Wie drollig nun den alten Thread zu den Gürtelpanzern von Bismarck und Scharnhorst wieder zu sehen. Da ward mir seinezeit angeboten den Durchschlag einer Granate durch eine Panzerplatte doch zur Verhandlungssache zu machen. "Man könne sich ja einigen." Ich hab auf meinem Rechner noch eine halb fertig gestellte Antwort dazu gehabt – hatte das dann damals aber als sinn- und nutzlos abgeschrieben. Nu' hatt' ich sie schon fast gelöscht. Jetzt dachte ich mir aber ich werfe sie mal auf den Markt, einfach um (unabhaengig von dem Bismarck/Scharnhorst Thread) klar zu machen warum das ein sehr, sehr komplizierter Vorgang ist – so einfach Granate durch Panzerplatte – und warum man da viel rechnen und abschätzen kann.
Lassen wir die Maus doch mal auf den blauen Elefanten schiessen und gucken, was passiert.
Von Panzersprenggranaten, von Formeln und vom Umgange mit beiden ...Ich wollt’ hier nu’ nicht sieben verschiedene Näherungsverfahren vorstellen, wie man die Wechselwirkung von schwerer panzerbrechender Granate und oberflächengehärteter Panzerplatte berechnen kann. Auch liegt es mir fern die sieben verschiedenen Formeln dazu auf den Monitor zu bringen.
Ich dacht’ mir, ich stelle den Durchtritt einer Granate durch eine Platte mal in einigen wenigen Skizzen graphisch dar. Das macht vielleicht hie und da etwas klarer welche Wechselwirkungen da auftreten, welche Phasen man da unterschieden kann und wo welche Berechnungsverfahren angreifen.
C7! Treffer! Dumm gelaufen. Es hätte ja auch ins Wasser gehen können. Beim „Schiffe Versenken“ ist ‚Wasser!’ immer der wahrscheinlichere Ausruf. Diese hier aber trifft.
Die Ballistische Haube (nicht mit der Kappe zu verwechseln!) schmilzt dahin wie Butter. Die ist bei einer Deutschen Weltkriegs-Granate aus so etwas weichem und widerstandsunfähigem wie Silumin (einer Aluminiumlegierung) gemacht. (Manchmal sieht man auf Photos getroffener Panzerplatten die verspritzte Haube rund um den Einschlagkrater.) Die Granate schlägt mit der panzerbrechenden Kappe auf. Die oberflächengehärtete Schicht springt wie Verbundglass; die Kappe der Granate bekommt im Gegenzug Risse. (im Idealfall – für die hinter der Panzerung – würde bei desem Kräftemessen zwischen Oberfläche und Kappe letztere zerbrechen. Das passiert aber nur selten, weil die Kappe bei etwa gleicher Härte zur Platte die günstigere, stabilere Form hat.)
Es gibt zahllose verschiedene Kappenformen. Scharfe Kanten an der Seite sind gut, um beim flachen Schrägschuss was zu erreichen, weil sich die Granate eher aufrichten wird. Kappen mit 'Hammerkopf' wie in der Skizze sind eher geeignet Platten mit sehr dicker, gehärteter Schicht zu knacken. Aber lassen wir diese Granate hier mal ihr Werk tun.
Die Granate beginnt sich einzugraben. Plattentrümmer fliegen nach aussen. Die Spitze der Granate bremst abrupt ab, die Granate richtet sich auf. Gleichzeitig wird die Vorderkante der Granate nach aussen weg gedrückt, weil der Widerstand in Richtung Plattenoberfläche geringer ist als in Richtung des Platteninneren.
