The influence of traction capabilities of a tracked vehicle on its protective properties

Full Text

Обоснование

Развитие конструкции быстроходных гусеничных машин (БГМ) и опыт их применения показывают, что невозможно достичь обеспечения требуемого уровня защищённости бронетехники на поле боя только лишь усилением броневой защиты, применением систем оптико–электронного подавления и активной защиты [1, 2].

В связи с этим становится актуальным вопрос изыскания других путей повышения защищённости, в частности, за счёт подвижности [3]. Проведённые исследования, посвящённые данной тематике, не учитывали реализации тяговых усилий на опорной поверхности и конструктивных особенностей силовой цепи машины.

Цель исследования — оценка влияния тягово-динамических характеристик гусеничной машины на её защищённость, учитывая дорожногрунтовые условия и конструктивные особенности.

Методы

Дизайн исследования

Исследователи выделяют три основных направления повышения защищённости гусеничных машин за счёт подвижности: за счёт ускорений [4], за счёт максимальной скорости движения и за счёт маневрирования путём отклонения от прямолинейной траектории движения [5]. Возможность реализации необходимых значений ускорений и максимальной скорости исследовалась частично и безотносительно конструктивных параметров машины и внешних условий движения. Ввиду этого, существует необходимость в исследовании возможности повышения защищённости за счёт реализации требований по ускорению и за счёт увеличения максимальной скорости движения. Оба метода повышения защищённости требуют рассмотрения с использованием современной теории движения гусеничных машин. Базируясь на результаты проведённого анализа, необходимо сформировать требования, предъявляемые к узлам силовой цепи перспективных гусеничных машин, обосновать целесообразность и пути повышения защищённости за счёт подвижности.

Метод защитного ускорения

Основная идея метода защитного ускорения заключается в том, что за время полёта снаряда цель должна переместиться на величину не менее половины длины корпуса гусеничной машины. Данное требование возникает вследствие того, что точка прицеливания совпадает с центром цели. На основании этого подхода сформируем зависимости необходимого ускорения быстроходных гусеничных машин от дальности обстрела для различных типов неуправляемых боеприпасов, задавшись габаритами цели и временем полёта снаряда. Значения времени полёта снаряда примем применительно к 120-мм пушке западного образца техники на примере бронебойного подкалиберного (KE¹) [6] и кумулятивного (MZ²) [7] снарядов. Характеристики выстрела из РПГ примем согласно данным, представленным в работе [8]. Все данные заимствованы из открытых источников. Необходимое минимальное постоянное ускорение для совершения защитного ускорения определится по известной формуле одномерного равноускоренного движения. Графическая интерпретация зависимости ускорения гусеничной машины от дальности стрельбы представлена на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость защитного ускорения от дальности до цели.

Fig. 1. The dependence of the required acceleration on the range to the target.

Стоит отметить, что в рассмотренном подходе отсутствует время реагирования на подлетающий боеприпас, т.е. время начала разгона совпадает с моментом произведения выстрела. В действительности, необходимо учитывать время реагирования. Например, современные комплексы активной защиты способны обнаружить и поразить угрожающий боеприпас всего за 0,07 с. Аналогично данной системе представляется возможным автоматическое воздействие на органы управления силой тяги бронемашины в совокупности с системой построения карты окружающей местности и учёта препятствий на основе создания облака точек современными лазерными дальномерами.

Современные танковые пушки имеют дальность прямого выстрела порядка 2200 м [6] для бронебойного подкалиберного снаряда и 1300 м [7] для кумулятивного снаряда при высоте цели, сопоставимой с гусеничной машиной. Прицельная дальность стрельбы из РПГ достигает величины 500 м [8].

Эти значения во многом определяют дистанцию ведения боя тем или иным орудием. Для предварительной оценки возможности выполнения защитного ускорения воспользуемся расчётной зависимостью (см. рис. 1) и определим необходимые исходные параметры для увода машины от точки встречи снаряда с целью на дальности выстрела. Результаты сведём в табл. 1.

