МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БРОНЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПРЕДЛАГАЕМАЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Предлагаемая полезная модель относится к броне для защиты от прилетающих поражающих элементов (далее «баллистическая броня»), в частности, к такой броне, которая обеспечивает защиту от разрывов, приводящих к образованию осколков.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОЙ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
При разработке баллистической брони, например, для защиты транспортного средства следует учитывать тип или типы поражающих элементов, от которых должна защищать броня. Некоторые варианты брони вовсе не будут обеспечивать защиты против определенных типов поражающих элементов. Например, матрица из керамических пластинок или гранул может обеспечить защиту от поражающих элементов, обладающих кинетической энергией, например, от прямых попаданий бронебойных поражающих элементов заглубляющегося типа, но в то же время не обеспечивает защиты от множества, то есть, сотен осколков, прилетающих с высокой скоростью вследствие взрывов взрывных устройств кустарного производства вблизи бронированного транспортного средства. Обычно сильные удары осколков от взрывов взрывных устройств кустарного производства разрушают твердую хрупкую керамику, делая транспортное средство беззащитным от выстрелов снайперских винтовок или других подобных угроз.
При проведении баллистических испытаний не практикуются взрывы вблизи испытуемого бронированного объекта взрывного устройства кустарного производства. Поэтому используют поражающие элементы типа «осколочный имитатор» различных типов. Воздействие на баллистическую броню поражающего элемента типа «осколочный имитатор», имеющего определенную скорость, имитирует воздействие осколка от взрыва взрывного устройства кустарного производства известного класса. Поражающие элементы типа «осколочный имитатор» различных размеров и их скорости воздействия соответствуют разным взрывным устройствам кустарного производства, таким как минометная мина или артиллерийский снаряд определенного диаметра. При испытаниях испытуемого бронированного объекта с использованием поражающих элементов типа «осколочный имитатор» могут быть определены его защитные свойства по отношению к взрывным устройствам кустарного производства.
Важным фактором, который должен учитываться при разработке баллистической брони, является отношение массы к площади, защищаемой броней. Теоретически броня может быть выполнена с возможностью защиты от поражающих элементов почти любых типов или их сочетаний. С другой стороны, получающаяся в результате такой разработки масса брони, требующаяся для такой защиты, должна быть приемлемой с практической точки зрения, особенно когда это касается защиты таких транспортных средств, как грузовики, бронированные боевые машины пехоты или военные автомобили для перевозки личного состава.
Один из примеров многофункциональной брони раскрывается в заявке на патент США US 2011083549 A, которая направлена на баллистическую броню, выполненную с возможностью обеспечивать защиту от бронебойных поражающих элементов и выдерживать множественные воздействия поражающих элементов типа «осколочный имитатор» заданного типа, движущихся с начальной скоростью, которая не превышает некоторой первой скорости. Эта броня содержит главный броневой слой и вспомогательный броневой слой. Упомянутый главный броневой слой выполнен с возможностью поглощать большую часть энергии бронебойных поражающих элементов и выдерживать удары поражающих элементов типа «осколочный имитатор», движущихся со скоростью, не превышающей некоторой второй скорости, которая ниже, чем упоминавшаяся выше первая скорость. Вспомогательный броневой слой, располагающийся перед главным броневым слоем таким образом, что он обращен навстречу прилетающим поражающим элементам и выполнен из материала, который обеспечивает режим пластического разрушения при пробивании его поражающими элементами типа «осколочный имитатор» и при этом претерпевает локализованную деформацию вблизи каждого места пробивания, и который при его пробивании и деформировании обеспечивает такую потерю энергии поражающими элементами типа «осколочный имитатор», что их скорость уменьшается от начальной скорости до скорости, не превышающей упомянутой второй скорости.
Один из недостатков вышеописанной брони состоит в том, что даже при уменьшенной скорости поражающих элементов их осколки, образующиеся от воздействия поражающих элементов на главный броневой слой, все же имеют достаточную скорость для повреждения объекта, подлежащего защите от прилетающих поражающих элементов (далее баллистическая защита»).