Während der Schwerpunkt sich nach wie vor in Flugbahn weiterbewegt, wird die Granate an Anfang und Ende nach Aussen abgelenkt. In dieser Phase wirken massive Biegekräfte auf die Granate und wenn die hinter der Panzerplatte jetzt endlich Glück haben, bricht die Granate in dieser Phase auseinander. In dieser Phase aktiviert auch der Bodenzünder der Granate. Die gewaltigen Biege-Beanspruchungen mögen aber eine Fehlzündung hervorrufen. Das ist dann, wenn man ganz pingelig ist, nicht unbedingt ein ‚Blindgänger’ oder Fabrikationsfehler sondern einfach ein Erfolg der Panzerplatte gegen den empfindlichen Zündmechanismus.
Die Panzerplatte kann die Granate nicht abprallen lassen oder wegzaubern. Die Panzerplatte kann und soll die Granate einfach kaputt machen.
... die hinter der Panzerplatte haben wieder kein Glück! Die Granate hat die oberflächengehärtete Schicht durchschlagen und gräbt sich jetzt durch zähes, elastisches Material. Die Kappe sitzt noch lose auf, ist aber an der Lötstelle schon abgebrochen. Die Panzerplatte beginnt an der Rückseite auszudellen.
Die Granate dringt tiefer in die elastische Rückseite der Platte vor. Der Widerstand ist jetzt am geringsten in Richtung zum Lot hin, auch hat das Ende der Granate immer noch einen Impuls zum Lot. Die Granate richtet sich in dieser Phase weiter auf. (Deswegen benötigt es eine gewisse Mindestdicke, um eine Granate beim Durchgang zum Lot hin abzulenken. Durch eine dünnere Platte wäre die Granate in dieser Phase einfach schon durch.)
Die Streckgrenze des Panzer-Materials ist erreicht. Ein Propfen (oder ‚Deckel’) reisst auf der Innenseite aus der Panzerplatte. (Es kann in dieser Phase aber auch passieren, dass die Plattenrückseite einfach nur direkt vor der Nase der Granate aufreisst. Dann zwängt sich die Granate da durch und fliegt weiter. Vorteil für die dahinter: es fliegen nicht so viele Plattentrümmer in der Gegend herum; Nachteil: die Granate wird weniger gebremmst und fliegt relativ stabil weiter.)
Der Deckel beschleunigt massiv während die Granate Energie an ihn verliert und erheblich langsamer wird. (Also das reicht immer noch lässig für ein blödes Schott aus Schiffbaustahl aber ein hintergebautes Panzerschott; zum Beispiel das Torpedoschott aus elastischem Panzerstahl könnte die Granate jetzt vielleicht schon abfangen.) Der Zünder der Granate brennt immer noch artig weiter.
Deckel und Granate fliegen in den Innenraum um da Hölle und Verderben anzurichten. (Selbst wenn die Granate in dieser Phase noch stecken bleibt hat sie genug Energie an den Deckel abgegeben, um diesen mit fast der Wirkung des eigentlichen Granateinschlages weiterfliegen zu lassen. (Viele Beschädigungen, die Schiffe vor Jutland erlitten waren auf abgeplatzte Deckel zurückzuführen nicht auf die eigentlichen Granaten.) Die Granate fliegt etwas mehr zum Lot hin weiter und taumelt vielleicht noch etwas infolge des rasanten Ritts durch den Stahl. Dabei verliert sie dann nach kurzer Zeit ihre panzerbrechende Kappe.
Darum kommt sie jetzt auch nicht mehr durch eine zweite Panzerplatte. Die Granate selbst ist ohne ihre Kappe nicht mehr "gepanzert"; die ist jetzt nur noch eine totbringende etwas stabilere Konservendose. Das ist es was vorgebaute 'Zerschellerplatten' erreichen sollen: Die Granate 'entpanzern'. Und guckt man die Berechnungen zur Vittorio Venetto an, so funktioniert das ausgesprochen gut.
Der Deckel kracht durch ein Regal für Bettwäsche und Hängematten, geradewegs weiter durch ein Schott und das Torpedoschott und knallt in einen Hochdruckheissdampfkessel, die Granate fliegt noch durch ein Schott und explodiert. ...