Таблица 1. Необходимые защитные ускорения для ухода из-под обстрела

Table 1. Necessary protective acceleration to escape from the attack

Положим сформированные вышеприведенные данные и принятые допущения в качестве исходных для дальнейшего анализа теоретической реализуемости защитных ускорений с точки зрения технических возможностей силовой цепи и взаимодействия гусениц с грунтом.

Подавляющее большинство тяжёлых гусеничных машин использует дизельную силовую установку, однако на некоторых моделях применяется и газотурбинный двигатель (ГТД). Последний позволяет достигать высоких динамических качеств БГМ в ущерб топливной экономичности. При определении динамических возможностей гусеничной техники следует опираться на наиболее мощные и приёмистые образцы. На примере западной техники этими машинами являются такие модели как ГМ «Абрамс» и «Леопард–2». Первая БГМ оснащена ГТД AGT–1500 мощностью 1120 кВт и гидромеханической трансмиссией X–1100–3B. Параметры ГТД заимствованы из рекламных материалов компании–производителя Honeywell [9]. Техническая информация по танку «Абрамс» М1А1 использована из источника [10]. Второй объект исследования использует дизельный двигатель MTUMB 873 Ka–501 мощностью 1104 кВт в сочетании с гидромеханической трансмиссией HSWL–354/3. Характеристики двигателя указаны в источнике [11].

Для определения возможности выполнять защитное ускорение в соответствии с данными рис. 1 и табл. 1 требуется выполнить тягово–динамический расчёт.

Метод защитного замедления

Помимо разгона с места требуется анализ возможности применения защитного замедления. Для этого необходимо определить потребную мощность, подведенную к грунту как функцию от ускорения и дальности для заданных начальных скоростей. При этом необходимо учитывать ограничение по сцепным свойствам. Отметим, что абсолютное значение ускорения замедления a_з не должно превышать сцепных свойств, т. е. максимального коэффициента сцепления движителя с опорной поверхностью φ_max. Конечная скорость V_к и тормозной путь S_т больше или равны нулю. С учётом вышесказанного можно записать условие:

$\left\{\begin{array}{c}{S}_m,V_{\text{к}}\ge 0\\ \left|a_{\text{з}}\right|\le g{\phi }_{\max }\end{array}\right.$

Ввиду участия в торможении как внешних, так и внутренних сил, остановочные тормоза должны создавать такое усилие, которого достаточно для замедления с заданным ускорением:

$a_{\text{т}}=a_{\text{з}}-a_{\text{с}}=a_{\text{з}}-(f_{\text{гр}}+f_{\text{в}}+f_{\text{х.ч.}})g$,

где a_с — ускорение торможения за счёт сил сопротивления; f_гр — удельное сопротивление движению со стороны грунта; f_в — удельное сопротивление воздуха; f_х.ч. — удельные потери в ходовой части.

Стоит отметить, что тормозные механизмы преобразуют кинетическую энергию системы в тепловую энергию, тем самым совершают работу. Оценивать её интенсивность целесообразно через показатель мощности. В контексте защитного замедления зависимость мощности торможения N_т от потребного замедления a необходимо связать с дальностью выстрела Д. При этом следует принять во внимание расширенный скоростной диапазон в соответствии с изложениями в источнике [5].

Метод повышения защищённости в результате увеличения максимальной скорости движения

