Inträngande forskning runt ett pansarhål

Patrik Lundberg forskar vid institutionen för ballistiska och elektromagnetiska vapen. Här tittar han fram i eldröret på Sveriges häftigaste kanon, lättgaskanonen på försöksstationen Grindsjön. Här skjuter Patrik synålsstora föremål i mycket höga hastigheter.

Med hjälp av lättgaskanonen studerar Patrik och hans forskarkolleger om ryktet talar sant - om det går att bygga ett närmast ogenomträngligt pansar.

Av Jan-Ivar Askelin

Det har av vissa kallats pansarskyddets heliga graal samtidigt som andra avfärdar det som en bluff. Men det kan ge pansar med extremt hög skyddsförmåga.

Forskarna kallar fenomenet den stela väggen och syftar på att keramen inte låter sig penetreras av en pilprojektil, utan förblir opåverkad under det att projektilen flyter ut på ytan, som en vattenstråle spolande på en stenvägg.

Dessa rön, som kan visa sig vara revolutionerande, studeras just nu på FOAs försöksstation Grindsjön söder om Stockholm. En av forskarna som arbetar med fenomenet är Patrik Lundberg vid institutionen för ballistik och elektromagnetiska vapen:

- Allt började för vår del för några år sedan när en amerikansk forskargrupp vid Army Research Laboratory, ARL visade på ett helt nytt beteende hos keramer om man inneslöt dessa i en ny typ av fördämning.

- De presenterade sin forskning vid en konferens och senare kunde vi i vår lättgaskanon själva konstatera att det forskarna hävdade var sant. Vi fick egna bildbevis på att keramen blev openetrerbar under en kritisk anslagshastighet (typiskt 1.5-2 km/s), begreppet stela väggen myntades. Vi var egentligen ute efter att undersöka andra saker när vi mer eller mindre av en slump ramlade på den stela väggen.

Den osårbara stridsvagnen?
Pansarskydd i stridsfordon har i alla tider omgetts med stor militär sekretess. Även av ekonomiska skäl har stridsvagnstillverkare hållit hårt på sina metoder att konstruera pansarskydd. Med färre tillverkare och färre och dyrare stridsvagnar skulle ju den för pilprojektiler helt osårbara stridsvagnen vara ett verkligt guldägg. Men är detta möjligt?

- Om stela väggens entusiaster har rätt kan vi faktiskt vara på väg ut det hållet. Den forskning som bl a bedrivs vid Grindsjön kanske kan ge svaret.

- Forskningen kring stela väggen ger oss viktig kunskap om hur keramiska material fungerar som pansarskydd. Även om det visar sig att man inte i alla situationer kan erhålla en stel vägg så tror jag att vår forskning på sikt ska kunna ge stridsvagnar ett skydd mot pilprojektiler som tom för projektilhastigheter över 2 km/s är flera gånger bättre än dagens bästa stål, säger Patrik.

- För att tränga igenom ett sådant skydd krävs orimligt långa pilprojektiler (flera meter). Man tvingas då istället öka hastigheten på projektilen. Även då är kerampansaret överlägset ett stålpansar, men skillnaden minskar, för att vid mycket höga projektilhastigheter (cirka 5 km/s) bli ”bara” drygt 30 procent bättre.

Keramer hemma i proppskåpet
Forskarna menar att även om man inte lyckas att fullt ut realisera den stela väggen så kanske ett keramskydd kan göras så effektivt att helt nya typer av stridsdelar måste tas fram. Keramer har tidigare ansetts som för dyra vilket har hämmat forskningen, men med ökande civil användning bedömer man att priserna kommer att sjunka avsevärt.

- Keramer är en materialgrupp och inget ämne säger laborator Renè Renström. Keramer finns i naturen, t ex i vissa typer av bergmaterial. De keramer vi talar om i pansarsammanhang är sk konstruktionskeramer som karakteriseras av sin höga hårdhet men också av sin sprödhet. Även sådana finns i vår vardag, t ex propparna i säkringsskåpet hemma.

