Pancerze kompozytowo-ceramiczne [1]

Piotr Zbies

Jednym z najważniejszych aspektów historii i ewolucji broni pancernej jest kwestia jej ochrony. Początkowo stawiano na relatywnie proste i tanie osłony stalowe, jednak „wyścig pomiędzy mieczem i tarczą” sprawił, że ewolucja tego obszaru znacząco przyspieszyła na przestrzeni ostatnich 40 lat, przez co wdrożono wiele rozwiązań wykorzystujących elementy niemetalowe. Historia pancerzy kompozytowych, podobnie jak historia samego czołgu, rozpoczyna się w brytyjskiej admiralicji. Sam wątek pancerzy rozpoczął się jednak o wiele wcześniej i był bezpośrednio związany z problemem ochrony okrętów pancernych. To one, jako pierwsze, musiały zmierzyć się ze wspomnianym wyścigiem. Na początku zeszłego wieku podobne wyzwania oraz przygotowane dla nich solucje wyszły z wody i zadomowiły się na lądzie, kontynuując proces ewolucji w znacznie głębszym stopniu.

Wczesne rozwiązania

Problem wynikający z ograniczeń fizycznych poszczególnych materiałów pojawił się wraz z pojawieniem się idei okrętów pancernych. W 1859 roku zwodowano w Cesarstwie Francuskim pierwszy taki okręt o nazwie Gloire, który był chroniony przez 120-milimetrowe płyty żelazne, przykręcone do drewnianych burt. Odpowiedzią na to rozwiązanie był zwodowany rok później HMS Warrior, którego pancerz charakteryzował się podobną budową. Tam bowiem zastosowano 4,5-calowe (114 mm) płyty żelazne umieszczone na rdzeniu z drewna tekowego. Poważną różnicą było to, że o ile we francuskiej „Chwale” płyty żelazne chroniły ograniczoną powierzchnię okrętu, o tyle w „Wojowniku” został nimi pokryty cały kadłub.

Nim jednak położono stępkę pod te dwie jednostki, pojawiały się już wcześniej propozycje budowy metalowych okrętów wojennych. Na początku w angielskich okrętach liniowych od lat 70. XVIII wieku stosowano cienkie płyty wykonane z miedzi, a później ze stopu Muntza, które pełniły rolę ochrony przed szkodliwym działaniem organizmów żywych na drewniane kadłuby. Kiedy natomiast zdecydowano się, aby metale stały się dominujące w konstrukcji okrętu, okazało się, że pod wpływem działania wody morskiej żelazo korodowało znacznie szybciej od miedzi, przez co wciąż potrzebna była dotychczasowa obudowa dna. Z tego powodu żelazne płyty pancerne w okrętach pancernych z trzeciego i początku czwartego ćwierćwiecza XIX wieku wciąż były osadzone na drewnianych kadłubach. Samo drewno zapewniało jeszcze więcej korzyści okrętom pancernym, ponieważ pełniło rolę warstwy przeciwodłamkowej, chroniącej załogę pod pokładem przed niebezpiecznym efektem spallingu, zwiększając przy tym efektywną odporność pancerzy żelaznych.

Wraz ze wzrostem popularności okrętów pancernych oraz doniesień zza Wielkiej Wody, gdzie z sukcesem wykorzystywano okręty nazwane później od protoplasty monitorami, jak też ich kazamatowych rywali, waga zawodników stawała się coraz cięższa. To wtedy po porażce pod Lissą w 1866 roku Włosi zdecydowali się na budowę pancerników typu Caio Duilio, których 550-milimetrowy pancerz żelazny do dzisiaj dzierży rekord najgrubszego pancerza jednorodnego w historii. Natomiast ze względu na budowę za pierwszy pancerz kompozytowy można jednak uznać opancerzenie zwodowanego siedem lat później HMS Inflexible, który był brytyjską odpowiedzią na wyścig zbrojeń prowadzony wtedy przez Włochów.

Teoretycznie pancerz Inflexible'a nie różnił się znacząco od tego, co pojawiło się na Warriorze. Lecz w tym okręcie dotychczasowy układ osłon został zdublowany, dzięki czemu jedna z warstw drewna tekowego znalazła się pomiędzy warstwami żelaznymi. Dodatkowo same belki drewniane w celu zachowania zwartej struktury były wzmocnione za pomocą żelaznych kształtowników. Fizyczna grubość pancerza „Nieugiętego” wynosiła przez to aż 1050 mm, dzięki temu ten pancerz nie tylko był pierwszym rozwiązaniem kompozytowym w historii pancerza, lecz też do dziś jest pancerzem kompozytowym o największej fizycznej grubości, niezawierającym w dodatku luk powietrznych, czemu nadal nie dorównały osłony współczesnych czołgów podstawowych.

