierungen wie Ti-6Al-4V zu verwenden, die etwa die gleichen Festigkeitskennwerte wie Panzerstahl aufweisen. Da die Beschussfestigkeit (TE) 80-90% der von Panzerstahl entspricht bei nur 57% des Gewichtes hat man ein sehr effektives Panzerungsmaterial, welches auch für tragende Strukturteile verwendet werden kann. Aufgrund des hohen Preises werden Titanlegierungen nur als Sonderpanzerungen verwendet, die Verwendung als Konstruktionsmaterial findet nur eingeschränkt statt. So sind beim M2 Bradley die Kommandantenluke aus einer Titanlegierung gefertigt, für den M1 Abrams wurden testweise unter anderem die Blow-out Panels, die Motorabdeckung und die Kommandantenluke aus Titan gefertigt.[4] Als Teil der Verbundpanzerung wird Titan beim Leclerc und VBCI eingesetzt.
Keramikpanzerung
ATF Dingo (IDET 2007)
Keramische Werkstoffe besitzen eine große Härte und Druckfestigkeit und sind im Gegensatz zu Metallen spröde. Die große Härte und Druckfestigkeit führt zum Aufweiten des Metallstachels bzw. des Metallpfeils und vermindern somit die effektive Eindringtiefe. Im Gegensatz zu Metallen welche sich bei hohen Drücken wie Fluide verhalten, dh das Geschoss "schwimmt" durch die Panzerung wie ein U-Boot durch Wasser, reagiert Keramik mit Rissbildung. Körner der Keramik dringen in den Metallstachel einer Hohlladung oder in einen Penetrator ein und werden vor dem Stachel komprimiert und hemmen das Fortkommen weit effektiver als es Panzerstahl vermag. Verbundpanzerungen aus Keramik werden heute in fast überall eingesetzt, von beschusshemmenden Westen bis zu Kampfpanzern. Der EM-Wert von Keramikpanzerungen kann über 4 liegen.[5] Verwendet werden dafür häufig Al2O3, SiC und B4C.
Erste Generation
Die ersten Verbundpanzerungen mit Keramik bestanden aus einer Platte harten Materials wie Borsilikatglas oder Metallmatrix-Verbundwerkstoffen welche in einem Sandwich aus Stahl- oder Aluminiumplatten steckte.[6] Die bekannte Burlington verwendete zum Beispiel Aluminiumoxidkeramikkacheln in Honigwaben, welche auf ballistisches Nylon geklebt wurden.[7] Panzerungen die so aufgebaut sind haben gegenüber Panzerstahl keinen Gewichtsvorteil wenn sie vor Wuchtgeschossen schützen müssen. Dieser Aufbau bleibt aber aufgrund seines Gewichtsvorteils und relativen Einfachheit bei anderen Anwendungen die erste Wahl. So werden beim UH-60 und manchen Körperpanzerungen Borcarbidkeramiken auf Dyneemagewebe geklebt, die Piranha-Panzer verwenden Stahl und Siliziumcarbid.
Zweite Generation
Im Laufe der Panzerungsentwicklung erkannte man das die Schutzwirkung der Keramik gegenüber Wuchtgeschossen signifikant verbessert werden kann wenn diese am Zersplittern gehindert wird. Dafür muss diese von drei Achsen in Form gehalten werden, die Keramik wird quasi trotz Bruch "zusammengehalten". Die Realisierung dieser Anforderung ist komplex, kleben scheidet hierbei aus. Die Keramiken können dabei in Sacklöcher einer Stahl-, Aluminium- oder Titanplatte eingesetzt werden, die Öffnungen werden anschließend verpfropft und zugeschweißt. Das sintern der metallischen Matrix um die Keramiken ist ebenso möglich wie das Pressen in die noch flüssige Schmelze oder das Überspritzen der Keramiken mit flüssigem Metal.[8] Das Material welche die Keramiken beinhaltet sollte möglichst hart und steif sein. Wird dafür Panzerstahl verwendet kann dieser noch zusätzlich gehärtet werden. Dahinter folgt eine dicke Schicht aus Faserverbundwerkstoff, meist aus Aramid- oder Glasfasern. Die ursprüngliche Chobham-Panzerung war nach diesem Prinzip aufgebaut.