Увеличение толщины любого из броневых слоев привело бы к увеличению массы, что связано с серьезными проблемами.
Поэтому одна из целей предлагаемой полезной модели состоит в создании усовершенствованной многофункциональной брони, обеспечивающей возможность уменьшать способность осколков поражающих элементов заглубляться в главный броневой слой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОЙ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Предметом предлагаемой полезной модели является легкая баллистическая броня, способная обеспечивать защиту как от бронебойных поражающих элементов, так и от имеющих высокую скорость осколков, образующихся от близкого взрыва взрывного устройства кустарного производства или снаряда с высокой энергией.
Согласно предлагаемой полезной модели обеспечивается создание баллистической брони, обеспечивающей защиту от бронебойных поражающих элементов и выдерживающей множественные воздействия поражающих элементов типа «осколочный имитатор» заданного типа, движущихся с начальной скоростью, которая не превышает некоторой первой скорости, а также создание способа такой защиты.
Броня содержит главный броневой слой и фронтальный вспомогательный броневой слой, обращенный к поражающим элементам, при этом упомянутый главный броневой слой способен поглощать большую часть энергии бронебойных поражающих элементов и выдерживать удары поражающих элементов типа «осколочный имитатор», когда их скорость скоростью не превышает некоторой второй скорости, которая ниже, чем упоминавшаяся выше первая скорость. Упомянутый вспомогательный броневой слой выполнен пробиваемым упомянутыми поражающими элементами типа «осколочный имитатор», так что деформация этого вспомогательного броневого слоя, вызываемая его пробиванием поражающими элементами типа «осколочный имитатор», локализуется в области каждого пробивания, и связанная с деформацией и пробиванием потеря энергии поражающими элементами типа «осколочный имитатор» обусловливает уменьшение скорости этих поражающих элементов типа «осколочный имитатор» от их начальной скорости до скорости, не превышающей упомянутой второй скорости, при этом упомянутый главный броневой слой содержит основной броневой слой, который выполнен из материала высокой плотности и имеет подходящую толщину, и добавочный броневой слой, который выполнен тоже из материала высокой плотности и отстоит от упомянутого основного слоя на определенное расстояние.
Согласно одному из примеров осуществления предлагаемой полезной модели пространство между добавочным броневым слоем и основным броневым слоем может быть заполнено воздухом, то есть, добавочный броневой слой просто отстоит от основного броневого слоя, будучи закрепленным с помощью средств крепления, которые фиксируют добавочный броневой слой на основном броневом слое. Согласно еще одному примеру осуществления предлагаемой полезной модели пространство между добавочным броневым слоем и основным броневым слоем может быть заполнено, по меньшей мере частично, материалом-заполнителем, способным обеспечивать для добавочного броневого слоя структурную защиту.
Упомянутый материал-заполнитель может иметь более низкую твердость и/или жесткость, чем твердость и/или жесткость добавочного броневого слоя (и даже чем твердость и/или жесткость основного броневого слоя). В частности, когда добавочный броневой слой выполнен из хрупкого материала, материал-заполнитель может обеспечить повышение способности брони выдерживать множественные попадания, играя для добавочного броневого слоя роль слоя-подушки.
Одно из преимуществ такого технического решения состоит в том, что осколки поражающих элементов, воздействующих на добавочный броневой слой, и обломки материала добавочного броневого слоя, разрушенного проникновением этих осколков, вынуждены двигаться в пространстве между добавочным и основным броневыми слоями прежде, чем они смогут воздействовать на основной броневой слой, теряя при этом часть своей энергии и распределяясь по площади, превышающей площадь добавочного броневого слоя, пораженного этими осколками.
Для обеспечения способности к деформации, характер которой описан выше, вспомогательный броневой слой выполнен из такого материала, который при пробивании обеспечивает режим пластического разрушения. Этот режим, как и связанный с ним механизм пробивания подробно описан в публикации "Dynamic Perforation of Viscoplastic Plates by Rigid Projectiles" ("Динамическое пробивание вязкопластических пластин жесткими поражающими элементами") (M.Ravid & S.R.Bodner, International Journal of Engineering Science, Vol.21, No.6, pp.577-591, 1983) и в публикации "Penetration into Thick Targets- Redefinement of a 2D Dynamic Plasticity Approach" ("Заглубление в толстые цели - Переосмысление подхода к двухмерной динамической пластичности") (M.Ravid & S.R.Bodner, International Journal of Engineering Science, Vol.15, No.4, pp.491-499, 1994).