Und so schaut das dann aus, wenn die Profis ihre Testschüsse machen; hier mit einer verkleinerten Modellgranate auf eine entsprechend reduzierte Platte. (Da hat hinterher beim Hochrechen bestimmt auch jemand geschwitzt, ob das mit dem Extrapolieren jetzt alles so klappt!
)
Festzuhalten bleibt:
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Der kleine, blaue Elefant ist entkommen.- Panzer macht man im Wesentlichen mit kinetischer Energie kaputt. Eine Explosion mag helfen aber im Wesentlichen richten Explosionen gegen Panzer nichts aus. Das liegt daran, dass die Wirkung der Explosion immer in ein viel, viel elastischeres Medium (Wasser oder sogar Luft) verpuffen kann. Wenn man Panzer mit Explosionen kaputt kriegen will, muss man die Explosion zwischen Panzer und etwas anderem 'einklemmen'. So funktionieren (etwas vereinfacht) Hohlladungsgeschosse.
Hier ein Beispiel fuer eine Deutsche Entwicklung aus dem Weltkrieg.
- Das war ein (grobes) Beispiel für Panzersprenggranate (also eine Granate, die selbst auch 'gepanzert' ist gegen eine oberflächengehärtete Platte, also Krupp, oder KC, oder wie auch immer die genannt werden. Schlägt die Granate in eine Deckspanzerung, also etwas nicht gehärtetes wie Wotan oder so, so bekommt man eher sowas:
Die Platte ist viel weicher als die Panzerkappe der Granate. Es wird kaum was von der Platte abgesprengt. Die Granate 'quetscht' sich ihren Weg durch das zähe Material. Hier ist die Idee, dass die Granate soviel Material vor ihrer Nase aufwirft, dass sie sich in die Platte' einpflügt' und schliesslich durchbricht.
Die unterhalb der Platte hoffen natürlich, dass der Widerstand, den die Platte der Granate noch entgegensetzen kann (angedeutet durch den blauen Pfeil) ausreicht damit die Granate entweder einfach stecken bleibt oder das Metallstück 'B' abplatzt und die Granate abprallt.
Jedenfalls ein deutlich anderer Vorgang. Hier ist die Idee nicht so sehr, dass die Granate vom Panzer kaputt gemacht wird, sondern, dass sie ihre kinetische Energie in dem zähen Stahl nach und nach verbraucht.
... aber das nur am Rande.
Von Formeln ...Also – was kann man erstmal generell zu dem Vorgang sagen? Schlägt die Granate mehr oder minder senkrecht auf, dann ist das sowas wie Hammer auf Verbundglass. Je härter die Oberfläche und je zäher die Rückseite, desto grösser die Chance, dass das Geschoss einfach unter dem Aufprall zerbricht. Darum sind Gürtelpanzer immer aus oberflächengehärtetem Stahl.
Schlägt das Geschoss eher schräg auf, dann ist ein weicherer, elastischer Stahal gewünscht, in dem das Geschoss nach und nach seine Energie verbraucht und schliesslich steckenbleibt oder sogar nach aussen abgelenkt wird. Darum ist Horizontalpanzerung normalerweise aus homogenem Stahl (also Wotan Typ). (Problematische Ausnahme hier bei vielen Dampfern die Turmdecken, die häufig eben doch aus oberflächengehärtetem Stahl sind. Dunkerque sah dann auch prompt schlecht aus, als ein Abpraller innen einen 'Deckel' losriss, der die Turmbesatzung das Leben kostete. Hier hätte wohl besser homogener Stahl hingesollt, der macht normalerweise keine 'Deckel'.)
Ja, und wie berechnet man da denn nun was?
