Максимальная скорость танка — различия между версиями

Версия 21:35, 27 апреля 2017

Автор(ы): Чобиток Василий, апрель 2017 г.

Неоднократно приходилось и приходится сталкиваться, когда между мощностью двигателя танка и его максимальной скоростью проводится прямая непосредственная связь. Это на первый взгляд здравое суждение зиждется на том простом, известном каждому со школьной скамьи — каждому из тех, кто учился, а не согревал пятой точкой эту самую скамью — факту, что мощность равна произведению силы на скорость (M=F•v). Исходя из этого между скоростью и мощностью наличествует прямая связь и дабы повысить скорость следует увеличить мощность. Ну, или снизить силы сопротивления движению, чтобы потребная для их преодоления сила была меньше, а, следовательно, большая часть мощности пошла на придание движущемуся объекту большей скорости.

Просто и понятно: мощность больше — скорость выше.

К сожалению прямой перенос этих школьных знаний на суждения о максимальной скорости танков является ошибочным, о чем будет показано ниже. Ладно, когда об этом пишет «школота в интернетах», но часто авторы научно-популярных изданий о танках грешат той же болезнью — проводят прямую связь между увеличением мощности и максимальной скорости или увеличением массы танка (соответственно, потребной силы F) и уменьшением максимальной скорости.

Здесь, прежде всего, следует заметить, что для танков, имеющих различные массы, сравнение абсолютных значений мощности двигателей не имеет, конечно же, смысла, поэтому используется такая важная для оценки тяговых свойств характеристика, как мощность двигателя приходящаяся на тонну веса машины, именуемая «удельная мощность танка».

Приведем цитаты из отдельных публикаций.

За короткий срок коллектив конструкторов во главе с М. И. Кошкиным доработал танк Т-32: увеличил толщину брони, поставил более мощную пушку с начальной скоростью 636 м/с. Естественно, масса повысилась до 26,5 т, максимальная скорость снизилась с 65 до 51,2 км в час.
(Самые знаменитые изобретатели России / Составитель С. Истомин, М.: «Вече», 2002. С. 421-422)

Здесь, исходя из построения фразы, автор напрямую связывает снижение скорости с повышением массы (и то и другое по мнению автора естественное следствие увеличения толщины брони и установки более мощной пушки).

Масса танка [Т-54 в сравнении с Т-44] возросла до 35,5 т, а максимальная скорость снизилась до 43,5 км/ч.
(Барятинский М. Все танки СССР. Самая полная энциклопедия. М.: «Яуза», «Эксмо», 2013)

Здесь рост массы и снижение скорости перечисляются без явного указания прямой логической связи, не указано, что одно вытекает из другого. Однако, соединённое в одном предложении такую связь может подразумевать, средним читателем и будет воспринято как таковое.

Боевая масса танка [лёгкий M2A3] увеличилась до 9450 кг, а максимальная скорость при этом снизилась до 58 км/ч.
(Пашолок Ю. Двуглавая лёгкость. warspot.ru, ноябрь 2016)

Тут аналогичная логическая конструкция с добавлением прямой связи: масса увеличилась, скорость при этом снизилась. Снижение скорости здесь есть прямое следствие увеличения массы.

Потяжелевшая машина, а вес танка IP М1 со всеми внесенными доработками увеличился на 890 кг, сильно сбросила в скорости, с 72 км/час до 66 км/час...
(Спасибухов Ю. М1 «Абрамс» — основной боевой танк США. — М.: «Техника — молодёжи», 2000. — (Танкомастер, спец. вып.) — С. 26)

И здесь указывается на прямую связь увеличения массы с уменьшением максимальной скорости: «потяжелевшая машина сбросила в скорости».

Благодаря очень высокой удельной мощности и более совершенной ходовой части у проектируемой машины ожидалась огромная для тех лет максимальная скорость — 80 км/ч.
(Пашолок Ю. Запоздавший первенец Книпкампа. warspot.ru, октябрь 2016)

С одной стороны, вполне здраво ожидать от очень высокой удельной мощности высокой же максимальной скорости. Однако, ожидается вполне конкретное её значение 80 км/ч (не 70, не 90, именно 80), которое достигается благодаря высокой удельной мощности и более совершенной ходовой части. С другой стороны, правомочно ли ожидать высокую максимальную скорость только потому, что это позволяет высокая удельная мощность и совершенная ходовая часть?