HMS Inflexible nie był jednak ówczesną nowinką technologiczną tylko z tego powodu. Okręt pancerny był również pierwszą jednostką pływającą, która została (częściowo) osłonięta pancerzem typu compound.

Sam pomysł stworzenia takiego opancerzenia wynikał z opracowania w Anglii procesu konwertorowego przez Henry'ego Bessemera, do czego doszło zaledwie 18 lat przed rozpoczęciem budowy „Nieugiętego”. Dotychczas do produkcji pancerzy metalowych używano lanego żelaza (o udziale węgla poniżej 0,08%) uzyskiwanego w procesie Halla, co było praktykowane głównie z racji ówcześnie niższej ceny żelaza od stali. W przypadku pancerza typu compound jego proces produkcyjny polegał na wykonaniu typowej jednorodnej płyty żelaznej, której powierzchnia była zalewana warstwą staliwa (proces Wilsona) lub staliwem zalewano przestrzeń pomiędzy płytą stalową i żelazną (proces Ellisa), co było zamiennikiem nieskutecznego dla tej kombinacji materiałów spawania elektrodowego. Tego rodzaju pancerza nie można traktować jako pancerza kompozytowego, ponieważ de facto zastosowano tam tylko jeden materiał dwóch różnych odmian nieoddzielonych od siebie jakimkolwiek innym materiałem. W przeciwieństwie jednak do dotychczas stosowanych pancerzy zadanie przechwytywania odłamków spadło na warstwę żelazną (Inflexible oraz późniejszy Collosus używały nadal do tego drewna tekowego), a sam pancerz charakteryzował się większą o 25% efektywnością masową i gabarytową od osłon żelaznych.

Pancerz typu compound pełnił jednak rolę rozwiązania przejściowego pomiędzy staroświeckimi pancerzami żelaznymi o bardzo dużej grubości, a nowoczesnymi i lżejszymi pancerzami stalowymi. Szybko bowiem dzięki postępowi technologicznemu zarzucono stosowanie lanego żelaza w budownictwie okrętowym i zastąpiono je jednolitymi konstrukcjami stalowymi, gdzie główną rolę zaczęły odgrywać stale chromowane i niklowane. Sama idea pancerza typu compound jednak nie umarła, co można odnaleźć przy rozwiązaniach wykorzystujących aluminium, gdzie zaobserwowano, że dwie płyty aluminiowe połączone ze sobą spawem lub śrubami zapewniają większą odporność od jednorodnej płyty aluminiowej (co jest zjawiskiem odwrotnym od występującego w stali), a efekt może zostać pogłębiony poprzez stosowanie stopów o różnej twardości i plastyczności. Natomiast odejście od żelaza w latach 80. XIX wieku de iure oznaczało odejście w budowie pancerzy od rozwiązań kompozytowych. W rzeczywistości jednak tak nie było.

W celu późniejszej poprawy własności mechanicznych opatentowanej w 1889 roku stali niklowanej zdecydowano się początkowo na umacnianie powierzchniowe wyprodukowanych arkuszy pancerza – taki rodzaj pancerz nosi obecnie nazwę „pancerza umacnianego powierzchniowo” (Face-Hardened Armour; FHA). Pierwszym sposobem umacniania stali poprzez nawęglanie była metoda Harveya, gdzie na powierzchni rozgrzanej do temperatury ok. 1200 °C płyty stalowej układano na okres od dwóch do trzech tygodni węgiel drzewny, który nasycał wierzchnią warstwę stali dodatkowymi cząstkami węgla. Węgiel obecny w stali reagował chemiczne z cząstkami żelaza, tworząc cząstki węglika żelaza nazywanego potocznie cementytem. Ogólnie rzecz ujmując, jest to aż po dzisiaj normalny, choć obecnie unowocześniony zabieg stosowany przy produkcji utwardzonych stopów żelaza. Ze względu na obecność węglików taki materiał można de facto uznać nie za typowy metal, lecz za kompozyt ceramiczny w osnowie metalowej – w skrócie „cermet”.

Proces ten został później usprawniony przez odlewnię staliwa z Essen, prowadzoną przez Friedricha Alfreda Kruppa, gdzie do nawęglania zastosowano węglowodory w postaci gazowej, które wnikały znacznie głębiej w strukturę stali od węgla pochodzącego z brykietu. Dzięki obydwóm procesom zwiększono efektywność masową pancerzy stalowych. W przypadku stali Harveya wzrost wyniósł 20%, natomiast dla stali Kruppa aż 40% względem niezmodyfikowanej stali. Stal utwardzana powierzchniowo towarzyszyła okrętom pancernym aż do ich zmierzchu podczas II wojny światowej i w międzyczasie trafiła na pierwsze lądowe pojazdy pancerne, które obecnie nazywamy czołgami.

Pełna wersja artykułu w magazynie NTW 11/2019