Баллистический имитатор торса для определения ударостойкости бронежилета

Полезная модель относится к устройствам для испытания средств индивидуальной защиты человека, в частности к баллистическим испытательным стендам, предназначенным для оценки защитных свойств бронежилета (БЖ) при воздействии высокоскоростных поражающих элементов (ПЭ), вторичных низкоскоростных осколков (фрагментов) и воздушной ударной волны (ВУВ) взрыва боеприпаса.
В США по стандарту «Ballistic Resistance of Personal Body Armor, NIJ Standart – 0101.06», 2008 г., заброневая травма при непробитии бронежилета поражающим элементом боеприпаса определяется по глубине отпечатка на блоке пластилина марки Roma#1. Пластилин расположен внутри деревянного ящика с размерами 61×61×14 см. Определение заброневой травмы проводится без антитравматических вставок, которые перед испытаниями изымаются из структуры бронежилета. Полученный фрагмент бронежилета вдавливают в пластилин, исключая воздушные зазоры. После выстрела и установление того, что воздействие является кондиционным, глубину полученного отпечатка измеряют лучом лазера. Допустимая глубина отпечатка не должна превышать 44 мм.
Аналогичный способ и соответственно устройство (ящик, наполненный пластилином) описаны в стандарте Германии – «TECHNISCHE RICHTLINIE SCHUTZWESTEN», редакция 2008 г., и Великобритании «HOSDB Body Armour Standards For UK Police», редакция 2007г. Кроме того, данное устройство и способ оценки заброневой травмы регламентированы в документе [2].
Известен патент RU 191733U1 на полезную модель «Баллистический имитатор торса для определения защитных свойств бронежилета» [3], формула полезной модели которого, состоит из одного пункта и определяет: «Баллистический имитатор торса для определения защитных свойств бронежилета, выполненный в соответствии с антропометрическими параметрами торса человека, состоящий из корпуса и внутренней полости, разделенных эластичной перегородкой с двумя разнонаправленными обратными клапанами на грудную секцию и брюшную секцию, заполненные жидкостью, и содержащий измерительный блок из акселерометра и пьезоэлектрического датчика, расположенный по центру эластичной перегородки».
К недостаткам данной модели торса следует отнести:
а) сложность и дороговизну изготовления модели торса – антропометрического аналога торса человека (3D прототипирование);
б) дополнительное заполнение внутренней полости грудной секции имитатором левого и правого лёгкого, из тонкой эластичной пленки, заполненной гранулами из твердого материала (с добавлением пенообразователя) и воздухом, только декларируется в реферате и описательной части, но не учтена в формуле полезной модели.
Наиболее близкое к заявляемому устройству техническое решение раскрыто в патенте на изобретение RU 2397468 C2 [4] «Стенд для определения защитных свойств бронежилетов».
Стенд содержит горизонтально расположенную и заполненную жидкостью цилиндрическую емкость с размещенной с фронтальной стороны (резиновой) мембраной, установленный перед цилиндрической емкостью со стороны мембраны ударный механизм с линией удара, расположенной по оси цилиндрической емкости, и расположенный в цилиндрической емкости датчик давления сферической формы с центром на линии удара. А также стенд содержит расширительную емкость с источником давления, соединенную через вентиль с цилиндрической емкостью. Калибровку стенда выполняют ударами падающего груза маятникового копра с заданной энергией удара и регистрацией импульса давления в жидкости. Далее устанавливают на направляющие стенда бронежилет и производят по нему удар поражающим элементом боеприпаса, также с регистрацией импульса давления в жидкости, который и сравнивают с импульсом, полученным при калибровке стенда. Данное устройство принято за прототип.
Похожая конструкция раскрыта в патенте RU 82308 U1 [5] на полезную модель «Cтенд для определения защитных свойств бронежилетов».
Прототип обладает следующими недостатками:
– горизонтально расположенная, заполненная жидкостью цилиндрическая емкость, с размещенной с фронтальной стороны (резиновой) мембраной, неподвижна т.е. закреплена жёстко, что не отвечает реальности.
