Ocena odporności przeciwminowej konstrukcji kadłubów pojazdów minoodpornych i kołowych transporterów opancerzonych 3

Transkrypt

1 Janusz Śliwiński 1, Michał Ludas 2 Wojskowy Instytut Techniki Inżynieryjnej Inspektorat Implementacji Innowacyjnych Technologii Obronnych MON Ocena odporności przeciwminowej konstrukcji kadłubów pojazdów minoodpornych i kołowych transporterów opancerzonych 3 Wstęp Konflikty zbrojne wiążą się z powszechnym użyciem w walce różnego typu wozów bojowych, w tym między innymi kołowych pojazdów opancerzonych. Pojazdy te w zależności od konstrukcji są wykorzystywane zarówno do patrolowania, konwojowania, neutralizacji ładunków wybuchowych i ewakuacji medycznej (np. pojazdy minoodporne MRAP), jak również do prowadzenia regularnych działań bojowych (np. kołowe transportery opancerzone KTO). W czasie wykonywania zadań powyższe pojazdy zmuszone są do poruszania się po drogach i w terenie, na których przeciwnik może umieszczać pojedyncze miny (drogi) oraz ustawiać odcinki pól minowych (teren). Dlatego też pojazdy te powinny zapewnić załodze bezpieczeństwo i ergonomiczne warunki w czasie prowadzenia działań, poprzez wysoką odporność na działanie różnego typu min i improwizowanych urządzeń wybuchowych (IED). Charakterystyka pojazdów minoodpornych MRAP Powszechnie przyjmuje się [1], że pojazdy minoodporne (Mine Resistant Ambush Protected) MRAP to rodzina wojskowych pojazdów opancerzonych o zwiększonej odporności na miny i ataki z zasadzki. Odporność ta wynika między innymi ze specyficznej konstrukcji dolnej części kadłuba pojazdu, które posiada podwójne dno. Dolna część dna uformowana jest w kształcie litery V (V-shaped) lub innym opływowym kształcie (np. zaokrąglonym), natomiast górna część dna jest płaska. Zasadniczą wadą pojazdów MRAP jest ich duża wysokość, znaczny ciężar oraz wysoko położony środek ciężkości. Powoduje to, że pojazd jest widoczny w terenie oraz posiada niewystarczającą stabilność poprzeczną. Skutkuje to zwiększoną podatnością na boczne wywrotki. Pojazdy typu MRAP [2,3] podzielono na trzy kategorie, różniące się przeznaczeniem, masą i odpornością przeciwminową. Pojazdy kategorii I posiadają odporność na wybuchy min pod kadłubem na poziomie 7 kg TNT i pod kołem na poziomie 14 kg TNT, pojazdy kategorii II, odporność na wybuchy pod kadłubem na poziomie 15 kg TNT i pod kołem na poziomie 21 kg TNT, natomiast pojazdy kategorii III, odporność na wybuchy na poziomie 21 kg TNT zarówno pod kadłubem, jak i pod kołem. Charakterystyka kołowych transporterów opancerzonych KTO Kołowe transportery opancerzone przeznaczone są do transportu piechoty i sprzętu na polu walki oraz do jej wsparcia ogniowego w walce. Charakteryzują się dużą ruchliwością (manewrowością) w skali technicznej i operacyjnej, ochroną balistyczną oraz siłą ognia. Posiadają nisko położony środek ciężkości, co powoduje że są mało wywrotne. Współczesne kołowe transportery opancerzone (np. Rosomak, Piranha IV) charakteryzują się odpornością na wybuchy min pod dnem pojazdu na poziomie ok. 8 kg TNT (rys. 1). Stosunkowo wysoka odporność przeciwminowa tych pojazdów wynika z zastosowania w konstrukcji kadłuba podwójnego dna, które składa się z dwóch płaskich warstw. 1 Wojskowy Instytut Techniki Inżynieryjnej. 2 Inspektorat Implementacji Innowacyjnych Technologii Obronnych MON 3 Artykuł recenzowany. 1551