Объяснение простое: на советских дорогах слишком мощный двигатель представлял угрозу собственному движению, поэтому приходилось ставить ограничители мощности. На автострадах ограничитель можно было просто снять...
(Суворов В. Ледокол: Кто начал Вторую мировую войну? — М., 1992)

Так небезызвестный В. Б. Резун под псевдонимом В. Суворов вещал о максимальной скорости танков БТ — оказывается её специально ограничивали установкой ограничителя мощности, снятие которого якобы приведет к существенному повышению максимальной скорости. Ведь у него, у Резуна, колонны танков только на максимальной скорости по шоссе и ездят, ничто более их не ограничивает… Эти басни Резуна мной уже опровергались, тем не менее, цитата приведена, дабы подчеркнуть характер тенденции налицо.

Приведённые цитаты наглядно демонстрируют, что выделение прямой связи между повышением удельной мощности (путем повышения мощности и/или снижения массы) и максимальной скорости, вполне соответствующее разделу «Механика» школьного курса физики, является утвердительным, т.е. носит обобщающий характер правила или закона.

Если бы это было так, то, следуя этому правилу или закону, при прочих равных условиях любое повышение мощности двигателя или снижение массы танка должно было бы приводить к повышению максимальной скорости. И наоборот. Однако же это не происходит, чему следует привести несколько наглядных примеров.

Да, увеличение массы Т-34 в сравнении с А-32 было существенным и сопровождалось снижением максимальной скорости. Однако, повышение массы Т-34-85 более чем на 4 т в сравнении с Т-34 никак не отразилось на максимальной скорости, как было 55 км/ч, так и осталось.

При модернизации американского M1 Abrams в самом деле повышение массы на 0,9 т сопровождалось уменьшением максимальной скорости c 72,4 для М1 до 66,8 км/ч для M1 IP. Если бы эта связь была прямой, то с увеличением массы для модификаций M1A1 на три тонны и M1A2 ещё на три тонны следовало бы ожидать последовательного уменьшения максимальной скорости, однако это не произошло и у данных существенно потяжелевших модификаций (M1A2 +6 т в сравнении с M1 IP) максимальная скорость так и осталась 66,8 км/ч — на уровне M1 IP.

Подобная история наблюдалась с советским Т-64. Все серийные модификации этой машины имели двигатель мощностью 700 л.с. Так в сравнении с Т-64 (объект 432) масса Т-64А (объект 434) выросла на две тонны (с 36 до 38 т), а максимальная скорость упала с 65 до 60,5 км/ч. Вроде бы вполне ложится в теорию прямой связи удельной мощности и максимальной скорости. Однако, как и для «Абрамса», последующие модификации Т-64 росли в массе, а максимальная скорость неизменно оставалась 60,5 км/ч. В итоге последняя серийная модификация Т-64БВ весила 42,4 т (+4,4 т в сравнении с Т-64А) при той же максимальной скорости.

Кроме того, принятые на вооружение, но так и не пошедшие в серию модификации Т-64АМ и Т-64БМ имели в 1,43 раз более мощный двигатель (1000-сильный 6ТД), не смотря на это их максимальная скорость ничуть не выросла, так и оставаясь 60,5 км/ч.

На этих частных примерах мы убедились, что проведение прямой связи между изменениями удельной мощности танка (массы и/или мощности двигателя) и его максимальной скорости является ошибочным, не может быть правилом, поскольку не носит всеобщего характера и воспроизводится только в отдельных, частных случаях.

Неоднократно приходилось сталкиваться, когда такое «несоответствие» начальному курсу физики, отдельные остряки опровергали поговорками наподобие «числа Пи в военное время», не обременяя себя аргументами по существу. Поэтому хочется привести некоторые расчеты. Сразу оговорюсь, расчеты весьма грубые и приближенные, но демонстрирующие суть, характер явления.

Максимальная скорость по тяговым характеристикам

Итак, допустим, что максимальная скорость определяется только тяговыми характеристиками машины.

Возьмем для примера танк Т-64А массой 38 т, с двигателем мощностью 515 кВт (700 л.с.) и определим его максимальную скорость по тяговым свойствам на ровном горизонтальном участке.

Известно, что мощность двигателя частично расходуется на потери в системах силовой установки, трансмиссии, гусеничном движителе (ГД), оставшаяся её часть через гусеничные ленты реализуется на грунте для создания тягового усилия, призванного преодолевать сопротивление движению танка, которое для разных грунтов отличается. Для танков массой десятки тонн на скоростях до 70 км/ч затраты на сопротивление встречного потока воздуха в сравнении с остальными несущественны, поэтому ими в нашем случае можно пренебречь.

Определим, какая часть мощности двигателя танка Т-64А подводится к ведущим колёсам на высшей передаче.