Vorweg: Es gibt keine Formel, die den ganzen Vorgang sauber beschreibt. Es ist vermutlich einfacher zu beweisen, dass man diese Formel auch nicht aufstellen kann, als auch nur zu versuchen sie zu finden. Da sind viel zu viele Parameter zu vielfältig untereinander verknüpft und zu viele von diesen Parametern kennt man nur mit begrennzter Genauigkeit.
Also:
DIE Formel dazu gibt es nicht! Einige Worte dazu wie man denn eigentlich zu Formeln kommen kann: Man kann entweder sogenannte
empirische Formeln erstellen. Dazu nimmt man sich Messergebnisse (zum Beispiel zehnmal mit verschiedenen Geschwindigkeiten auf eine Platte schiessen oder unter zehn verschiedenen Winkeln.) Aus diesen Messpunkten kann man dann eine Formel aufstellen, die einem den Vorgang beschreibt.
Oder man stellt eine
analytische Formel auf; überlegt sich welche Parameter in welcher Weise zu berücksichtigen sind und stellt das dann zusammen.
Dann kann man den ganzen Vorgang einfach als ein einziges Ereignis betrachten. Man hat einfach nur eine Granate mit dem Gewicht M und der Geschwindigkeit v, die auf eine Platte der Dicke d trifft. So funktionieren die einfachsten und ältesten Berechnungsverfahren. Will man es etwas genauer, dann kommen Vorfaktoren hinein, die den Effekt bestimmter Stähle berücksichtigen, oder den Effekt der Oberflächenhärtung. So funktionieren im Wesentlichen die Berechnungsferfahren aus den Heften der Kriegsmarine zur Hauptkampfentfernung. Schliesslich kann man versuchen den Aufschlagwinkel genauer zu erfassen; ob die Granate abrutscht oder sich hineinbeisst. Solche Verfahren hat der Hoyer dann in seinem Vortrag anskizziert (Tagung der Lilienthal Gesellschaft, Bericht 166, hier sein Beitrg "Berechnung schwerer Schiffspanzer")
So eine Berechnung stellt eine gute Näherung dar, ist aber wenn man sich den ganzen Vorgang im Detail anschaut hie und da ungenau. So berücksichtigen diese Verfahren meist nicht die Ablenkung des Geschosses.
Und dann kann man anfangen das weiter zu verkomplizieren. Direkt beim Einschlag geht es erstmal; darum, ob die Granate denn überhaupt in die Platte hineinkommt. Da geht dann die Härte der Panzerplatte an der Oberfläche mit ein, gegen die Härte der Kappe. Da geht die Form der Kappe mit ein indem sie ja den Winkel bestimmt unter dem da Stahl auf Stahl trifft und eben rutscht oder nicht rutscht.
Kurz nach dem Einschlag geht die Tiefenhärtung der Platte ein; wie tief geht die spröde Schicht und wo fängt die zähe Platte an?
So versucht man sich ein immer genaueres Modell davon zu machen, was sich da zwischen Granate und Platte abspielt.
Man kann das beliebig verkomplizieren bis – ja – bis man irgendwann in den Bereich gerät, wo man einzelne Parameter einfach nicht genau genug kennt. Ist die Grenzschicht zwischen gehärtetem und elastischem Teil überall gleich tief? Ist der Übergang von hartem zu elastischem Material sprunghaft oder almählich?
Irgendwo da muss man sich dann geschlagen geben und sich mit der erreichten Genauigkleit zufrieden geben.
...
und was Formeln einem letztendlich verraten und was nicht:Also – ich hatte an anderer Stelle schon mal gesagt dass man Formeln nicht glauben oder nicht glauben kann; das ist halt Ballistik nicht Theologie. Man kann aber natürlich die Randbedingungen hinterfragen, einen Ansatz kritisieren, eine Vereinfachung in Frage stellen.
