ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ КОМПОЗИЦИОННАЯ БРОНЯ С ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ И ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫМИ МАТРИЦАМИ
INTELLIGENT COMPOSITE ARMOR WITH FIBER OPTIC AND ELECTRIC DISCHARGE MATRICES

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам защиты различных объектов, в том числе протяженных мобильных, таких как железнодорожные цистерны, вагоны, автомобильные контейнеры, летательные аппараты, от кинетических ударников - пуль, осколков, металлических микрометеоритов. Эта проблема актуальна в связи с ростом объемов перевозок опасных грузов, реальностью террористических угроз, обеспечением безопасности полетов летательных аппаратов.
Известны средства защиты объектов, принцип действия которых основан на отборе кинетической энергии, изготовленные из броневой стали, многослойных композиционных материалов [1, 2].
Известны средства электроразрядной защиты, принцип работы которой основан на превращении пули из твердого в газообразное, распыленное состояние. При этом сосредоточенный удар твердой пули преобразуется электроразрядной защитной конструкцией в рассредоточенный удар продуктов электромагнитного взрыва пули по основной броне [3].
Известны способы измерения физических параметров объектов, в том числе целостности, основанные на применении волоконно-оптических датчиков [4-6].
Прототипом предлагаемого средства защиты является композиционный бак для агрессивной жидкости повышенной живучести с волоконно-оптической матрицей [7].
Недостатками прототипа являются не достаточно высокая эффективность активной защиты, так как его конструкция не позволяет оценить параметры (например: направление воздействия, скорость ударника, примерные калибр и тип оружия), воздействующих на него кинетических ударников, а также сложность технической защиты от кинетических ударников, имеющих скорости более 1500…2000 м/с.
При этом в технике зачастую возникает потребность достоверно оценить параметры кинетических ударников для сбора информации и организации эффективного противодействия [7], в том числе с целью недопущения проникновения высокоскоростных кинетических ударников внутрь защищаемого объекта.
Задача повышения эффективности защиты объекта от кинетических ударников может быть решена следующим образом.
Композиционный бронированный бак для защиты объекта 1 от кинетического ударника, схематично показанный на фиг.1 и 2, содержащий волоконные матрицы 2 из оптически прозрачных волокон, собранных в пучки на противоположных днищах бака и оптически соединенных на противоположных днищах бака с генератором световых импульсов 3 и приемником световых импульсов 4, блок управления 5, источник питания 6, связанные с генератором световых импульсов 3 и приемником световых импульсов 4, причем в каждой волоконной матрице 2 один ряд 7 оптически прозрачных волокон расположен эквидистантно по одновитковым линиям. Бак содержит внешний 8 и внутренний 9 броневые слои из арамидного волокна, две волоконные матрицы 2 из оптически прозрачных волокон, размещенные между броневыми слоями 8,9 и разделенные прослойкой 10 из пенопласта, устройство наведения 11 и техническое средство воздействия 12, связанные с блоком управления 5, выполненным с возможностью определения баллистических координат места вылета кинетического ударника при сквозном пробитии стенки бака и подачей команды на задействование технического средства воздействия 12, блок высоковольтных конденсаторов 13, соединенный с электрически соединенными посредством коммутирующих линий 14 блоком управления 5 и источником питания 6, разделенные прослойками 10 из пенопласта три слоя 15, 16, 17 электроразрядной матрицы, выполненной в виде армирующей токопроводящей сетки из проволоки на основе титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы с размером ячеек, в три раза меньшим минимального размера кинетического ударника, причем расстояние между сетками равно расчетной длине кинетического ударника, первый 15 и второй 16 слои выполнены в виде ряда полосок 18 по длине защищаемого объекта 1, расположенных с интервалом I между полосками 18 и выполненных шириной B=I+4L, где L - расчетная длина кинетического ударника, второй слой 16 расположен с равномерным перекрытием интервала между полосками первого слоя 15, третий слой 17 выполнен сплошным и профилированным относительно первого 15 и второго 16 слоев, каждая полоска 18 первого 15 и второго 16 слоя электрически соединена посредством коммутирующих линий 14 с положительным контактом соответствующего высоковольтного конденсатора 13, третий слой 17 электрически соединен посредством коммутирующих линий 14 с отрицательным контактом соответствующего блока высоковольтных конденсаторов 13, при этом блок высоковольтных конденсаторов 13 выполнен с возможностью разряда энергии при пробитии кинетическим ударником первого 15 или второго 16 слоя и его приближении к третьему слою 17 на расстояние высоковольтного пробоя.