КПД силовых установок с эжекционной системой охлаждения составляет 0,88—0,9 ^[1]. КПД трансмиссии на высшей прямой передаче в БКП будет определяться КПД бортового редуктора (для редуктора, состоящего из одного планетарного ряда это примерно 0,98).

Подведённая к ведущим колёсам Т-64А мощность примерно составит:

N_в.к = 515 • 0,89 • 0,98 = 449 кВт

Подведённая к грунту мощность по двигателю определяется как разность между мощностью на ведущих колёсах и затратами мощности в ГД:

N_гр = N_в.к − N_г.д

Потери в гусеничном движителе зависят от конкретной конструкции движителя и носят нелинейный характер (квадратичная функция от скорости), они могут определяться с использованием примерных эмпирических формул или, что предпочтительнее, на основе экспериментально полученных данных. На представленном графике приведены экспериментально полученные зависимости затрат мощности в ГД от скорости движения для танков Т-72, Т-80 и Т-64А ^[2]. Первый и последний дополнены красными линиями до 20 м/с (72 км/ч). Строго говоря, дополнение сделано неверно поскольку отрезки прямых не соответствуют характеру кривизны графиков, но нашей целью не стоит точный расчет, а для грубой прикидки, для понимания сути вопроса, погрешность будет вполне приемлемой.

Рассмотрим диапазон скоростей от 60 км/ч (16,67 м/с) до 72 км/ч (20 м/с). Затраты мощности в гусеничном движителе Т-64А в начале этого диапазона 206 кВт, в конце — около 300 кВт.

Подведенная к грунту мощность составит:

N_гр (60 км/ч) = 449 − 206 = 243 кВт

N_гр (72 км/ч) = 449 − 300 = 149 кВт

На основании опытных данных установлено, что сила сопротивления грунта пропорциональна нормальной реакции N (а для горизонтальной поверхности нормальная реакция равна весу G танка). Для рассматриваемого нами случая сила сопротивления грунта будет:

R = f N = f G = f • g • 38 т = f • 372 кН

где f — экспериментально установленный коэффициент сопротивления грунта качению танка, который для асфальта равен 0–0,02, а для сухой грунтовой дороги — 0,03–0,04 ^[3].

Потребную мощность для равномерного движения с заданной скоростью на данном грунте можно определить так:

N_п = R v

Для выбранных скоростей на сухой грунтовой дороге получим:

N_п (60 км/ч) = 0,03 • 372 • 16,67 = 186 кВт < N_гр (60 км/ч)

N_п (72 км/ч) = 0,03 • 372 • 20 = 223 кВт > N_гр (72 км/ч)

Отсюда видно, что на сухой грунтовой дороге на скорости 60 км/ч Т-64А имеет запас мощности для увеличения скорости, а для движения на скорости 72 км/ч тяговых характеристик недостаточно. При этом, если рассмотреть движение по ровному асфальту (f = 0), то Т-64А вполне может двигаться со скоростью 72 км/ч и, имея в запасе 149 кВт мощности, даже большей.

Более точно определить максимальную скорость по тяговым свойствам на заданном грунте можно построив графики функций N_гр(v) и N_п(v), точка их пересечения даст искомое значение.

Используя тот же самый подход для Т-72Б с массой 44,5 т и мощностью двигателя 618 кВт (840 л.с.) можно определить, что максимальная скорость по тяговым свойствам на ровном асфальте составит примерно 67 км/ч (18,6 м/с), на этой скорости вся подведённая к ведущим колёсам мощность будет расходоваться на преодоление затрат в ГД. Кстати, именно потерями в ГД на высоких скоростях можно объяснить причину замены на танках Т-90 и поздних Т-72 гусениц с последовательным РМШ на гусеницы с параллельным РМШ и необрезиненной беговой дорожкой (см. кривая 3 на втором графике).

Итак. Определение максимальной скорости по тяговым свойствам, как показано в этом разделе, подразумевает прямую непосредственную связь максимальной скорости с удельной мощностью двигателя, что, казалось бы, может служить контраргументом высказанному в начале статьи тезису. Тем не менее, даже в этом разделе на конкретных примерах наглядно показано, что по тяговым свойствам некоторые танки могли бы двигаться быстрее, чем это указано в их ТТХ (для Т-64А по ТТХ 60,5 км/ч, для Т-72 — 60 км/ч). В чем же состоит несоответствие и почему изменение мощности двигателя часто не приводит (точнее говоря: чаще не приводит) к изменению максимальной скорости? Для этого подойдём к вопросу с другой стороны.