Dritte Generation
Bei weiteren Untersuchungen stellte sich heraus das die Effektivität einer Keramikpanzerung weiter gesteigert werden kann, wenn man die keramikhaltige Schicht noch mit einer weiteren Rückenplatte (support layer) versieht. Diese hat die Aufgabe die vorderste Schicht in Form zu halten, damit diese beim Einschlag nicht durch hohe Biegemomente belastet wird. Faserverbundwerkstoffe sind dafür zu weich. Bei einem Durchschuss durch die Keramik ergibt sich zusätzlich das Problem das die Faserverbundschicht einen "Krater" bildet, wodurch aufgeklebte benachbarte Keramiken beschädigt werden können bzw eine größere Stelle von Einschlag betroffen ist. Moderne Aufbauten besitzen deshalb drei Schichten.
Am Effektivsten, auch gegen Wuchtgeschosse, ist eine Zwischenschicht aus einem harten und dichten Material. Da auch bei Werkstoffen eine Eierlegende Wollmilchsau nicht existiert ist hierfür wieder ein hoher Arbeitsaufwand erforderlich. Um ein hartes und zugleich dichtes Material zu erhalten können wie bei der keramikhaltigen Schicht Sacklöcher in eine Stahl- oder Nickelplatte gebohrt werden und ein schweres Material hineingefüllt werden. Die Platte kann nach dem verschweißen noch gehärtet werden. Abgereichertes Uran (Dichte: 19,2 g/cm³) und Wolfram (Dichte: 19,25 g/cm³) alleine sind dafür zu weich. Die Zwischenschicht des Challenger 2 soll zum Beispiel Urandioxid-Nuggets und Gummi enthalten. Der Aufbau mit Schwermetallschicht wird auch als Dorchester-Panzerung bezeichnet.
Wenn der Schutz gegen Wuchtgeschosse weniger wichtig ist kann die Zwischenschicht aus einem steifen und leichten Material aufgebaut sein. Dafür kann zum Beispiel ein Laminat aus Faserverbundplatten und Metallblechen verwendet werden.[9] Alternativ ist auch eine Platte aus Balsaholz denkbar.[10] Wenn Metallschäume (meist aus Aluminium) verwendet werden, werden die Schäume in Klötzen von der Größe der Keramik gefertigt und an diese geklebt, um die Multi-Hit-Fähigkeit und das Energieabsorbtionsvermögen zu verbessern. Diese Panzerung kam beim Composite Armored Vehicle (CAV) zum Einsatz. Der Typ 10 soll dafür kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff verwenden. Hinter der Zwischenschicht folgt weiterhin eine Dicke Schicht aus Kevlar, glasfaserverstärktem Kunststoff oder Dyneemagewebe.
Reaktivpanzerung
Die Reaktivpanzerung (explosive reactive armour (ERA)) wird in Form von Kacheln auf die Panzerung aufgelegt. Sie besteht aus einer Schicht Sprengstoff, die wiederum mit einer Platte abgedeckt ist. Wenn die Abdeckplatte durchschlagen wird explodiert die Sprengstoffschicht und schleudert die Platte dem Projektil entgegen. Wichtig für eine gute Schutzwirkung ist die Abgrenzung der Kacheln zueinander, so dass bei Beschuss nur die direkt betroffenen Kacheln explodieren. Gegen Tandemhohlladungen ist klassische Reaktivpanzerung weitgehend wirkungslos.
Erste Generation
Die ersten Reaktivpanzerungen verwendeten nur Abdeckplatten mit geringer mechanischen Belastbarkeit, meist dünne Stahlplatten (siehe rechts). Insbesondere Hohlladungen lassen sich damit gut abwehren da der Kumulationsstrahl verwirbeln wird. Gegen Wuchtgeschosse ist die klassische Reaktivpanzerung weitgehend wirkungslos.