В работе [5] утверждается, что увеличение максимальной скорости движения до 160 км/ч способно оказать влияние на защищённость гусеничной машины. Для оценки этого тезиса через призму теории движения необходимо определить эффективную мощность силовой установки для движения на указанной скорости, после чего проанализировать динамические возможности машины с указанными параметрами. Также требуется сопоставить полученные значения с ограничением по сцеплению с опорной поверхностью. Авторы обозначили, что достижение указанной скорости должно быть обеспечено по дорогам, т. е. по асфальтированной или бетонной дороге. Тем самым задаётся коэффициент сопротивления движению со стороны опорной поверхности. Основная трудность расчётов связана с необходимостью учёта потерь в гусеничном движителе. Эти потери являются определяющими при движении с высокой скоростью. До настоящего времени основная масса проведённых исследований потерь мощности в гусеничном движителе ограничена скоростью машины до 50…60 км/ч. В связи с этим возникает вопрос адекватности применения существующих эмпирических зависимостей на более высоких значениях скорости. Следует отметить, что КПД гусеничного движителя η_г.д. на скорости 160 км/ч будет равен 15% при расчётах по известной линейной зависимости [12]. По формуле, представленной в работе В.Ф. Платонова [13] значение η_г.д. составляет 46,4%. По предложенной В.А. Петровым [14] эмпирической формуле это значение станет равным 15,6%. Таким образом, определяющим ограничивающим фактором будут выступать потери в гусеничном движителе. Необходимость снижения потерь может обуславливать применение других движителей или переход на другие типы шарниров, например, шарниры трения качения, что должно привести к снижению потерь мощности. Для расчёта воспользуемся формулой Платонова, поскольку заявлено, что она справедлива для бóльших значений скорости движения (80…90 км/ч), данная формула имеет следующий вид:

${\eta }_{\text{г.д.}}=\mathrm{0,83}-\mathrm{0,398}{e}^{-\mathrm{4,675}{f}_{m}G}+\mathrm{0,0015}\cdot {(\mathrm{12,5}-V)}^k$,

где f_m — коэффициент сопротивления качению машины; k=1,1 для тяжёлых (f_m >0,06) и k=1,15 для лёгких условий движения; G — вес машины.

С целью распространения полученных данных на различную по массе гусеничную технику представим значения мощности в виде удельной характеристики, т. е. отнесённой к массе ГМ. Зависимость удельной эффективной мощности силовой установки от скорости движения ГМ представлена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость удельной эффективной мощности силовой установки от скорости движения быстроходной гусеничной машины.

Fig. 2. Dependence of the specific effective power of a power unit on the velocity of a high-speed tracked vehicle.

На основании полученной зависимости можно установить, что для движения со скоростью 160 км/ч гусеничной машине требуется силовая установка мощностью не менее 56 л. с./т. У большинства БГМ удельная мощность находится в пределах 20 л. с./т, а у наиболее энерговооружённых машин это значение едва достигает 27…30 л. с./т. Таким образом, требуется, как минимум двукратное повышение удельной мощности, что является проблематичным, как технически, так и из компоновочных соображений, особенно для машин с требованием сохранения уровня противоснарядной стойкости. В рамках данного исследования оставим вопрос возможности реализации такой удельной мощности и, опираясь на установленное значение, исследуем динамические возможности машины с целью анализа влияния этого показателя мощности на защищённость ГМ.

Графоаналитический метод определения параметров гусеничной машины для выполнения защитного ускорения

С целью формирования требований к перспективной технике, способной выполнять защитное ускорение, необходимо связать параметры потребного ускорения (в зависимости от характеристик поражающих средств), дальность до цели, потребную удельную мощность силовой установки машины. Данная связь должна учитывать возрастающие потери согласно теории движения ГМ и отражать возможность ускорения по сцепным свойствам. Иллюстрация связанных параметров в прямоугольной системе координат позволит создать графоаналитический метод определения параметров силовой установки БГМ. В результате данный метод будет удобен в использовании, т. к. позволит осуществлять быстрый переход от одного параметра к другому. В первой четверти системы координат целесообразно разместить зависимость потребных защитных ускорений от дальности до цели для различных типов боеприпасов в соответствии с рис. 1. Во второй четверти — необходимые значения удельной мощности для реализации этих ускорений. В четвёртой четверти следует расположить зависимость удельного крутящего момента (среднее значение на всём пути разгона) силовой установки, а в третьей четверти — зависимость конечной скорости движения и частоты вращения вала двигателя с учётом заданных кинематических параметров трансмиссии и ходовой части.

Результаты

Динамические возможности современных образцов западной быстроходной гусеничной техники представлены на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Динамическая характеристика «Абрамс М1А1».