- Den goda sidan hos keramerna är hårdheten. Den dåliga är att de är spröda. Det betyder att en keram kan tåla hög mekanisk spänning innan den ger efter, men när den gör det så sker det snabbt, våldsamt och defi- nitivt. Stål däremot är segt och deformerbart under penetrationsförloppet. Skillnaden mellan keramer och stål beror på atombindningarna. I stål är alla atomerna kompisar, säger Renè. De håller ihop och delar på samma elektronfält. Keramens atomer däremot håller bara ihop med vissa av sina närmaste grannar. Om kontakten med dessa bryts av t ex en spricka, så tar keramens spröda sida över. Den en gång så starka keramen riskerar då att snabbt förlora hela sin hållfasthet och spricka i bitar.

Läcka locket på keramen
Forskarna står nu inför utmaningen att skapa en miljö runt keramen som tillvaratar dess goda sida, hårdheten och därmed möjliggöra att den tål högre belastning/högre anslagshastighet.

Ett sätt att åstadkomma detta är att innesluta keramen i en stark metallåda. Då uppnås två syften:

• Keramen skyddas mot stöten som uppkommer just då projektilen träffar pansaret.
• Ett yttre tryckfält kan skapas som försvårar för sprickor att utbreda sig och håller ihop eventuella lösa bitar. Ett bonus är att projektilen själv hjälper till att öka det sammanhållande trycket på keramen som därmed blir motståndskraftigare.

Renè pekar på ytterligare en utvecklingsväg - att förändra själva keramen.

- Vi kanske måste ta fram keramer speciellt designade för detta fall där ett högt yttre tryck är närvarande under belastningsförloppet. Man kan tänka sig en keram med en sorts inbyggd armering av sprickläkande atomslag som tillsammans med det yttre trycket bättre motverkar keramens spröda sida.

- Om stela väggen går att genomföra praktiskt kommer naturligtvis de som strävar efter att tränga igenom skyddet att hitta nya lösningar. Även den problematiken arbetar vi med idag, säger Patrik.

FOA-forskarna studerar nu hur det ser ut vid övergången mellan stel vägg och penetration, hur keramen fångar upp och fördelar lasterna. Man försöker att med ord beskriva vad som krävs för att keramen ska hålla och omsätta detta till en modell.

Forskare som problemlösare
Detta arbete vid Grindsjön visar på olika sätt det speciella med försvarsforskning.

Inga andra än försvarsforskare har anledning att intressera sig för hur mycket hållfasthet man kan pressa ur en keram under de här förhållandena. När en modern pilprojektil träffar motsvarar detta en last på över tusen ton på träffytan som keramen ska klara utan att gå sönder. Ett sådant förlopp finns bara i militära sammanhang.

Till sin hjälp har forskarna utrustning som normalt bara används inom försvars- och rymd forskningen. En sk lättgaskanon som används vid Grindsjön är ingen hyllvara. Den är konstruerad för att studera extremt snabba förlopp i mycket höga hastigheter - upp till 8 km/s.

Arbetet kring stela väggen är också ett bra exempel på två av försvarsforskningens roller:

• larmklocka
• lösare av konkreta problem

Med hjälp av försvarsforskningen kan vi själva bedöma värdet av sådant som t ex stela väggen. Om utvecklingen innebär att skyddets förmåga ökar radikalt påverkar det ju våra egna möjligheter till skydd men också stridsvärdet av våra egna pilprojektiler. Även om krigsfaran inte är överhängande så ser Renè ett mer närliggande problem som behöver lösas, nämligen skyddet vid internationella insatser.

- En pansarbandvagn av den typ som vi använder i Bosnien har ju inte stridsvagnens skydd. Den är inte konstruerad för det. Med pansarbrytande ammunition kan man med ett ganska enkelt och litet vapen skjuta igenom en pansarbandvagn. Eftersom kerampansar är relativt lätt skulle man kunna förstärka vagnens skydd radikalt utan att nämnvärt öka vagnens vikt och därmed skulle vi göra detta stridsfordon till en mycket säkrare plats att vistas i.

Från FOA-tidningen nr 3-1998 - www.foi.se/framsyn