2
2
2
2
Материал, из которого выполнен вспомогательный броневой слой, характеризуется также тем, что его твердость и толщина таковы, что обеспечивается достаточное поглощение энергии поражающих элементов типа «осколочный имитатор», обеспечивая, тем самым, уменьшение скорости поражающих элементов типа «осколочный имитатор» от их начальной скорости до некоторой скорости, не превышающей упоминавшейся выше второй скорости. Как показывают результаты экспериментов, эта цель достигается при использовании материалов, твердость которых по Бринелю находится в диапазоне от приблизительно 65 кГ/мм до приблизительно 165 кГ/мм. Кроме того, представляется желательным, чтобы этот материал обладал относительным удлинением более 8% и имел предел текучести в диапазоне от приблизительно 11 кГ/ммдо приблизительно 52 кГ/мм при испытаниях в стандартных квазистатических испытательных условиях.
В качестве примеров материалов, обладающих вышеописанными свойствами и поэтому подходящих для изготовления из них вспомогательного броневого слоя в составе брони, согласно предлагаемой модели, могут быть названы такие материалы, как алюминиевые сплавы Al 6061, Al 7075, Al 2024, Al 5083, Al 7017 или Al 7019, а также материалы с похожими свойствами.
Как показывают результаты экспериментов, применение вспомогательного броневого слоя, выполненного из алюминиевых сплавов, указанных выше, обеспечивает получение брони, способной задерживать поражающие элементы типа «осколочный имитатор» диаметром 20 мм, прилетающих со скоростью 1500 м/с. Это неожиданный эффект, так как до сих пор алюминий был известен как металл, обладающий сравнительно низкой способностью обеспечивать баллистическую защиту при использовании в качестве фронтального материала, по каковой причине его обычно использовали во внутренних или тыльных слоях брони. Еще один неожиданный эффект состоит в том, что для баллистической защиты могут быть с успехом использованы предлагаемые на рынке и общеизвестные сплавы, используемые в авиации, которые и предлагаются в настоящей заявке, хотя обычно для военных применений используются только специальные сплавы для брони. Алюминиевые сплавы военного и гражданского назначения не имеют между собой существенных различий по массе, но при этом алюминиевые сплавы гражданского назначения обычно обладают более низкой твердостью и дешевле, чем алюминиевые сплавы военного назначения.
2
3
3
4
4
Главный броневой слой может иметь основной броневой слой надлежащей толщины, выполненный из материала высокой плотности, например, такого как сталь высокой твердости, и дополнительный броневой слой, например, добавочный броневой слой. Этот добавочный броневой слой может, например, содержать некоторую совокупность пластинок или гранул с композитным подслоем или без такового. Упомянутые пластинки или гранулы могут быть выполнены из металла (такого как, например, стали ультравысокой твердости) или из тугоплавкого или керамического материала, такого как оксид алюминия (AlO), карбид кремния (SiC), нитрид кремния (SiN) или карбид бора (BC), или же пластинки или гранулы могут содержать такие материалы. Добавочный броневой слой обычно бывает фронтальным по отношению к базовому броневому слою. Главный броневой слой может быть также снабжен внутренней защитной облицовкой, которая покрывает основной слой с его тыльной стороны. Когда броня разрабатывается для баллистической защиты транспортного средства, в частности для баллистической защиты боковой стенки транспортного средства, основной броневой слой может образовывать эту боковую стенку для обеспечения защиты внутреннего пространства транспортного средства от осколков и для поглощения остаточной кинетической энергии бронебойных поражающих элементов или осколков. Упомянутая внутренняя защитная облицовка может быть выполнена из арамидных материалов, стекловолокна, полиэтилена высокой плотности или ламинированных гибридов таких материалов, или же внутренняя защитная облицовка может содержать такие материалы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРИЛАГАЕМЫХ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания предлагаемой полезной модели и иллюстрации ее практического осуществления далее будут описываться варианты ее осуществления, которыми, однако, не ограничивается ее объем, и которые рассматриваются только в качестве примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 схематично в сечении на виде сбоку показана баллистическая броня согласно одному из вариантов осуществления предлагаемой полезной модели.