Zweite Generation
Weiterentwicklungen verwenden eine stabilere Abdeckplatte. Solche als schwere Reaktivpanzerung bezeichnete Versionen wie Kontakt-5 können auch die Durchschlagsleistung von APFSDS-Munition herabsetzen, indem sie den Penetrator in Drehung versetzen.
Dritte Generation
Die neusten Reaktivpanzerungen sind integral, dh in die Verbundpanzerung integriert. So kann die Vorhohlladung und Maschinenkanonenbeschuss besser abgewehrt werden. Ein Beispiel dafür ist die Kaktus-Reaktivpanzerung. Da eine explodierende Schicht eine Art "Ausblaseöffnung" benötigt wurden auch reaktive Anordnungen entwickelt welche ohne Sprengstoff arbeiten. Diese als NERA (Non-explosive reactive armour) bezeichneten Aufbauten verwenden eine Zwischenschicht aus einem inerten Material, zum Beispiel Gummi welche bei einem Einschlag die Platten verformt. Die Wirkung ist nicht ganz so hoch wie bei der explosiven Version, dafür können auch Tandemhohlladungen beeinflusst werden.
Faserverstärkte Kunststoffe
Kompositwerkstoffe wie GFK oder CFK haben eine geringe Dichte, gute Isolationseigenschaften gegen Hitze (Napalm) und Lärm und eignen sich deshalb neben Schichtmaterial für das Fahrgestell eines Panzers. Ein weiterer Vorteil ist das Wegfallen parasitärer Masse; parasitäre Masse nennt man die Verwendung von schwerem Panzerungsmaterial an Stellen mit geringem Schutzbedarf. Dieser Vorteil kann dazu verwendet werden, stärkere Panzerungen an anderen, gefährdeteren Stellen zu verwenden. Entwicklungen dazu liefen in den USA unter dem Composite Armored Vehicle (CAV) Programm und in Großbritannien unter dem ACAVP (advanced composite armoured vehicle program) von QinetiQ, wo ein Schützenpanzer mit einer Wanne aus GFK gefertigt wurde. Aufgrund des fast doppelt so hohen Preises gegenüber einem Aluminiumfahrzeug hat sich das Konzept bis heute nicht durchsetzen können.
Siehe auch
Literatur
Paul J Hazell: Modern Armour Material and Systems, Cranfield University, Shrivenham, Oxfordshire
Einzelnachweise
- ↑ http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA392783&Location=U2&doc=GetTRDoc.pdf
- ↑ ftp://ftp.rta.nato.int/PubFullText/RTO/MP/RTO-MP-069(II)/MP-069(II)-(SM2)-13.pdf
- ↑ http://www.arl.army.mil/arlreports/2007/ARL-TR-4077.pdf
- ↑ http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/9705/Montgomery-9705.html
- ↑ http://www.ibd-deisenroth-engineering.de/press-coverage.html?file=tl_files/resources/content-pdfs/passiv_protection.pdf
- ↑ Kolkowitz, W. and Stanislaw, T.S., "Extrusion and Hot Rolling - Two Advanced Fabrication Techniques for the Preparation of Whisker-Metal Composites", Proceedings of the 14th National Symposium and Exhibit, Vol. 14 - 'Advanced Techniques for Material Investigation and Fabrication', 5-7 Nov 68, Cocoa Beach, Florida, Paper No. 11-4A-3
- ↑ Long, D., Modern Ballistic Armor — Clothing, Bomb Blankets, Shields, Vehicle Protection, Boulder 1986, pp. 82-84
- ↑ Chu, Henry S; McHugh, Kevin M and Lillo, Thomas M, "Manufacturing Encapsulated Ceramic Armor System Using Spray Forming Technology" Publications Idaho National Engineering and Environmental Laboratory, Idaho Falls, 2001
- ↑ http://www.freepatentsonline.com/4836084.pdf
- ↑ http://www.freepatentsonline.com/EP0826134.pdf