Eine empirische Formel kann man so erstmal nicht anzweifeln. Die sind gemessen. Punkt. Man mag natürlich fragen, ob die Messmethode adäquat war. Haben die repräsentative Granaten genommen oder speziell behandelte? Aber normalerweise sind Fehler da selten. Die, die die Versuche gemacht haben, waren ja doch meist an richtigen Ergebnissen intereessiert. (Ausnahme hier vielleicht ‚Werbeveranstaltungen’; eine Rheinmetallkanone gegen eine Krupp-Platte. Da lohnt es dann schon zu gucken ob unten an der Graphik ‚Rheinmetall’ steht ... oder ‚Krupp’).
Schwierig wird es mit empirischen Formeln, wo extrapoliert wird. Da hat man vielleicht Messpunkte für 650, 700, 750 und 800 Meter pro Sekunde und nun berechnet man etwas für eine Granate, die 900 Meter pro Sekunde fliegt. Kann gut gehen , kann auch schief gehen.
Oder man hat Daten für eine Deutsche und eine Französische Panzerplatte und berechnet nun wie das mit einer Japanischen Panzerung ausgeht. Kann funktionieren, muss aber nicht.
Analytische Formeln sind einerseits einfacher andererseits schwiriger zu behandeln. Einfach – man kann ja direkt nachvollziehen wo die welchen Parameter wie bewertet haben.
Aber da es die Weltformel der Ballistik nicht gibt trifft man schnell auf Vereinfachungen. Dieser Parameter ist vernachlässigt, weil sein Beitrag klein ist. Kann man das machen, oder verfälscht das die Daten?
Da muss man sich dann im Detail in die Formel vertiefen, überlegen, ob man einzelne Schritte nachvollziehen kann. Als Beispiel: Das Aussreissen des Deckels geht ja einmal ganz rum – also kommt da so ein Term bei raus mit Zähigkeit mal Zwei mal Pi. Nun ist es aber ja vielleicht eher so, dass es einen initialen Einriss gibt und dann setzt sich das Ausreissen des Deckels von der Schwachstelle aus fort. Also muss die Granate die Zähigkeit der Platte vielleicht nur in einem viel kleineren Bereich überwinden und gar nicht einmal ganz rum (eben zwo mal Pi). So versucht man eine Formel immer weiter zu bearbeiten, sucht sich Testergebnisse, vergleicht, guckt ob man eine gelungene Annahme da hinein gesteckt hat und puzzlet weiter.
... puzzlet weiter bis – ja, bis man eben an die Grenzen das Berechenbaren stösst. Da hat man etwas immer nur für den typischen Fall. Wenn dann mitten im Kampf ein Admiral aufs Klo muss und die Panzertür vom Leitstand nur angelehnt lässt, dann war das der Fall, den man nicht berechnet hatte, wenn eine Granate schon an der Ankerkette auslöst, wenn eine Granate meterweit unter Wasser fliegt, wenn ...
Nicht alles ist berechenbar! Aber man muss nicht raten. Man kann überlegen.
Weiterführende Literatur:Ja – Hoyer, „Die Berechnung schwerer Schiffspanzer“ aus den Beiträgen 166 der Lilienthal Gesellschaft ist schon nicht schlecht. Überhaupt ist das gesammte Heft 166 ein Blitzlicht der Deutschen Panzer und Granatenentwicklung im Jahre 1943.
Von der Kriegsmarine die „Unterlagen zur Bestimmung der Hauptkampfentfernung und Geschosswahl“, Heft A ist hilfreich.
Im Everts, „Kriegsschiffbau“ wird kurz auf die Berechnung von Panzern eingegangen.
Archive bieten sich da natürlich auch an. Da finded sich dann zum Beispiel sowas: „Theory of wedge penetration at oblique incidence and its application to the calculation of forces on a yawed shot impacting on armour plate at any angle” von 1946 bei National Archives, Kew unter DEFE 15/710. Da muss man dann einfach geduldig suchen. So ein Kram ist ja Heute nicht mehr geheim. Allein Kew Archives spuckt einem da mehr Material aus, als man jemals würde lesen wollen.