На фиг.2 схематично в сечении на виде сбоку показана баллистическая броня согласно другому варианту осуществления предлагаемой полезной модели.
На фиг.3A схематично в сечении на виде сбоку показана баллистическая броня согласно еще одному варианту осуществления предлагаемой полезной модели.
На фиг.3B схематично в сечении на виде сбоку показана баллистическая броня согласно еще одному варианту осуществления предлагаемой полезной модели.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОЙ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
На фиг.1 схематично показана баллистическая броня 10 согласно одному из вариантов осуществления предлагаемой полезной модели, выполненная с возможностью защиты транспортного средства (не показано) как от поражающих элементов типа «осколочный имитатор», так и от бронебойных поражающих элементов, прилетающих по направлению, обозначенному стрелкой X.
Броня 10 содержит вспомогательный броневой слой 12 и главный броневой слой 14, который может быть (см. фиг.1), а может и не быть (см. фиг.2) отделен от вспомогательного броневого слоя 12 зазором 22.
Главный броневой слой 14 содержит основной броневой слой 16 и добавочный броневой слой 18, а также, факультативно, внутреннюю защитную облицовку 20.
Основной броневой слой 16 обычно выполнен из твердого металлического материала, такого как катаная однородная броня или сталь высокой твердости, и может иметь толщину от 4 мм до 20 мм. В рассматриваемом варианте осуществления предлагаемой полезной модели этот слой используется для боковой стенки транспортного средства, защищенного броней 10.
В альтернативном варианте осуществления предлагаемой полезной модели основной слой может содержать комбинированную броню с двумя слоями разной плотности. Такая комбинированная броня с двумя слоями разной плотности может содержать, например, слой из стали ультравысокой твердости, обращенный к прилетающим поражающим элементам, и слой из стали высокой твердости, расположенный за ним, при этом эти два броневых слоя соединены воедино, образуя основной слой. Слой, выполненный из стали ультравысокой твердости, может быть тоньше, чем слой из стали высокой твердости, например, его толщина может составлять приблизительно третью часть общей толщины комбинированной брони с двумя слоями разной плотности, а толщина слоя, выполненного из стали высокой твердости может составлять две трети от общей толщины комбинированной брони с двумя слоями разной плотности. При выполнении основного слоя из комбинированной брони с двумя слоями разной плотности броня 10 может обеспечивать существенно повышенную баллистическую защиту.
Добавочный броневой слой 18 содержит массив пластинок или гранул 30, состоящих, например, из оксида алюминия броневого качества или другого подходящего керамического материала, или же из стали ультравысокой твердости. Этот слой может быть сконструирован согласно любому из множества решений, которые хорошо известны в этой области техники, и для защиты от бронебойных поражающих элементов ему может быть придана подходящая толщина.
Упомянутая внутренняя защитная облицовка 20 может быть выполнена из композитного ламината, например, из арамида, стекловолокна из E-стекла или S-стекла, полиэтилена высокой плотности или из комбинации этих материалов. Этот слой прикреплен к внутренней стороне основного слоя 16, например, с помощью клея или с помощью болтового соединения, как окажется более подходящим.
Добавочный и основной броневые слои выполнены с возможностью поглощения и рассеяния кинетической энергии бронебойных поражающих элементов и поражающих элементов типа «осколочный имитатор» или осколков от взрывов взрывных устройств кустарного производства, которые будут пробивать вспомогательный слой 12 главным образом за счет его деформации и раздробления. Внутренняя защитная облицовка 20 выполнена с возможностью поглощать остаточную кинетическую энергию осколков, которые могут преодолеть основной слой и останавливать эти осколки.