Fig. 3. Acceleration curves of the Abrams M1A1.

Рис. 4. Динамическая характеристика «Леопард-2».

Fig. 4. Acceleration curves of the Leopard 2.

Необходимая мощность тормозных механизмов при защитном замедлении показана на рис. 5.

Рис. 5. Потребная тормозная мощность.

Fig. 5. Required braking power.

На рис. 6 и 7 продемонстрированы возможности по ускорению машин повышенной мощности, способных осуществлять движение со скоростью 160 км/ч.

Рис. 6. Динамическая характеристика гусеничной машины с газотурбинным двигателем повышенной мощности.

Fig. 6. Acceleration curves of a tracked vehicle with a high-power gas turbine engine.

Рис. 7. Динамическая характеристика гусеничной машины с дизельным двигателем повышенной мощности.

Fig. 7. Acceleration curves of a tracked vehicle with a high-power diesel engine.

Графоаналитический метод определения параметров силовой установки для осуществления защитного ускорения представлен на рис. 8.

Рис. 8. Графоаналитический метод определения параметров силовой установки гусеничной машины для совершения защитного ускорения.

Fig. 8. Graphoanalytical method for determining the parameters of the power unit of a tracked vehicle for performing protective acceleration.

Обсуждение

Графики ускорения на рис. 3 и 4 отображают отличительную особенность машин «Абрамс» и «Леопард–2», которая заключается в том, что они имеют всего 4 передачи переднего хода. К тому же переключение передач автоматизировано. За счёт этих факторов сокращается время разгона до требуемой скорости. Другие гусеничные машины, оснащённые механической трансмиссией, будут ограничены в ускорении из-за необходимости частого переключения передач. Учитывая ускорение на поверхности с малым сопротивлением прямолинейному движению, можно с некоторой погрешностью принять допущение о равенстве ускорения и коэффициента сцепления, т. е. a ≈ gφ_max ≤0,8. Конечная скорость на выходе из защитного ускорения в зависимости от боеприпаса достигается на первых двух передачах. В таком случае среднее значение ускорения на первой передаче составит 0,39g и 0,38g для «Абрамс» и «Леопард–2», соответственно. На второй передаче показатели снизятся до 0,24g и 0,21g. Это справедливо только для условий с высоким значением коэффициента сцепления. Среднее значение защитного ускорения от снаряда KE до скорости 19,7 км/ч, составляет 0,34g для обеих гусеничных машин. Результаты получены без учёта затрат времени на переключение передачи. Даже с учётом этого фактора условие табл. 1 не выполняется. Снаряд MZ требует ещё большего ускорения, а значит и от него уход за счёт защитного ускорения на дальности прямого выстрела не выполним рассматриваемыми образцами. В случае ухода от выстрела РПГ значение потребного ускорения значительно меньше, а конечная скорость укладывается в диапазон 1-й передачи. Ускорение до скорости 11,9 км/ч составит 0,42g для «Абрамс» и 0,43g «Леопард–2», а значит защитное ускорение от выстрела РПГ на дальности 500 м выполнимо с точки зрения тяговых возможностей.

На основании построенной зависимости на рис. 5 можно определить возможность осуществления защитного действия за счёт торможения. Эта же зависимость позволяет оценить потери мощности. В частности, при замедлении со скорости 25 км/ч, соответствующей средней скорости движения современных БГМ, потребуется тормозная мощность около 900 кВт, что сопоставимо с мощностью силовой установки, а при торможении с максимальной скорости большинства БГМ 60 км/ч, выделяемая мощность составит уже около 3,5 МВт. Поэтому для возможности реализации защитного торможения необходимо сопоставить требования к мощности рассеивания энергии с возможностями по охлаждению. В современных быстроходных гусеничных машинах охлаждение тормозов обеспечивается воздушно–масляной системой, а значит, потребуется увеличение отводимой тепловой мощности либо путём увеличения габаритов, либо производительности вентилятора, что приведёт к увеличению габаритов, отбираемой мощности и требует отдельного исследования. Часть потерь за счёт сил трения возможно компенсировать рекуперативным торможением или торможением за счёт внутренних сопротивлений в силовой цепи, главным образом в гусеничном движителе [15]. Известно, что тормоза «Абрамс» позволяют замедлять гусеничную машину с замедлением 0,49…0,61g, тормоза «Леопард–2» — до 0,51g. Значит применение защитного замедления возможно на дальности выстрела не менее 1800 м от KE, 1200 от MZ и 250 м от РПГ. При этом необходимо учитывать допустимую тепловую напряжённость тормозов для конкретного образца.

