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Militär
Hintergrundwissen
Panzerung
Einleitung
Die Entwicklung von Hohlladungsgeschossen und Panzerabwehrlenkwaffen stellte eine enorme Bedrohung für Panzer dar, da sie Panzerungen aus Stahl in Stärken durchschlagen konnten, die es nicht mehr praktikabel machten, einen sicheren Panzer zu bauen.
Dies wurde insbesondere während des Jom-Kippur-Krieges (vierte arabisch-israelische Krieg 1973) deutlich, als viele israelische Panzer von sowjetischen Panzerabwehrlenkwaffen zerstört wurden. Dies führte auf Seiten des Westens zu einer beschleunigten Entwicklung von Verbundpanzerungen.
Das Ziel einer Verbundpanzerung ist es, ein gefordertes Schutzniveau durch die Kombination verschiedener Materialien zu erreichen, wobei das Gewicht einer solchen Anordnung erheblich unter dem Gewicht einer Panzerung aus homogenem Panzerstahl mit dem gleichen Schutz liegt. Die Schutzwirkung einer Verbundpanzerung wird in RHA (bezeichnen die fiktive Dicke einer Panzerung aus Stahl bzw. Panzerstahl in Millimetern) angegeben, dies entspricht dem Schutzniveau einer Panzerstahlplatte mit ebendieser Stärke.
Panzerstahl
Gewalzter Panzerstahl
Gewalzter Panzerstahl (Rolled Homogeneous Armour; RHA) wird durch Wärmebehandlung und Walzen in den mechanischen Eigenschaften Zugfestigkeit und Härte gegenüber Baustahl verbessert. Er wurde erstmals im Zweiten Weltkrieg verwendet. Später wurden neue Legierungen entwickelt, um Zähigkeit (Duktilität) für eine hohe Bruchdehnung bei trotzdem hoher Härte zu steigern. Dies wird durch Legierungsbestandteile wie Mangan, Molybdän, Vanadium, Chrom, Nickel oder Einlagerung von Kohlenstoffzementit und Stickstoff erreicht.
Panzerstahl ist bis in jüngste Zeit die Grundlage für Panzerfahrzeuge, da er im Vergleich zu anderen Materialien relativ kostengünstig und einfach herzustellen und zu verarbeiten ist. Panzerstahlstrukturen können sowohl aus Walzstahl geschweißt als auch gegossen werden, wobei Walzstahl etwa ein Zehntel höhere Zugfestigkeit erreicht als Gussstahl.
Gehärteter Panzerstahl
Gehärteter Panzerstahl (High Hardness Armour; HHA) kann wegen der höheren Härte 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 übereinandergelegt.
Perforierte Panzerung
Bei dieser Panzerung werden die Stahlplatten perforiert (Perforated armor). Idealerweise sollte der Lochdurchmesser kleiner als oder gleich der zu erwartenden Bedrohungsprojektile sein. Optimaler Weise sollten die Löcher schräg gebohrt werden, um einschlagende Geschosse durch die harten Innenwände in Drehung zu versetzen (alternativ kann die Platte auch geneigt werden).
Die Platten werden erst nach der Bearbeitung gehärtet, denn abgesehen von der einfacheren Bearbeitung des ungehärteten Stahls profitieren somit auch die Lochleibungen von der Vergütung. Beim Einbau können mehrere Platten hintereinander gestapelt werden und die Lochmuster sollten sich dabei abwechseln, um dadurch eine Mini-Schottpanzerung zu erzielen.
Die Schutzwirkung einer perforierten Panzerung entspricht etwa einer Panzerstahlplatte gleicher Dicke, durch die Löcher ist das Gewicht aber um bis zu 50 % geringer.
Leichtmetall Panzerung
Magnesiumlegierung
Magnesiumlegierungen sind die leichtesten Metalle im Panzerbau. Durch die Verarbeitungsmöglichkeiten sind auch Panzerwannen und andere tragende Strukturteile aus Magnesium möglich.
Die Legierung AZ31B ist zum Beispiel bei Beschuss aus Maschinengewehren und -kanonen gewichtsgünstiger als eine Al-5XXX Aluminiumlegierung, schneidet aber schlechter als eine Stahlplatte gleichen Gewichts ab. Lediglich gegen Splitter ist diese Magnesiumlegierung wirksamer als gewalzter Panzerstahl (RHA).