2 Rys. 1. Potwierdzenie odporności przeciwminowej KTO Rosomak i Piranha na wybuch pod dnem pojazdów ładunku MW o masie 8 kg TNT. A Certyfikat KTO Rosomak [4]; B Schemat KTO Piranha IV Źródło: [5] Zestawienie cech i wartości parametrów taktyczno-technicznych pojazdów minoodpornych MRAP i kołowych transporterów opancerzonych KTO przyjętych do analizy porównawczej Jak już wspomniano pojazdy minoodporne MRAP posiadają kadłub z podwójnym dnem. Dolna część dna uformowana jest na kształt litery V lub posiada inny opływowy profil np. zaokrąglony, natomiast górna część dna jest płaska. W większości tego typu pojazdów np. MRAP RG-31 Mk5E [6], górna (płaska) część dna znajduje się na wysokości około 1,5 m nad ziemią. Kołowe transportery opancerzone typu Rosomak, Piranha itp. (rys. 1B) posiadają kadłuby, które również posiadają podwójne dno, przy czym każda z warstw jest płaska. Górna część dna tych pojazdów znajduje się w odległości około 1,0 m od ziemi. Cechy i parametry rozpatrywanych pojazdów zestawiono w tabeli 1. Tab. 1. Cechy i parametry pojazdów minoodpornych MRAP Rodzaj pojazdu Pojazdy minoodporne MRAP Transportery KTO Cecha pojazdu Odporność na wybuchy pod kadłubem Odległość górnej części dna od powierzchni gruntu Nacisk na oś pojazdu Kat. I Kat. II Kat. III Rosomak Piranha 7 kg TNT 15 kg TNT 21 kg TNT 8 kg TNT 8 kg TNT ok kg Około 1,5 m od kg do kg ok kg Około 1,0 m od kg do kg 1552

3 Z powyższej tabeli wynika między innymi to, że transportery KTO Rosomak i Piranha posiadają odporność przeciwminową większą niż pojazdy minoodporne MRAP kategorii I. Należy przy tym zaznaczyć, że wyższą odporność przeciwminową uzyskano przy niżej położonej górnej części dna (o około 0,5 m), a tym samym i środkiem ciężkości, oraz lżejszym opancerzeniu dolnej części kadłuba, co wynika między innymi z parametrów nacisku na oś pojazdu. Obliczenia porównawcze rozwiązań konstrukcyjnych dna kadłubów pojazdów MRAP i KTO pod katem odporności przeciwminowej Do oceny rozwiązań konstrukcyjnych dna kadłubów pojazdów MRAP (kat. III) i KTO pod kątem odporności przeciwminowej, przyjęto schemat obciążeń wybuchem ładunku MW przedstawiony na rysunku 2. Dla powyższych obciążeń wybuchem (tabela 1) przyjęto założenie, że parametry narażeń w przedziale załogowym w obydwu pojazdach są bezpieczne dla załogi [7]. Do obliczeń wykorzystano wzór na maksymalne nadciśnienie na czole fali uderzeniowej [8]. ΔP 2 = φ(k) E/R 3 gdzie: ΔP 2 maksymalne nadciśnienie na czole fali uderzeniowej (Pa), R odległość od centrum wybuchu (m), E średnia energia wybuchu przypadająca na jednostkę masy MW (J/kg), k wykładnik izentropy gazu w obszarze objętym działaniem fali uderzeniowej, φ(k) = 0,1038 dla silnego wybuchu w powietrzu. (1) Z powyższego wzoru wynika, że wraz z zwiększeniem odległości od centrum wybuchu, maksymalna wartość nadciśnienia ΔP 2 na czole fali uderzeniowej zmniejsza się z trzecią potęgą. Rys. 2. Schemat obciążeń wybuchem dna kadłubów pojazdów MRAP kat. III (z lewej) i KTO (z prawej). Źródło: opracowanie własne. 1553