Максимальная скорость в зависимости от кинематических свойств трансмиссии и ГД

Танковые двигатели внутреннего сгорания, и не только танковые, имеют строго ограниченные рабочие частоты вращения коленчатого вала, выходить за которые по ряду причин не рекомендуется или недопустимо. Так, у двигателя В-84 танка Т-72Б минимальная устойчивая частота 800 об/мин, а максимальная 2000 об/мин. Изменяя частоту вращения двигателя педалью подачи топлива, водитель может добиться изменения скорости движения. Для Т-72Б, если учитывать все рабочие частоты, полный диапазон изменения скоростей составит 2000/800 = 2,5. Если танку необходимо обеспечить движение со скоростями от 3 до 60 км/ч (диапазон 20), то, естественно, изменением частоты двигателя этого не добиться, поскольку его скоростной диапазон в несколько раз ниже необходимого. Та же самая история и с изменением крутящего момента — в разных дорожных условиях для преодоления внешних сопротивлений движению к ведущим колесам потребно подводить разный крутящий момент в таких пределах, которые не обеспечивает приспособляемость двигателя внутреннего сгорания. Так, для дизеля В-84 коэффициент приспособляемости составляет примерно 1,2 (коэффициент приспособляемости — отношение максимального крутящего момента двигателя к крутящему моменту на частоте максимальной мощности, обычно совпадающей с максимальной частотой), что очевидно недостаточно для изменения крутящего момента во всём спектре дорожных условий только двигателем.

Именно поэтому в трансмиссиях самоходных транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания вообще и в танках в частности применяются коробки переключения передач, которые увеличивают скоростной и динамический диапазоны и позволяют в зависимости от дорожных условий двигаться с различными скоростями и тяговыми усилиями.

К примеру, диапазон трансмиссии (отношение передаточных чисел на низшей и высшей передачах) Т-72 составляет 8,173, а общий диапазон двигателя с трансмиссией 8,173 • 2,5 = 20,4 — как раз сколько необходимо для перекрытия диапазона скоростей от 3 до 60 км/ч.

Если известна максимальная частота коленчатого вала двигателя, а также кинематические характеристики трансмиссии на высшей передаче (передаточное число, характеризующее во сколько раз изменится скорость и крутящий момент двигателя) и радиус ведущего колеса или число зубьев ВК и шаг трака гусеницы, то вполне определенно можно вычислить в какую линейную скорость танка может быть преобразована частота двигателя.

Рассчитаем максимальную скорость Т-72 для высшей (VII-й) передачи и максимальной частоты двигателя 2000 об/мин.

Известно, что: передаточное число входного редуктора («гитары») 0,706; ПКП на VII передаче — 1; бортового редуктора — 5,454; число зубьев ВК z=14, а шаг трака l=137 мм.

Передаточное число трансмиссии на VII передаче:

U_VII = 0,706 • 1 • 5,454 = 3,8505

Максимальная скорость:

v_max = n • z_в.к • l / U_VII = 2000 / 60 • 14 • 0,137 / 3,8505 = 16,604 м/с = 59,77 км/ч (округлённо — 60)

Аналогичным образом для Т-64А получается максимальная скорость 60,5 км/ч.

Можно заметить, что оба значения максимальных скоростей соответствуют максимальным скоростям этих машин по ТТХ.

Как было показано в предыдущем разделе, по тяговым свойствам на определенных участках местности оба танка могут двигаться с бо́льшими скоростями. Тем не менее в данном случае максимальная скорость получена исключительно кинематическими свойствами трансмиссии. Если (в разумных пределах) возрастёт масса машины, то уменьшится удельная мощность, а максимальная скорость останется прежней, поскольку у машины был запас по мощности двигателя. Но это, конечно же, не означает, что не упадут динамические характеристики танка. Вполне естественно при уменьшении удельной мощности падает средняя скорость движения, а максимальная, хоть часто и остаётся в своём значении, тем не менее может быть реализована в меньшем диапазоне дорожных условий. К примеру, машина могла идти с максимальной скоростью по грунтовой дороге, после увеличения массы её максимальная скорость не изменилась, но достичь её можно уже только на асфальте.

На базе рассмотренного вернёмся к некоторым упомянутым в начале статьи примерам.

В самом ли деле скорость M1 IP уменьшилась из-за роста массы? У этой машины был изменён бортовой редуктор, передаточное число БР танка M1 равнялось 4,3, а для M1 IP это значение стало 4,67.

Проверим: 72 км/ч • 4,3 / 4,67 = 66 км/ч — что и требовалось доказать! Максимальная скорость изменилась ровно настолько, насколько изменилось передаточное число трансмиссии, а у последующих модификаций М1 при существенно большем росте массы и неизменных характеристиках трансмиссии максимальная скорость неизменна.