– не определена масса ёмкости;
– калибровка ударом маятникового копра (падающего груза) соответствует только случаю низкоскоростного удара вторичного осколка;
– низкая инвариантность результатов испытаний, несмотря на введённую расширительную емкость с источником давления;
– предложенный способ обработки импульсов давления при ударах по защищенной БЖ и незащищенной мембране стенда (например, по способу патент № RU 2254544, [6]) требует переработки.
В работе [7] экспериментально показано, что в случаях кондиционного воздействия на бронежилет поражающего элемента боеприпаса (выстрел из 7,62-мм винтовки СВД патроном с пулей ЛПС со скоростью удара 828 м/с), в нагруднике (бронепанели) последнего проходит ударная волна, далее в течение 1…2 мс образуется выступ, после чего происходит перемещение нагрудника (в целом, до 36 мс) и соответственно фрагмента бронежилета. Удар по объекту защиты (торсу), приводящий к формированию закрытой контузионной травмы (ЗКТ), возможен как при локальном ударе выступа со скоростью 40…50 м/с, так и при распределённом ударе нагрудника в целом со скоростью 1,25…2,25 м/с. Нанесение травмы за счет воздействия только ударной волны, формируемой в зоне контакта ПЭ с нагрудником, наиболее вероятно при отсутствии климатико-амортизационного подпора.
Воздействие на объект защиты ВУВ, образуемой при взрыве боеприпаса, достаточно подробно изложено в работах [8,9]. Опираясь на кривые И. Дж. Боуэна «пиковое избыточное давление инцидента взрыва – продолжительность фазы сжатия» выделяют такие пороги повреждения как баротравма, первичная травма лёгких и травма головы. При этом продолжительность фазы сжатия во фронте УВ для артиллерийских снарядов калибра 105…155-мм изменяется в пределах от 1 до 10 мс, а диапазоны внутриполостного давления в лёгких для лёгкой степени тяжести травмы составит 70…100 кПа, а крайне тяжёлой степени тяжести более 240 кПа.
Величина скорости перемещения грудной клетки при воздействии ВУВ, по мнению авторов [10], также хорошо коррелирует с уровнем (тяжестью) травмы и имеет устойчивый характер. Ими предсказан порог повреждение лёгких при скорости внутренней стенки груди 3...4,5 м/с, и 50% вероятность летального исхода при скорости 12…17 м/с.
Технической проблемой является необходимость разработки устройства, обеспечивающего повышение информативности выполняемых баллистических испытаний бронежилетов на ударостойкость за счёт измерения параметров процесса формирования повреждения (заброневой контузионной травмы), как при условии отсутствия пробития бронежилета поражающим элементом боеприпаса (кондиционном воздействии), удара падающего груза (вторичных осколков), так и при воздействии воздушной ударной волны взрыва.
Технический результат состоит в обеспечении возможности выполнения баллистических испытаний с учетом широкого спектра воздействий.
Технический результат достигается тем, что баллистический имитатор торса (БИТ) для определения ударостойкости бронежилета, включающий горизонтально расположенную и заполненную жидкостью цилиндрическую емкость с размещенной с фронтальной стороны мембраной и расположенный в емкости датчик давления с центром на линии удара, согласно полезной модели выполнен подвижным в направлении удара с помощью двух планок с роликами, опирающимися на станину, расположенными по бокам цилиндрической емкости вдоль её оси симметрии.
В наиболее предпочтительном варианте реализации полезной модели баллистический имитатор торса для определения ударостойкости бронежилета имеет фиксированные массу емкости и площадь мембраны, соответствующие антропометрическим массе торса и площади торса человека во фронтальной плоскости.
Дополнительно к БИТ испытательный стенд должен содержать измерительно-регистрирующий тракт (ИРТ), компьютер и программное обеспечение, например, «PowerGraph 3.3 Professional».
Сущность полезной модели поясняется эскизом, фотографиями видеофрагментов и регистрации показаний датчиков. На фигурах изображены:
Фиг.1 – баллистический имитатор торса: 1 – цилиндрическая емкость; 2 – мембрана (полиуретановая); 3 – первый датчик ускорения; 4 – жидкость; 5 – датчик давления; 6 – второй датчик ускорения; 7 – усилитель блока измерительно-регистрирующего тракта; 8 – штуцер с перепускным клапаном; 9 – планка с роликами для перемещения имитатора.