4 Oceny rozpatrywanych konstrukcji kadłubów obydwu pojazdów pod kątem odporności przeciwminowej dokonano na podstawie obliczeń porównawczych, przy założeniu, że górna część dna KTO została podniesiona do wysokości 1,5 m od powierzchni gruntu, czyli takiej samej jaką posiadają pojazdy minoodporne MRAP (rys. 3). Rys. 3. Schemat obciążeń wybuchem dna kadłubów pojazdów MRAP kat. III (z lewej) i KTO (z prawej) dla przypadku położenia podłogi obydwu pojazdów w odległości 1,5 m od powierzchni gruntu. Źródło: opracowanie własne. Przeprowadzono następujące obliczenia porównawcze: 1. Maksymalne nadciśnienie na czole fali uderzeniowej ΔP 1 po wybuchu 8 kg TNT odniesione do górnej części dna kadłuba KTO oddalonego od powierzchni ziemi o 1,0 m. a) Średnia energia wybuchu 1 kg TNT E TNT = J/kg. b) Średnia energia wybuchu 8 kg TNT E 1 = = J ΔP 1 = φ(k) E 1 /R 3 = 0, /1,0 3 = Pa 2. Średnia energia wybuchu E 2 przy maksymalnym nadciśnieniu na czole fali uderzeniowej ΔP 1 odniesionym do górnej części dna kadłuba znajdującego się w odległości 1,5 m od powierzchni gruntu. E 2 = ΔP 1 R 3 / φ(k) = ,5 3 /0,1083 = J 3. Masa materiału wybuchowego M MW, po detonacji którego parametry narażenia w przedziale załogowym KTO są bezpieczne dla załogi M MW = E 2 /E TNT = J/ J/kg = 25,8 kg TNT. Powyższe obliczenia porównawcze przeprowadzono w odniesieniu do górnej części dna. Uzasadnieniem tego jest fakt, że bezpośrednim czynnikiem rażącym załogę w przedziale załogowym, jest fala uderzeniowa generowana przez drgania i deformację właśnie górnej części dna. Z przedstawionych wyżej obliczeń porównawczych wynika, że rozwiązanie konstrukcyjne kadłuba pojazdu z podwójnym dnem, składającym się z dwóch płaskich warstw (np. Rosomak, Piranha), jest pod względem odporności na wybuchy lepsze niż kadłuba pojazdu z podwójnym dnem, którego dolna część uformowana jest w kształcie litery V lub innym opływowym kształcie (np. zaokrąglonym), a górna ma płaski kształt. 1554

5 Z powyższego wynika, że jeżeli zaszłaby potrzeba wykonania na bazie KTO Rosomak pojazdu minoodpornego, to poprzez podniesienie kadłuba na wysokość, przy którym część górna jego dna znajdzie się w odległości 1,5 m od ziemi jak w pojazdach minoodpornych MRAP, to jego odporność na wybuchy mogłaby osiągnąć nie mniej niż 25 kg TNT, a więc znacznie przewyższałaby odporność na wybuchy stosowanych aktualnie w świecie pojazdów minoodpornych, w tym również pojazdów MRAP kat. III. Oddziaływanie wybuchu na kadłuby pojazdów z dnem V-shaped Fala uderzeniowa wywołana wybuchem miny oddziałuje na dolną część dna kadłuba w kształcie litery V, powodując drgania lub deformację blach pancernych. Drgania lub deformacje blach pancernych generują fale uderzeniowe rozchodzące się sferycznie wewnątrz pojazdu (rys. 4). Fale te mają charakter kumulacyjny, co powoduje, że ich energia skumuluje się wewnątrz pojazdu i tak skumulowana oddziałuje na górną część dna o płaskim kształcie. Powoduje to z kolei drgania lub deformacje drugiej, płaskiej, warstwy dna, które generuje falę uderzeniową rozchodzącą się w przedziale załogi. Fala ta przechodzi przez organizm człowieka (załogę pojazdu) oraz wywołuje pulsacje ciśnienia w przedziale załogi. Czynniki te uszkadzają organy wewnętrzne człowieka. Istotę zjawiska kumulowania energii fal uderzeniowych przedstawiono na rysunku 4B. Z rysunku tego wynika, że jeżeli fale uderzeniowe przemieszczą się z położenia I do położenia II, to nastąpi zarówno kumulacja ich mas m 1 i m 2 (m = m 1 + m 2 ), jak i ich prędkości V 1 i V 2 (V = V 1 cos α 1 + V 2 cos α 2 ). Rys. 4. Oddziaływanie wybuchu na kadłub pojazdu z podwójnym dnem V-shaped. A schemat rozchodzenia się fal uderzeniowych; B schemat kumulowania energii fal uderzeniowych. Źródło: opracowanie własne Źródła (miejsca) generowania fal uderzeniowych przez blachy pancerne dna kadłuba przedstawiono w literaturze [3 i 9], natomiast kumulacyjny kształt fali uderzeniowej w literaturze [3]. 1555