Viel Deutsches Material finded sich bei den National Archives, Kew in ADM 213/951 „German Steel Armour Piercing Projectiles and Theory of Penetration.“
Nathan Okun hat auf navweaps eine ganze Reihe von Artikel zum Thema veröffentlicht.
http://www.navweaps.com/index_nathan/index_nathan.htmSelbst wenn man seinen Überlegungen zu den Qualitäten des Schlachtschiffes ‚F’ aus emotionalen Gründen nicht zustimmen mag, so finden sich bei ihm doch viele der gängigen Berechnungsformel verschiedener Marinen.
Es ist also nicht so, dass er sich das alles ausgedacht hat. Er rechnet im Wesentlichen mit Formeln von Marinen, Panzer- und Waffenherstellern aus der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts und versucht Mängel durch Veränderungen der Formel in den Griff zu bekommen. Das kann man dann Formel um Formel bei ihm nachvollziehen und sich überlegen, ob man seine Ausführungen nachvollziehen mag der nicht (‚nachvollziehen’!! nicht ‚glauben’!!)
Eugene Slower bietet auf seiner Web Seite allerhand Material an:
http://www.eugeneleeslover.com/GS-USN-PAGE.htmlMan kann sich auch Neuerem zuwenden:
An der Ben Gurion Universität wird recht reichlich in Sachen Ballisitk geforscht. Arbeiten von Gabi Ben-Dor oder Anatoly Dubinski sind da lesenswert.
http://www.bgu.ac.il/~dubin/index.htmlEs gibt ein da schönen Übersichtsartikel von 2004, „Ballistic Impact: Recent Advances in Modelling of Plate Penetration Dynamics; a Review“. Da steht viel, viel drin und man bekommt gleich noch ein Literaturverzeichnis von gut 200 Artikeln zum Thema.
Aus China gibt es inzwischen auch allerlei zum Thema Ballistik. Lesenswert: Xiaowei Chen et al., „Oblique Angle Penetration of Thick Metall Plates by Rigid Projectiles“ aus 2006 (allerdings weiche Metallplatten => Ablenkung vom Lot weg!) oder: Wang Li-ren, “An engineering formula on the calculation of oblique penetration by long-rod projectile” aus dem Jahr 1991.
Oberflächengehärtete Platten, wie sie in unserem Interessengebiet ja nu’ mal vorkommen sind zwar ausgesprochen ‘out’. Aber Daten zu Keramik-Stahl Kompositplatten lassen sich manchmal durchaus recht gut übertragen. Und da gibts dann natürlich allerlei zu: Fawaz, „Numerical Simulation of normal and oblique Ballistic Impacts on Ceramic Composite Armour“, 2004. Finden sich aber auch allerlei andere.
Zu den Eigenschaften von Panzerstahl vielleicht noch die Masters-Arbeit von Maweja Kasonde, Uni Pretoria, 2006, „Optimising the Mechanical Properties and Microstructure of Armoured Steel Plate in the Quneched and Tempered Condition“.
http://upetd.up.ac.za/thesis/available/etd-03292007-164659/Und so weiter …
Ob ich jetzt mehr Klarheit oder mehr Pulverdampf verbreitet habe, das weiss ich nicht.
Ich hoffe allein die Laenge des (sehr vereinfachten!) Beitrages macht klar, dass man da mit 'sich ma einigen' oder 'mal glauben' nicht weit kommt. Und es ist hoffentlich klar geworden, dass jede Berechnung soviele Vereinfachnugen vornehmen muss, dass das Ergebnis nur einem Mittelwert darstellen kann. Dieser Mittelwert kann sehr gut sein und kann einem sehr realistische Vorstellungenn davon geben wie Schiff A gegen Schiff B abschneided aber im realen Gefecht kann die siebte Granate alles entscheiden.
Habt ein feines Wochenede!
Ufo