Вспомогательный броневой слой 12 выполнен из относительно мягкого вязкого материала, например, из алюминия. Вспомогательный броневой слой 12 может быть выполнен из любого материала, который обеспечивает локальную деформацию благодаря режиму пластического разрушения, который описывается в публикации "Dynamic Perforation of Viscoplastic Plates by Rigid Projectiles" ("Динамическое пробивание вязкопластических пластин жесткими поражающими элементами") (M.Ravid & S.R.Bodner, International Journal of Engineering Science, Vol.21, No.6, pp.577-591, 1983) и в публикации "Penetration into Thick Targets - Redefinement of a 2D Dynamic Plasticity Approach" ("Заглубление в толстые цели - Переосмысление подхода к двухмерной динамической пластичности") (M.Ravid & S.R.Bodner, International Journal of Engineering Science, Vol.15, No.4, pp.491-499, 1994), содержание которых включается в настоящую заявку по ссылке. Как говорится в этих публикациях, когда материал такого типа, из которого изготовлен вспомогательный броневой слой, пробивается поражающим элементом, деформация этого материала в процессе такого пробивания содержит следующие стадии: стадию динамического пластического заглубления, стадию выпучивания и стадию развития выпучивания, в конце которой поражающий элемент пребывает в таком состоянии, при котором выходные губки на тыльной поверхности материала как правило не раскрываются. Это приводит к тому, что после пробивания множеством поражающих элементов типа «осколочный имитатор» материал вспомогательного броневого слоя оказывается локально деформированным во многих местах, чем обеспечивается способность брони выдерживать множественные воздействия поражающих элементов.
2
2
Кроме того, этот материал обладает относительным удлинением более 8% и имеет предел текучести не более 52 кГ/мм, а его твердость по Бринелю не превышает 165 кГ/мм.
При испытаниях поражающие элементы типа «осколочный имитатор», такие как поражающие элементы типа «осколочный имитатор» 24, диаметр которых обычно находится в диапазоне от 7,62 мм (3 дюйма) до 20 мм, и которые имеют высокую начальную скорость (например, их первая скорость может достигать 1500 м/с), заглубляются во вспомогательный броневой слой 12 во множестве отдельных мест, при этом существенная доля кинетической энергии этих поражающих элементов типа «осколочный имитатор» рассеивается, и их скорость уменьшается до некоторой второй скорости, которая находится в таком диапазоне, когда от таких замедленных поражающих элементов типа «осколочный имитатор» может обеспечить защиту основной броневой слой 14. Кроме того, вспомогательный броневой слой 12 может также изменять траекторию и устойчивость бронебойных поражающих элементов, так что они получают угол отклонения, что уменьшает их пробивающую способность. Этот эффект в большей степени проявляется в случае неперпендикулярных воздействий бронебойных поражающих элементов на броню 10. В общем, хотя бронебойные поражающие элементы, такие как бронебойные поражающие элементы 26, могут также потерять часть своей кинетической энергии при заглублении во вспомогательный броневой слой 12, но это не всегда должно быть так, поскольку основной броневой слой 14 может быть выполнен с возможностью обеспечивать защиту от бронебойных поражающих элементов без предварительного поглощения энергии, обеспечиваемого вспомогательным броневым слоем 12.
2
3
Различные виды баллистической брони согласно предлагаемой полезной модели подвергались баллистическим испытаниям, которые были успешно пройдены при защите как от поражающих элементов типа «осколочный имитатор», так и от мелкокалиберных бронебойных поражающих элементов, воздействующих на испытуемую броню с различными скоростями. Все виды испытуемой брони имели вспомогательный броневой слой, выполненный из одного и того же имеющегося на рынке алюминиевого сплава, но разной толщины, и основной броневой слой, выполненный из стали разной твердости и толщины. Некоторые виды испытуемой брони содержали добавочный броневой слой из гранул цилиндрической формы, выполненных из керамического материала и удерживаемых вместе с помощью термопластичного или термоотверждаемого связующего материала, при этом упомянутые гранулы были выполнены из оксида алюминия (AlO 98%) и имели диаметр 12,7 мм, а их передние концы имели куполообразную форму. Некоторые виды испытуемой брони содержали внутреннюю защитную облицовку, выполненную из арамида и стекловолокна. Параметры испытаний сведены в помещаемую ниже Таблицу 1.