Bei modernen Panzern wird auf die Verwendung von Magnesium verzichtet, da glasfaserverstärkter Kunststoff ungefähr die gleichen Eigenschaften besitzt, aber über eine etwas geringere Dichte verfügt.
Aluminiumlegierung
Aluminiumlegierungen werden im Panzerbau häufiger verwendet. Aluminium ermöglicht es, tragende Strukturteile ohne Bedeutung für den Panzerschutz, wie zum Beispiel Laufrollen leichter zu gestalten. Für Panzerungselemente werden in der Regel Aluminiumknetlegierungen der Gruppe Al-7XXX verwendet oder auch kaltgewalzte Aluminium-Magnesium-Legierungen, wie beim Mannschaftstransporter (Armored Personnel Carrier; APC) M113. Die Verwendung von Aluminium-Lithium-Legierungen befindet sich noch in der Testphase.
Sie haben (gewichtsbezogen) etwas bessere ballistische Eigenschaften als Panzerstahl, sind jedoch teurer und nehmen mehr Raum ein. Daher können sie Panzerstahl als Konstruktionsmaterial nicht vollständig verdrängen.
Panzer aus Aluminiumlegierungen kommen dort zum Einsatz, wo Gewicht eine bedeutende Rolle spielt. Eine häufige Verwendung findet sich bei Schützenpanzern (Infantry Fighting Vehicle; IFV) und leichten Kampfpanzern, wie zum Beispiel dem amerikanischen M8 (Armored Gun System; AGS), der in den 80er Jahren entwickelt wurde. Schwere Kampfpanzer wurden nur experimentell aus Aluminium gebaut, wie zum Beispiel der britische Kampfpanzer FV4601 MBT-80 in den 70er Jahren. Als Teil der Verbundpanzerung wurde Aluminium im russischen T-80 und gerüchteweise im deutschen Kampfpanzer Leopard 2 verwendet.
Titanlegierung
Hochfeste Titanlegierungen, wie Ti-6Al-4V, weisen etwa die gleichen Festigkeitskennwerte wie Panzerstahl auf. Da die Beschussfestigkeit etwa 80–90 % der von Panzerstahl entspricht (bei nur 57 % des Gewichtes), hat man ein sehr wirksames Panzerungsmaterial, das auch für tragende Strukturteile verwendet werden kann.
Aufgrund des komplizierten Herstellungsprozesses ist Titan allerdings zehnmal teurer als herkömmlicher Stahl und die Verwendung als Konstruktionsmaterial findet nur eingeschränkt statt.
Sie werden deshalb nur als Sonderpanzerungen verwendet. So ist beim Schützenpanzer M2 Bradley die Kommandantenluke aus einer Titanlegierung gefertigt. Beim Kampfpanzer M1 Abrams wurden testweise unter anderem die Blow-out-Panels, die Motorabdeckung und die Kommandantenluke aus Titan gefertigt. Als Teil der Verbundpanzerung wird Titan beim französischen Kampfpanzer Leclerc und Infanterie-Kampffahrzeug VBCI (Véhicule Blindé de Combat d’Infanterie) eingesetzt.
Keramikpanzerung (Verbundpanzerung)
Keramische Werkstoffe besitzen eine große Härte und Druckfestigkeit, sind aber im Gegensatz zu Metallen eher spröde. Im Gegensatz zu Metallen, die sich bei hohen Drücken wie Fluide verhalten (das heißt, das Geschoss 'schwimmt' durch die Panzerung) reagiert Keramik mit Rissbildung. Bruchstücke der Keramik dringen in den Penetrator (Eindringkörper) einer Hohlladung ein, weiten diesen damit auf bzw. werden vor dem Stachel komprimiert und hemmen das Fortkommen weit wirksamer, als es Panzerstahl vermag.
Verbundpanzerungen aus Keramik werden heute fast überall eingesetzt, von beschusshemmenden Westen bis zu Panzern. Die Dicke der Keramikplatten kann dabei von wenigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern reichen.