То же самое для Т-64 (объект 432) с максимальной скоростью 65 км/ч. Для танка Т-64А (объект 434) максимальная скорость уменьшилась до 60,5 км/ч, связано ли это с увеличением массы на две тонны? Обратимся к характеристикам машин. Для двигателя 5ТДФ танка Т-64 частота максимальной мощности 3000 об/мин, для Т-64А рабочие частоты двигателя были снижены, частота максимальной мощности стала 2800 об/мин.

И тут проверим: 65 км/ч • 2800/3000 = 60,67 км/ч. Как видно, и здесь вопрос сводится к кинематике.

В самом ли деле скорость американского лёгкого танка M2A3 в сравнении с M2A2 уменьшилась c 45 миль/ч (72,4 км/ч) до 37,5 миль/ч (60,4 км/ч) из-за увеличения массы? У Ханниката ^[4] указано: «The final drive gear ratio was changed from 2:1 to 2.41:1 reducing the maximum road speed to 37.5 miles/hour» (передаточное число бортового редуктора было изменено с 2 на 2,41, что снизило максимальную скорость до 37,5 миль/ч).

37,5 / 2 • 2,41 = 45,2 миль/ч — как видим, и тут изменение скорости практически настолько, насколько изменились кинематические характеристики трансмиссии.

Заключение

Как было показано, максимальная скорость танка зависит от его удельной мощности ровно настолько, насколько эта удельная мощность обеспечивает преодоление внутренних и внешних сопротивлений движению на высшей передаче. Поскольку для движения на максимальной скорости удельная мощность обычно обеспечивается с запасом, то её изменение как правило не приводит к изменению максимальной скорости, если не сопровождается изменением рабочих частот двигателя или кинематических свойств трансмиссии и движителя. Отсюда очевидно следует отсутствие прямой зависимости между удельной мощностью и максимальной скоростью (поскольку изменение первой не всегда или, точнее, чаще не ведёт к изменению второй).

Ещё на этапе проектирования танка принято определять, какую максимальную скорость можно получить по тяговым свойствам машины. Для максимальной скорости по кинематическим свойствам на высшей передаче выбирается как правило меньшее значение. Это связано с тем, что больший диапазон КПП подразумевает усложнение трансмиссии, которое не будет иметь смысла, если расчетная максимальная скорость будет недостижима по тяговым свойствам.

Из этого правила, конечно же, существуют исключения. Они могут быть связаны с существенным утяжелением конструкции при модернизации; использованием уже готовых, разработанных для других более скоростных машин агрегатов (коробок передач) и т.п.

Конечно, существуют и другие факторы, которые ограничивают скорость движения танка. Это условия видимости с рабочего места и время реакции механика-водителя, из-за которых скорость ограничивается по условиям безопасности движения; ограничения по заносу, из-за которых приходится снижать скорость в поворотах; ограничения, накладываемые подвеской при движении по неровностям местности; ограничения, накладываемые точностью ведения огня в бою — стабилизатор имеет определенную инерционность и не может достаточно эффективно компенсировать тряску на высоких скоростях движения; даже резиновые бандажи опорных катков ограничивают скорости движения из-за приводящего к их выходу из строя перегрева на высоких скоростях.

Закончить хочется указав на то, что максимальная скорость танка (если, конечно, она не смехотворно мала сама по себе) не имеет столь существенного значения, как обычно ей уделяется при рассмотрении ТТХ машин. Поскольку, как правило танки действуют в тяжелых условиях местности, где сильно не разгонишься, а так же в составе подразделений, для которых считаются нормой средние скорости движения 20...30 км/ч, то куда более существенными являются динамические (разгон и торможение) характеристики, минимизация потерь мощности в МТО и ГД и потерь скорости из-за различных ограничений, некоторые из которых перечислены выше.

Источники информации

1. ↑ Чобиток В. А. Теория движения танков и БМП. Учебник. — М.: Воен. изд-во, 1984. — 264 с.
2. ↑ Теория и конструкция танка. — Т. 6. Вопросы проектирования ходовой части военных гусеничных машин / Под ред. д.т.н., проф. П. П. Исакова. — М.: Машиностроение, 1985. — 244 с.
3. ↑ Сергеев Л. В. Теория танка. — М.: ВА БТВ, 1973. — 493 с.
4. ↑ Hunnicutt R. P. Stuart. A history of the American Light Tank. Vol. 1. — Presidio, 1992. — 508 p.