Композиционный бронированный бак для защиты объекта от кинетического ударника работает следующим образом: при сквозном пробитии высокоскоростным кинетическим ударником стенки объекта 1 нарушается целостность нескольких оптических волокон матрицы 2. Световые импульсы от генератора световых импульсов 3 к приемнику световых импульсов 4 продолжают поступать за исключением импульсов, проходивших по поврежденным волокнам. Блок управления 5 получает значения поврежденных рядов волокон в каждом слое оптической матрицы 2. Значение расстояния между слоями волоконных матриц 2 заложено в памяти компьютера блока управления 5. Время между повреждением первого и второго слоев матрицы 2 фиксируется компьютером блока управления 5 по разнице времен пробития каждого слоя. По известной зависимости определяется скорость кинетического ударника (пули). По количеству поврежденных рядов и волокон в каждом слое оптической матрицы 2 определяется примерные калибр, вид оружия (тип кинетического ударника). По определенной совокупности поврежденных рядов волокон и скорости кинетического ударника определяются баллистические координаты места вылета ударника (точки ведения стрельбы), необходимые для задания исходных данных разворота устройства наведения 11, связанного с техническим средством воздействия 12. По окончании угловых разворотов устройства наведения 11 блок управления 5 автоматически или по команде оператора выдает команду на задействование технического средства воздействия 12. Внешний 8 и внутренний 9 броневые слои из арамидного волокна служат дополнительной пассивной защитой.
В случае пробития внешнего 8 и внутреннего 9 броневых слоев из арамидного волокна высокоскоростным ударником включается электроразрядная матрица. Работа электроразрядной матрицы происходит следующим образом. При отсутствии команд от блока управления 5 электроразрядная матрица имеет заряженный до расчетного уровня блок высоковольтных конденсаторов 13. В случае если кинетический ударник пробивает первый 15 или второй 16 слои армирующих токопроводящих сеток и приближается к внутреннему третьему 17 слою (токопроводящей сетки) на расстояние высоковольтного пробоя (характерного для расчетного напряжения, влажности среды и других влияющих факторов), то наступает разряд энергии блока высоковольтных конденсаторов 13 на металлический (токопроводящий) ударник. При этом энергия разряда должна быть соизмерима с энергией, необходимой для перевода массы ударника в жидкое расплавленное и газообразное состояние (продукты электромагнитного взрыва). Процесс выхода продуктов электромагнитного взрыва кинетического ударника за пределы токопроводящих сеток 15, 16, 17 происходит с соответствующим газодинамическим сопротивлением, сквозь сетки и податливую прослойку пенопласта, с пластическими деформациями и разрушениями токопроводящих сеток, выполненных на основе титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы. После воздействия форма сеток восстанавливается за счет нагрева пластически деформированного участка продуктами электромагнитного взрыва. Для эквиатомного титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы, например, эта температура для наиболее стабильных результатов составляет от 45°С до 60°С [8]. Таким образом, восстановление формы сетки обеспечивается силой термоупругости сплава. После восстановления формы сетки охлаждаются произвольно, за счет теплопроводности слоев.
В режиме управления электромагнитной защитой, при попадании в защищаемый объект 1 высокоскоростного кинетического ударника, факты и уровни ударов фиксируются блоком управления 5, который осуществляет необходимое электрическое соединение посредством коммутирующих линий 14 соответствующих высоковольтных конденсаторов 13 с сетками 15, 16, 17 и дозарядку блока высоковольтных конденсаторов 13.
Композиционный бронированный бак для защиты объекта от кинетического ударника после восстановления формы сеток и дозарядки блока высоковольтных конденсаторов вновь готов к работе.
При работе предлагаемого композиционного бронированного бака для защиты объекта от кинетического ударника блок управления 5 может получать команды от внешних систем, что может способствовать повышению эффективности работы.
Положительный эффект предлагаемого изобретения состоит в повышении эффективности защитной конструкции за счет возможности оперативной оценки параметров воздействующих кинетических ударников, а также за счет возможности технической защиты (разрушения металлических ударников), имеющих скорости более 2000 м/с.
Положительный эффект обуславливается применением волоконно-оптических и электроразрядных матриц, связанных конструктивно в единое целое с блоком управления (компьютером), источником питания, а также применением в качестве армирующих токопроводящих сеток материала с эффектом памяти формы.
Данный композиционный бронированный бак отличается от прототипа усовершенствованной конструкцией, обеспечивающей защиту от кинетических ударников.
Таким образом, предлагаемый бак позволяет повысить эффективность охраны объектов [9], исключить возможность повреждения защищаемых объектов кинетическими ударниками и последующего опасного воздействия транспортируемых грузов [2] на окружающую среду.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Справочник по композиционным материалам: в 2-х кн. / Под ред. Дж.Любина; Пер. с англ. А.Б.Геллера, М.М.Гельмонта; Под ред. Б.Э.Геллера. - М.: Машиностроение, 1988.
2. "Цистерны", Устройство, эксплуатация, ремонт. Справочное пособие, М.: Транспорт, 1990.
3. Патент РФ №2272237, F41H 5/007, от 15.07.2004 г.
4. Волоконная оптика в авиационной и ракетной технике. Под ред. Рождественского Ю.В., Вейберга В.Б., Сатарова Д.Н. - М.: Приборостроение, 1977.
5. Волоконно-оптические системы передачи и кабели. Справочник. Под ред. Гроднева И.И., Мурадяна А.Г., Шарафуддинова P.M. и др. - М.: Радио и связь, 1993.
6. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. Пер с япон. - Л.: Энергоатомиздат, 1990.
7. Патент РФ №2305653, B65D 88/02, G01M 3/38.
8. Эффект памяти формы в сплавах: Пер. с англ. Л.М.Бернштейна / Под ред. В.А.Займовского - М.: Металлургия, 1979 - 472 с.
9. Иванов И.В. Охрана периметров. - М.: Радио и связь, 1997.