Фиг. 2 – фрагменты видеосъёмки выстрела из 7,62-мм винтовки СВД патроном с пулей ЛПС со скоростью удара 828 м/с по керамической бронепанели:
10 фрагментов в верхней части фигуры – нарастание и убывание запреградного выступа в бронепанели;
5 фрагментов в нижней части фигуры – перемещения бронепанели в направлении удара;
Фиг. 3 - фрагмент видеосъёмки удара по имитатору торса 40-мм стального шара со скоростью 24,7 м/с, энергия удара 80,13 Дж.
Фиг. 4 - регистрация ускорения и внутриполостного давления имитатора торса при ударе 40-мм стальным шаром с энергией 80,13 Дж (регистрация ускорения внутренней стенки мембраны не показана).
На Фиг. 1 показан баллистический имитатор торса, состоящий из горизонтально расположенной цилиндрической емкости 1, заполненной жидкостью 4, с размещенной с фронтальной стороны эластичной мембраной 2, перемещающуюся в направлении удара ПЭ или ВУВ с помощью двух планок с роликами 9, опирающимися на станину (не показана), расположенными по бокам емкости вдоль её оси симметрии,  двух датчиков ускорения и одного давления, расположенных на оси симметрии цилиндрической емкости, первый датчик ускорения 3 (акселерометр) на внутренней стороне мембраны, датчик давления 5 внутри по центру цилиндрической емкости, второй датчик ускорения 6 снаружи тыльной поверхности цилиндрической емкости. Датчики через усилитель 7 подключены к ИРТ. Дополнительно горизонтально расположенная цилиндрическая емкость 1, заполненная жидкостью 4, с размещенной с фронтальной стороны эластичной мембраной 2 имеет фиксированные массу емкости (сборки) и площадь мембраны, соответствующие антропометрическим массе торса и площади торса человека во фронтальной плоскости. Регулирование наполнения емкости жидкостью осуществляется штуцером с перепускным клапаном 8.
Для оценки ударостойкости бронежилета при условии его непробития поражающим элементом боеприпаса (кондиционном воздействии), ударах падающего груза (вторичных осколков) и воздействии воздушной ударной волны можно воспользоваться способом оценки травмобезопасности бронешлема при взрыве боеприпаса, изложенным в патенте RU 2644901 С1 [11]. Аналогичное кондиционное воздействие можно увидеть на фиг. 2 – фрагментах видеосъёмки выстрела из 7,62-мм винтовки СВД патроном с пулей ЛПС со скоростью удара 828 м/с по керамической бронепанели, что подтверждает выдвинутый тезис.
Заявляемую полезную модель осуществляют следующим образом.
После изготовления и сборки БИТ его тарируют нормированными по величине кинетической энергии ударами ПЭ, например стальным шаром, как это показано на фиг. 3. Опираясь на аналогичные воздействия на подопытных животных устанавливают соответствие того или иного воздействия заданной степени тяжести ЗКТ, используя зарегистрированные показания датчиков ускорения и датчика внутриполостного давления, реализуя способ оценки травмобезопасности [11] получают  нормированные кривые перегрузки и внутриполостного давления, которые и используют для сравнения.
Экипируют БИТ бронежилетом (или фрагментом бронежилета) заданного класса защиты [1], выбирают оружие и патрон, дистанцию выстрела и локализацию удара, выполняют кондиционные выстрелы [12]. На каждом выстреле регистрируют показания акселерометров и пьезоэлектрического датчика, например, как это показано на фиг. 4. Далее реализуют способ оценки травмобезопасности, изложенный в патенте RU 2644901 С1 [11] и рассчитывают кривые перегрузки и внутриполостного давления, которые и используют для сравнения с нормированными кривыми.
Кроме этого, можно выполнить сравнение кривых перегрузки и внутриполостного давления штатного бронежилета, травмобезопасность которого проверена в условиях боевой эксплуатации, с кривыми перегрузки и внутриполостного давления, полученными для перспективного бронежилета.
Тарирование БИТ нормированной по величине пикового избыточного давления и продолжительности фазы сжатия воздушной ударной волны реализуют в ударной трубе, позволяющей по своим габаритным размерам размещение торса на участке движение плоской УВ (волны Маха). Для установления связи параметров ВУВ с вероятностью летального исхода или выживания объекта защиты, а, следовательно, и нормированных кривых перегрузки и внутриполостного давления, можно использовать известные модифицированные кривые Боуэна [8,9].