Далее рассмотрим возможность повышения защищённости за счёт возрастания мощности до значения, достаточного для движения со скоростью 160 км/ч, т. е. с учётом потребной для этого удельной мощности, равной 56 л. с./т. Разумеется достижение данной скорости должно быть осуществимо не только по тяговым возможностям силовой установки, но и по кинематическим параметрам, по управлению. Более того, к моменту начала разгона все вращающиеся массы силовой цепи должны иметь частоту вращения, соответствующую необходимой скорости, иными словами «раскручены». На примере исследуемых образцов техники помимо увеличения мощности требуется расширение скоростного диапазона трансмиссии. К тому же увеличение удельной мощности до выявленного значения повлечёт за собой изменение массогабаритных характеристик моторно–трансмиссионного отсека, в целом, что требует отдельного исследования. Оценим возможности по ускорению машины с таким значением мощности (см. рис. 6, 7). Анализ полученных зависимостей показывает, что значения ускорений на первой передаче удовлетворяют требованиям защитного ускорения в соответствии с табл. 1, однако превышают возможности по сцеплению для большинства дорожногрунтовых условий, а значит и возможности по ускорению могут сильно снижаться. Ускорение с ограничением по сцепным свойствам φ_max=0,8 составят на первой передаче 0,6g и 0,65g на примере передаточных чисел «Абрамс» и «Леопард–2», соответственно. На второй передаче эти значения составят 0,5g и 0,46g. Среднее ускорение до скорости 20,3 км/ч составит 0,57g для машины повышенной мощности до 56 л. с./т. на примере танка «Абрамс» и 0,6g на примере «Леопард-2» повышенной мощности. Эти данные без учёта временных затрат на переключение передачи. Если время на переключение передачи составляет 0,2 с, то разгон займёт до 1,2 с. Что позволит гусеничной машине повышенной мощности совершить защитное ускорение от снаряда MZ, а значит и от снаряда KE и от выстрела РПГ. Таким образом, двукратное и более повышение удельной мощности БГМ позволяет реализовать требуемые защитные ускорения и уйти с плоскости выстрела. Однако указанное обстоятельство не всегда может быть реализуемо с учётом дорожногрунтовых условий, особенно, по сцеплению.

Исследование защитных свойств гусеничной техники тесно связано с процессом стрельбы. Стрельба неуправляемыми снарядами сопровождается отклонением боеприпаса от точки прицеливания в результате различного рода ошибок. Поэтому возможность ухода из-под траектории снаряда не гарантирует обеспечение должного уровня защищённости. Может сложиться ситуация, когда цель будет подвержена попаданию в результате отклонений стрельбы, даже с учётом выполнения требований защитного ускорения. Более того, наводчик может превентивно смещать точку прицеливания в необходимом для попадания направлении, тем самым лишить защитное ускорение эффективности. Следовательно, необходимо рассматривать защитные ускорения как часть способов обеспечения защищённости наряду с другими.

Кроме того, более чем двукратное повышение мощности является проблематичным, как с технической, так и с компоновочных соображений, особенно для тяжёлых машин с требованием высокого уровня противоснарядной стойкости. Это проще осуществимо на небронированных машинах или машинах с противопульным бронированием. Подтверждением этого могут служить работы Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) [4]. В контексте молниеносного ускорения целесообразен переход на электрифицированную платформу. Где пиковые значения крутящего момента электродвигатели способны выдать уже на минимальных оборотах, в особенности при работе на кратковременном режиме, в отличии от традиционных силовых установок.