Таблица 1.
Параметры испытаний многофункциональной брони
Вспомогательный броневой слой
Интервал
Главный броневой слой
Внутренняя защитная облицовка
Поражающий элемент
Скорость
Добавочный слой
Основной слой
15 мм Al 6061-T651 (42 кГ/м<sup>2</sup>)
От 0 до 100 мм
-
10 мм HHS
15 мм арамид и стекловолокно
20 мм поражающий элемент типа «осколочный имитатор»
1100 м/с
7,62×54 мм API B-32
830 м/с
16 мм Аl 6061-T651 (42 кГ/м<sup>2</sup>)
0
Керамический слой (32 кГ/м2) со стекловолоконной подложкой
10 мм HHS
-
20 мм поражающий элемент типа «осколочный имитатор»
1200 м/с
7,62×51 мм АР FFV
950 м/с
16 мм Al 6061-T651 (42 кГ/м<sup>2</sup>)
0
Керамический слой (32 кГ/м2)
10 мм HHS
10 мм арамид и стекловолокно
20 мм поражающий элемент типа «осколочный имитатор»
1280 м/с
7,62×51 мм АР FFV
960 м/с
6,35 мм (1/4 дюйма) Al 6061-T651 (42 кГ/м<sup>2</sup>)
От 0 до 10 мм
-
5,5 мм UHH
15 мм арамид и стекловолокно
12,7 мм (0,5 дюйма) поражающий элемент типа «осколочный имитатор»
1067 м/с
7,62×51 мм LPS
866 м/с
Сокращения:
HHS = High hardness steel (Armor type) - Сталь высокой твердости (броневого типа)
UHH = Ultra high hardness (Armor steel) - Ультравысокая твердость (броневая сталь)
API = American Petroleum Institute - Американский институт нефти; возможно, имеются в виду стандарты API
FFV = Flexible Fuel Vehicle - транспортное средство с гибким выбором топлива
На фиг.3A и фиг.3B проиллюстрированы два примера осуществления брони согласно предлагаемой полезной модели в двух разных конфигурациях.
Согласно конфигурации, проиллюстрированной на фиг.3A, добавочный броневой слой 18 отделен от основного броневого слоя 16 слоем-заполнителем 13.
Упомянутый слой-заполнитель 13, устанавливающий интервал между добавочным броневым слоем 18 и основным броневым слоем 16, выполнен из материала, имеющего более низкую твердость и/или жесткость, чем твердость и/или жесткость добавочного броневого слоя 18 (и даже чем твердость и/или жесткость основного броневого слоя 16). В частности, когда добавочный броневой слой 18 выполнен из хрупкого материала, слой-заполнитель 13 может обеспечить повышение стойкости брони к множественным воздействиям поражающих элементов, играя роль в качестве слоя-подушки для добавочного броневого слоя 18.
Одно из преимуществ такого технического решения состоит в том, что осколки поражающих элементов, воздействующих на добавочный броневой слой 18, и обломки материала добавочного броневого слоя 18, разрушенного проникновением этих осколков, вынуждены двигаться в пространстве между добавочным и основным броневыми слоями прежде, чем они смогут воздействовать на основной броневой слой, теряя при этом часть своей энергии и распределяясь по площади, превышающей площадь добавочного броневого слоя, пораженного этими осколками.
На фиг.3B изображен вариант осуществления предлагаемой полезной модели, согласно которому добавочный броневой слой 18 отделен от основного броневого слоя 16 расстоянием, образующим воздушный зазор 15, который обеспечивается с помощью распорок 17, то есть, добавочный броневой слой 18 просто отстоит от основного броневого слоя 16, будучи удерживаемым с помощью монтажных деталей, фиксирующих добавочный броневой слой 18 на основном броневом слое 16.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что без выхода за объем предлагаемой полезной модели возможны ее многочисленные варианты и модификации, mutatis mutandis.