Таким образом, полезная модель обеспечивает единство количественной оценки параметров процесса формирования заброневого повреждения объекта защиты при не пробитии бронежилета различными высокоскоростными поражающими элементами, ударах вторичных осколков и воздействии воздушной ударной волны взрыва боеприпаса.
Источники информации
1. ГОСТ 34286-2017. Бронеодежда. Классификация и общие технические требования. МГС, М.: Стандартинформ. 2018. – 11с.
2. Testing of Body Armor Materials: Phase III. The National Academies Press 500 Fifth Street, NW Keck 360 Washington, DC 20001. Режим доступа:  https://www.nap.edu/read/13390/chapter/1 (дата обращения 20.11.2019).
3. Патент на полезную модель RU 191733U1. Баллистический имитатор торса для определения защитных свойств бронежилета / Жуков И.Е., Котосов А.А., Миляев А.В. и др. – заявл. 19.02.2019; опубл. 19.08.2019, Бюл. № 23. – 8 с.
4. Патент RU 2397468. Стенд для определения защитных свойств бронежилета / П.В. Трофимов, В.И. Мельников, В.В. Дворников, Т. С. Романова, С. М. Логаткин, Е. П. Тырнов, – заявл. 25.09.2008; опубл. 27.03.2010, Бюл. №23 – 6 с.
5. Патент на полезную модель RU 82308 U1. Стенд для определения защитных свойств бронежилета / П.В. Трофимов, Т. С. Романова, С. М. Логаткин, Е. П. Тырнов, и др. – заявл. 25.09.2008; опубл. 20.04.2009.
6. Патент RU 2254544. Способ определения защитных свойств средств индивидуальной защиты. / П.В. Трофимов, В.А. Знахурко, Т.С. Романова, В.Г. Михеев, С.М. Логаткин, Е.П. Тырнов. – заявл. 25.03.2003; опубл. 20.06.2005, Бюл. №17. – 9 с.
7. Оценка параметров выступа при непробитии бронепанели поражающим элементом с помощью однокамерной высокоскоростной видео регистрации / И.Е. Жуков, А.А. Котосов, А.В. Миляев, С.Г. Цуриков и др.// Новейшие тенденции в области разработки бронезащитных и конструкционных композитных материалов. Труды XVI всероссийской научно-практической конференции РАРАН (с 23 по 27 сентября 2019 г.) Ялта, Республика Крым, 2019 г., С. 111-112.
8. Механизмы и критерии травмы дыхательной системы / А.В. Денисов, И.Е. Жуков, А.А. Котосов, А.В. Миляев // Вопросы оборонной техники сер.16. Научно-технический журнал. Технические средства противодействия терроризму – 2015. Вып. 11-12 (89-90) – С. 53-58.
9. Подход к оценке вероятности травмы ударной волной взрыва / И.Е. Жуков, А.А. Котосов, А.В. Миляев // Комплексная безопасность и физическая защита. Труды XIV Международной НПрК РАН и РАРАН (1-3 октября 2018 г.) том 2. Теоретические проблемы обеспечения безопасности. СПб.: СПбУ ГПС МЧС России. 2018 г., С.90-99.
10.  Hakan Axelsson, John T. Yelverton. Chest Wall Velocity Predictor of Nonauditory Blast Injury in a Complex Wave Environment. The Journal of Trauma: Injury, Infection, and Critical Care. 40(3S):31S-37S, MARCH 1996. https://journals.lww.com/jtrauma/Abstract/1996/03001/Chest_Wall_Velocity_as_a_Predictor_of_Nonauditory.6.aspx (дата обращения 21.11.2019)
11. Патент RU 2644901 С1. Способ определения травмобезопасности бронешлема при взрыве боеприпаса / И.Е. Жуков, А.А. Котосов, А.В. Миляев и др. – заявл.11.01.2017, опубл. 14.02.2018г.
12.  ГОСТ Р 55623-2013. Бронеодежда. Методы испытаний. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. М.: Стандартинформ. 2014. – 12 с.