Erste Generation
Die ersten Verbundpanzerungen mit Keramik bestanden aus einer Platte harten Materials wie Borsilikatglas oder Metallmatrix-Verbundwerkstoffen, die in einem Sandwich aus Stahl- oder Aluminiumplatten steckte.
Die bekannte Burlington-Panzerung ist zum Beispiel ein Sandwich-Wabenkern-Verbund, bei der die Außenhaut aus Aluminiumoxidkeramikkacheln in Honigwaben-Form besteht, die auf eine Matrix aus ballistischem Nylon geklebt wurden.
Wichtig ist dabei eine reproduzierbare Fertigung jeder einzelnen Keramikplatte und die Einhaltung sehr enger Toleranzen. Nur bei der Erfüllung dieser Voraussetzung ist eine engfugige Verlegung möglich. Jede Fuge größer als 0,3 mm stellt eine Schwachstelle in der Beschussfestigkeit dar.
Panzerungen, die so aufgebaut sind, haben gegenüber Panzerstahl keinen Gewichtsvorteil, wenn sie vor Wuchtgeschossen schützen sollen. Dieser Aufbau bleibt aber aufgrund seines Gewichtsvorteils und der relativen Einfachheit bei UH-60 Black Hawk Borcarbidkeramiken auf Dyneemagewebe geklebt, beim Manschaftstransporter Piranha wird Stahl und Siliziumcarbid verwendet.
Zweite Generation
Im Laufe der Entwicklung erkannte man, dass die Schutzwirkung der Keramik gegenüber Wuchtgeschossen erheblich verbessert werden kann, wenn diese am Zersplittern gehindert wird. Dafür muss die Keramik von drei Achsen in Form gehalten werden. Die Realisierung dieser Anforderung ist komplex - kleben scheidet hierbei aus.
Die Keramiken können 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 Metall.
Das Material, das 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, dass die Wirksamkeit einer Keramikpanzerung weiter gesteigert werden kann, wenn die keramikhaltige Schicht noch mit einer weiteren Rückenplatte (Support Layer) versehen wird. Diese hat die Aufgabe, die vorderste Schicht in Form zu halten, damit sie beim Einschlag nicht durch hohe Biegemomente belastet wird. Faserverbundwerkstoffe sind dafür zu weich. Bei einem Durchschuss durch die Keramik ergibt sich zusätzlich das Problem, dass die Faserverbundschicht einen Krater bildet, wodurch aufgeklebte benachbarte Keramiken beschädigt werden können und eine größere Stelle vom Einschlag betroffen ist. Moderne Aufbauten besitzen deshalb drei Schichten.
Am wirksamsten - auch gegen Wuchtgeschosse - ist eine Zwischenschicht aus einem harten und dichten Material. Da kein ideales Material 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 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 Panzerung des Kampfpanzers Challenger 2 soll zum Beispiel Urandioxid-Nuggets und Gummi enthalten.
Dieser Aufbau wird auch als Dorchester-Panzerung bezeichnet.
Reaktivpanzerung
Die Reaktivpanzerung (Explosive Reactive Armour; ERA) wird in Form von Kacheln auf die Panzerung aufgelegt.
Die ersten Experimente mit Reaktivpanzerung wurden 1949 in der Sowjetunion durchgeführt. Aufgrund eines Unfalles und der vorherrschenden Meinung, dass Panzerfahrzeuge gut genug geschützt seien, wurde die Forschung jedoch eingestellt und erst in den 1980er-Jahren wieder aufgenommen.
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 die klassische Reaktivpanzerung weitgehend wirkungslos.
Ein großer Nachteil dieser Panzerung ist die Wirkung auf eigene Soldaten (Infanterie) in der Nähe des Fahrzeuges, die durch die Reaktivpanzerung gegebenenfalls stärker gefährdet sind als durch den Beschuss.
Erste Generation
Die ersten Reaktivpanzerungen verwendeten nur Abdeckplatten mit geringer mechanischer Belastbarkeit, meist dünne Stahlplatten. Insbesondere Hohlladungen lassen sich damit gut abwehren, da der Kumulationsstrahl verwirbelt wird. Gegen Wuchtgeschosse ist die klassische Reaktivpanzerung weitgehend wirkungslos.