На основе построенных номограмм (см. рис. 8) представляется возможным формирование требований к перспективным высокомобильным образцам гусеничной техники графоаналитическим методом. Например, для отклонения от боеприпаса KE на дальности прямого выстрела потребная удельная мощность составит более 60 л. с./т. Аналогично можно определить необходимые параметры крутящих моментов и скоростного диапазона трансмиссии.

Таким образом, предложенный графоаналитический метод может быть положен в основу предварительных проектировочных расчётов, а также при формировании тактических требований к подвижности на поле боя.

Заключение

Тягово-динамические свойства современных тяжёлых быстроходных гусеничных машин не обеспечивают уклонение от неуправляемых боеприпасов на дальности прямого выстрела, за исключением некоторых типов ручных противотанковых гранатометов. Для эффективного защитного ускорения необходимо двукратное и более повышение удельной мощности, что проблематично для тяжёлых машин с противоснарядным бронированием и проще осуществимо на лёгких машинах. Реализация защитных ускорений по сцеплению невозможна для большинства дорожногрунтовых условий.

Машины с гидромеханической трансмиссией и автоматической коробкой переключения передач позволяют достичь более высоких значений ускорений за счёт сокращения времени на переключение передач и автоматичности гидротрансформатора по крутящему моменту.

Повышение максимальной скорости движения ограничено потерями в гусеничном движителе, снижение которых может достигаться применением других движителей или переходом на другие типы шарниров, например, шарниры трения качения.

Сокращение времени реагирования на выстрел при осуществлении защитного маневра можно обеспечить автоматическим воздействием на органы управления движением машины по сигналу от датчиков обнаружения.

Поскольку эффективность защитного манёвра тесно связана с процессом стрельбы, то оценивать её следует через показатель вероятности успешного отклонения от боеприпаса. Данный аспект является логичным продолжением настоящей работы и требует дальнейшего исследования.

Дополнительная информация

Вклад автора. Автор одобрил рукопись (версию для публикации), а также согласился нести ответственность за все аспекты настоящей работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Источники финансирования. Отсутствуют.

Раскрытие интересов. Автор заявляет об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими организациями), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При проведении исследования и создании настоящей статьи автор не использовал ранее полученные и опубликованные сведения (данные, текст, иллюстрации).

Доступ к данным. Редакционная политика в отношении совместного использования данных к настоящей работе не применима, новые данные не собирали и не создавали.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали два внешних рецензента, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

Additional information

Author contribution: The author approved the version of the manuscript to be published and agreed to be accountable for all aspects of the work, ensuring that issues related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Funding sources: No funding.

Disclosure of interests: The author has no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: No previously obtained or published material (text, images, or data) was used in this study or article.

Data availability statement: The editorial policy regarding data sharing does not apply to this work as no new data was collected or created.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The peer review involved two external reviewers, a member of the editorial board, and the in-house scientific editor.

¹ KineticEnergy

² Mehrzweck — нем. многоцелевой

About the authors

Igor O. Nakaznoy

Author for correspondence.
Email: igornakaznoy@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-8357-6024
SPIN-code: 2326-1963

Cat. 1 Design engineer of the Design and Technology Department

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. The dependence of the required acceleration on the range to the target.

Download (119KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Dependence of the specific effective power of a power unit on the velocity of a high-speed tracked vehicle.

Download (99KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Acceleration curves of the Abrams M1A1.

Download (79KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Acceleration curves of the Leopard 2.

Download (79KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Required braking power.

Download (218KB)

Indexing metadata

7. Fig. 6. Acceleration curves of a tracked vehicle with a high-power gas turbine engine.

Download (83KB)

Indexing metadata

8. Fig. 7. Acceleration curves of a tracked vehicle with a high-power diesel engine.

Download (85KB)

Indexing metadata

9. Fig. 8. Graphoanalytical method for determining the parameters of the power unit of a tracked vehicle for performing protective acceleration.

Download (264KB)

Indexing metadata