鉄砲玉が装甲を貫通する過程

質問

鉄砲玉が鉄の装甲を貫通するとします。

私が思うに鉄の板に穴が空く過程は、紙が裂けていく過程と似ています。紙の両端を持ち左右に引っ張ると、ある段階までは結構強いのですが、一度裂けはじめると、一瞬にして裂けきってしまいます。亀裂が生じた箇所に応力集中が生じるためです。

鉄砲玉が装甲を貫通していく場合も、装甲の表面に小さな亀裂が入るまで、鉄はとても強いのでしょうが、その後は応力集中によって比較的簡単に鉄砲玉の貫通を許してしまう。

ならば、装甲を単一の鉄ではなく、薄い鉄の板を何層にも重ねてみては如何でしょう。弾丸は苦労して最初の層に亀裂を生じても、その亀裂は次の層には伝わらないから、次の層では、またも苦労して亀裂を作り直さなくてはならない。

この繰り返しになるなら、単板よりも積層の装甲の方が防弾に優れていそうですが。。。

こういうことなら第二次世界大戦の当時でも、普通に実現されているはず。戦車や戦艦の分厚い装甲を一枚物の鉄板で作るより工作性もいいはずだし。

それが実際には行われなかったということは、上記の私の理論は間違いということですよね。

実際のところ、装甲を鉄砲玉が貫通する過程は如何なものなのでしょう。

回答No.6

kagakusuki

>船の装甲は１ｍ以上ありますし。

　装甲厚が1mもある船とは、何処の何という船の話か気になります。
　私が知る限りでは、艦船の中で史上最も装甲が厚かったのは、旧日本海軍の大和（II）級戦艦ですが、その最も装甲が厚い部位でも41cmしかありませんでした。
　現代戦で対装甲目標用に使用されるミサイルは、成形炸薬弾頭を備えていて、弾頭の直径の5～8倍の厚さの鋼鉄製装甲を貫通出来ると言われていますが、歩兵が携帯する対戦車ミサイルですら、直径が11cm～14cm程度のものが多いのですから、鋼鉄では厚さ55cmあっても役に立たない事になるため、現代では鋼鉄製装甲による防御は有効性を失っています。
　さりとて、複合装甲はあまりにも高価ですから、艦船の様な巨大なものには使えません。
　そのため、現代の水上戦においては、防御力にも重きを置く戦艦は兵器としては廃れていて、装甲は薄くとも軽快な巡洋艦や駆逐艦クラスが主流となっていますから、1m以上もの装甲を持つ船とは、主力艦ではない、極めて特殊な用途の船だと思われます。

　現代戦において装甲を貫徹する事を目的とした弾薬には、色々な種類がありますが、主流となっているのは、成形炸薬を弾頭とするHEAT弾と、高い質量密度と高い強度を兼ね備えた物質で出来た細長い弾芯で装甲を貫徹するAPDS弾（APFSDS弾を含む）です。
　成形炸薬弾は、炸薬の前面に円錐形の凹みがあり、その凹みの内側に鉄或いは銅で出来た金属板が張られていてます。
　又、成形炸薬弾頭の多くは、後端に複数種類の爆発速度が異なる爆薬によって構成された、爆薬レンズという構造を持ち、成形炸薬弾頭に使用される爆薬レンズの場合は、その部分で平面状の波面を持つ爆轟波を作り出します。
　この成形炸薬が炸裂すると、炸薬の後端から進行してきた平面状の爆轟波により、円錐形に張られていた金属が押し潰されて、弾頭の中心軸付近に集まり、その際の極端な高圧により、金属が連続して塑性変形を起こす事で、固体でありながら、まるで液体が流れるような動き（連続的な塑性変形）をするようになり、その一部が前方に向かって進む、収束された高速の流れ、即ちジェットとなります。
　この流動性を持つ固体金属のジェットの速度は、数千m/sというどんな弾丸も及ばない程の速度となりますから、金属ジェットが衝突した所には、極端に高い圧力が加わります。
　その高圧により、金属ジェットが当たった部分の装甲を構成している金属は、塑性変形によって、固体でありながら液体の様に流動し、土に水流を当てて穴を掘る時に水流の直ぐ外側から泥水となった土が流れ出す様に、ジェットが当たっている箇所の直ぐ外側から、流動性を持つ固体金属が流れ出る事で、装甲には穴が開きます。（装甲を焼き切っている訳ではありません）