6 Oddziaływanie wybuchu na kadłuby pojazdów z podwójnym dnem płaskim W przypadku oddziaływania wybuchu na kadłuby pojazdów z podwójnym dnem składającym się z dwóch płaskich warstw, fala uderzeniowa generowana przez dolną warstwę dna przekazywana jest na górną warstwę dna, a z niej do wnętrza przedziału załogowego. Przy takiej konstrukcji kadłuba pojazdu nie występuje jednak zjawisko kumulowania energii fali uderzeniowej w jego wnętrzu, jak to ma miejsce w przypadku pojazdów z dnem kadłuba w kształcie litery V. Wnioski 1. W oparciu o przeprowadzone analizy odporności przeciwminowej rozwiązań konstrukcyjnych kadłubów pojazdów minoodpornych MRAP posiadających kadłuby z podwójnym dnem, z których dolna część posiada kształt litery V lub inny opływowy (np. zaokrąglony), a górna część ma płaski kształt, oraz kadłubów transporterów opancerzonych KTO posiadających podwójne dno składające się z dwóch płaskich warstw, należy stwierdzić, że korzystniejsza jest konstrukcja kadłubów pojazdów KTO. 2. Obliczenia porównawcze zawarte w pkt. 5 oraz analizy przeprowadzone w pkt. 6 i 7 wykazały, że kadłuby pojazdów posiadające dno ukształtowane w literę "V", poddane oddziaływaniu fali uderzeniowej, kumulują część jej energii wewnątrz pojazdu. 3. Stosowany w pojazdach minoodpornych MRAP kadłub z podwójnym dnem V-shaped nie jest rozwiązaniem optymalnym dla tego typu pojazdów. Kołowy transporter opancerzony KTO Rosomak z podwyższoną ramą, przy której odległość podłogi przedziału załogowego od powierzchni ziemi wynosiłaby 1,5 m, posiadałby odporność przeciwminową znacznie przewyższającą stosowane aktualnie w świecie pojazdy minoodporne MRAP. Streszczenie W artykule omówiono zagrożenia pojazdów ze strony min i improwizowanych urządzeń wybuchowych (IED) w czasie prowadzenia regularnych działań bojowych. Przedstawiono charakterystykę pojazdów minoodpornych MRAP i kołowych transporterów opancerzonych KTO oraz zestawiono cechy i wartości parametrów taktyczno-technicznych tych pojazdów. Dokonano obliczeń porównawczych rozwiązań konstrukcyjnych dna kadłubów pojazdów MRAP i KTO pod kątem odporności przeciwminowej. Omówiono wyniki obliczeń oraz przedstawiono wnioski z przeprowadzonej analizy odporności przeciwminowej rozwiązań konstrukcyjnych kadłubów tych pojazdów. Evaluation of mine-resistance of the body design of mine-resistant ambush protected vehicles and armed personnel carriers Abstract The paper presents the threat posed by mines and improvised explosive devices (IEDs) during regular warfare. The characteristic of mine resistant ambush protected vehicles (MRAPs) and armed personnel carriers (APCs) is given, as are the features and technical and tactical parameter requirements for both kinds of vehicles. Comparative calculations of the bottoms of MRAPs and APCs bodies from the point of view of mine resistance are provided. Additionally, the results of calculations and the conclusions from the mine resistance analysis conducted are discussed for different body design solutions employed in the two kinds of vehicles. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. [2]. Buslik M., MRAP na rozdrożu, Wyd. Armia nr 5(47) maj

7 [3]. Saska P., Ocena stopnia pochłaniania energii fali uderzeniowej wybuchu przez osłony o różnym kształcie obciążone małymi ładunkami wybuchowymi, Wyd. Akademia Obrony Narodowej, Warszawa [4]. [5]. Jane's International Defence Review, April [6]. Multarzyński M.J., Prezentacja RG-31 Mk5E w Sulejówku, Wyd. Nowa Technika Wojskowa Nr 7/2009. [7]. Rybak P., Papliński K., Obciążenia udarowe kadłuba wozu bojowego, a granice odporności człowieka, Wyd. Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.14, No [8]. Kuczaj A., Komputerowe metody w fizyce wybuchu, Praca Dyplomowa, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa [9]. Krzystała E., Kciuk S., Mężyk A., Identyfikacja zagrożeń załogi pojazdów specjalnych podczas wybuchu, Wyd. Politechnika Śląska, Gliwice

8 1558