Zweite Generation
Weiterentwicklungen verwenden eine stabilere Abdeckplatte mit mehreren Zentimetern Dicke. Solche als schwere Reaktivpanzerung bezeichnete Versionen, wie die aus Sowjetzeiten stammende Kontakt-5, können auch die Durchschlagsleistung von APFSDS-Granaten (Wuchtgeschoss) herabsetzen, indem sie den Penetrator (Eindringkörper) in Drehung versetzen.
Dritte Generation
Die neuesten Reaktivpanzerungen sind integral, also in die Verbundpanzerung integriert. So können Hohlladungen und Maschinenkanonenbeschuss besser abgewehrt werden. Ein Beispiel dafür ist die aus Sowjetzeiten stammende ReaktivpanzerungKaktus.
Da eine explodierende Schicht eine Art Ausblasöffnung benötigt, wurden auch reaktive Anordnungen entwickelt, die ohne Sprengstoff arbeiten. Diese als NERA (Non-explosive Reactive Armour) bezeichneten Aufbauten verwenden eine Zwischenschicht aus einem inerten Material, zum Beispiel Gummi, die bei einem Einschlag die Platten verformt. Die Wirkung ist nicht ganz so hoch wie bei der explosiven Version, dafür können aber auch Tandemhohlladungen beeinflusst werden.
Schottpanzerung
Eine Schottpanzerung besteht aus mehreren Platten, die mit jeweils einem dazwischenliegenden Luftspalt hintereinander angeordnet werden. Das Prinzip beruht darauf, dass der Penetrator (Eindringkörper) mit integrierter Hohlladung für eine bestimmte Entfernung optimiert ist, dahinter lässt die Durchschlagsleistung nach.
Die Penetrationsleistung einer RPG-7 (reaktive Panzerbüchse aus Sowjetzeiten) liegt optimal bei 330 mm, nach 610 mm Entfernung vom Detonationspunkt liegt sie nur bei 127 mm.
Somit ist es sinnvoll, die Bau Tiefe der Panzerung zu erhöhen, um Hohlladungen besser abwehren zu können. Schottpanzerung macht HEP-Granaten (Quetschkopfgeschoss) wirkungslos und schützt die Keramikpanzerung besser vor Beschuss mit Maschinenwaffen.
Erste Generation
Anfangs wurden dünne Stahlplatten mit festen Abstandshaltern an der Panzerung befestigt. In der integrierten Version werden Hohlräume in der Panzerung belassen. Die sichtbarste Anwendung sind Seitenschürzen.
Zweite Generation
Verbesserte Versionen verwenden eine schockgedämpfte Befestigung der Schottanordnung, die auf der Grundpanzerung befestigt wird. Die Gummielemente werden Shock-mounts (Stoßdämpferhalter) genannt.
Der Aufbau reduziert die Belastungen, die bei einem Geschosseinschlag auf die Grundpanzerung übertragen werden. In der integrierten Version werden Hohlräume in der Panzerung belassen; diese werden mit einem Material geringer Dichte aufgefüllt wie zum Beispiel Polyurethan, Polyethylen und Polystyrol. Die vorderen Platten können sich dadurch auf den hinteren abstützen, dies reduziert die Biegemomente.
Die ersten Versionen des sowjetischen Kampfpanzer T-72 verwendeten Polyurethan in der Wannenfront. Eine Schottanordnung mit Polystyrol soll in der Leopard-Serie eingesetzt worden sein.
Dritte Generation
Weitere Verbesserungen setzen auf die teilweise schockdämpfende Anordnung beispielsweise eines aus zwei Stahlplatten mit Gummifüllung bestehenden Sandwichs, um zusätzlich vom NERA-Effekt zu profitieren. Alternativ sind auch keramikhaltige Schichten oder gehärtete Stahlplatten (HHA) denkbar.
Geneigte Anordnungen können beim Durchschuss Wuchtgeschosse in Drehung versetzen und so deren Durchschlagsleistung herabsetzen.
Die sowjetischen Reaktivpanzerungen Kontakt-5 und Kaktus bilden ebenfalls eine Schottanordnung.
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