【参考URL】
　成形炸薬弾 - Wikipedia
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%88%90%E5%BD%A2%E7%82%B8%E8%96%AC%E5%BC%BE

　APDS弾は、タングステン合金や劣化ウラン合金等の、高い質量密度と、高い剛性を兼ね備えた物質で出来た細長い弾芯に、装弾筒と呼ばれる筒状の部品を被せた構造をしています。
　砲の薬室内で装薬が燃焼すると、発生した燃焼ガスの圧力を受けて、装弾筒が砲口に向かって押し出されます。
　弾芯は装弾筒と結合しているため、装弾筒と共に砲口から発射されます。
　砲口から出ると、空気抵抗の力等により装弾筒は分解し、弾芯のみが目標に向かって飛翔します。
　APDS弾を撃ち出す時の装薬は高速で燃焼する特殊なものである上に、弾芯は通常の砲弾よりは軽量でありながら、装弾筒という広い面積を持つ部品で燃焼ガスの圧力を受けているため、弾芯の速度は普通の砲弾よりも遙かに高速となり、1400～1700m/sにもなります。
　又、弾芯は密度が高い物質で出来ているため、見かけの割には質量が大きいため、弾速が高速である事も合わさって、弾芯は非常に大きな運動量を持ちます。
　この弾芯が装甲に衝突すると、弾芯が持つ大きな運動量により、衝突した時の力は非常に大きなものとなりますが、弾芯は細いため、衝突した時の力は狭い面積に集中しますから、弾芯が衝突した部分の装甲に加わる圧力は、極めて高い圧力となります。
　そのため、弾芯が当たった部分の装甲を構成している金属は、塑性変形によって、固体でありながら液体の様に流動し、弾芯の前方にあった装甲の金属は、弾芯の表面の直ぐ外側を流れて、弾芯の命中した箇所の周囲から流れ出てしまいまうため、装甲には穴が開きます。

【参考URL】
　APDSFS - Wikipedia
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/APFSDS

　亀裂が生じた箇所における応力集中は、紙を裂こうとする力が、未だ割れていない部分に伝わり、狭い断面積に同じだけの力が加わるため、単位面積当たりに加わる力が強くなる事によって生じる現象です。
　これに対して、成形炸薬弾とAPDS弾の双方において、装甲を貫通する原理は、装甲を構成している物質によって決まる、ある限界の圧力を超える、超高圧を装甲に加える事で、装甲の構成物質を液体の様に流動化させて、砲弾の命中箇所から排除する、というものです。
　貫通力を生み出すのは、衝突部分に生じる圧力の高さであり、その圧力は、装甲に生じた亀裂の有無や、鉄の層が多層化されている事には、あまり影響されるとは思えませんから、単一の材質で出来ている装甲を多層化しても、防御力の向上には繋がらないのではないかと思います。

補足

＞私が知る限りでは、艦船の中で史上最も装甲が
＞厚かったのは、旧日本海軍の大和（II）級戦艦
＞ですが、その最も装甲が厚い部位でも41cmしか
＞ありませんでした。

当時の砲弾の炸薬はただ爆発するだけです。No.7の補足に書いた私の説明では、同一素材であっても積層構造の装甲が有効ということになります。一層目には、カッターナイフと紙のモデルで装甲を切り裂く、砲弾の運動エネルギーに対処させる。多分にそれはかなり厚い装甲となりますが、でも41cmはないはず。二層目以降は紙を手で裂くモデルで説明できる、爆発エネルギーに対処させる。薄い装甲を何枚も重ねることになります。

この積層構造で大和の装甲を設計したら、史実より強力な防弾効果が得られたのではないでしょうか。

成形炸薬弾は熱エネルギーで装甲の強度が落ちることに注目して、炸薬の爆発エネルギーを、物理的破壊よりも熱エネルギーに特化した砲弾ということですね。

APDS弾も同じく熱エネルギーで装甲を貫通しようという砲弾ですが、こちらは弾芯の単位着弾面積あたりの運動エネルギーを大きくすることで、それを可能にしているのですね。

着弾点の装甲を完全に液状化させてしまうことが可能な現在では、大和などとはまるで違うモデルを考えなければ、これらの貫通を説明できませんね。