БРОНЕБОЙНАЯ ПУЛЯ
ARMOUR-PIERCING BULLET

Изобретение относится к боеприпасам, в частности к пулям автоматным и винтовочным, имеющим сердечник из твердого сплава с высоким пробивным действием.
Известно решение, в котором бронебойная пуля содержит оболочку с размещенными в ней стальным и свинцовым сердечниками, причем головная часть стального сердечника выполнена из высокопрочной стали с HRC 60 в виде конуса с углом при вершине 50-90° и длиной 0,2-0,8 калибра пули (Патент RU №2133441).
Недостатком решения является низкое пробивное действие.
Известно решение, в котором пуля для патрона стрелкового оружия содержит оболочку с размещенными в ней свинцовой рубашкой и сердечником, причем вершина головной части сердечника имеет заострение высотой, не превышающей 0,7 калибра пули, с диаметром основания не более 0,68 калибра пули (Патент RU №2072507).
Недостатком решения является низкое пробивное действие.
Известно решение, в котором бронебойная пуля содержит оболочку, твердосплавный сердечник и свинцовую рубашку в виде стакана, причем длина пули ровна (4.2-4,6)d, расстояние от вершины головной части пули до вершины головной части твердосплавного сердечника равно (0,6-1,0)d, а толщина дна свинцовой рубашки равна (0,3-0,5)d, где d - калибр пули, при этом оболочка выполнена открытой с торца хвостовой части пули и имеет форму усеченного конуса (Патент RU №2135940).
Недостатком известного решения также является недостаточная пробивная способность сердечника металлической брони свыше 5.0 мм.
Известно решение, направленное на повышение пробивной способности сердечника за счет оптимизации геометрических размеров сердечника и свойств материала, из которого он делается. Сердечник пули выполнен из твердосплавного материала и состоит из хвостовой части и головной части, имеющей оживальную форму с вершиной. Твердосплавный материал имеет предел прочности на сжатие более 4000 МПа, угол при вершине головной части составляет от 90 до 120°, а вершина головной части округлена радиусом (0,2-0,6) мм (Патент RU №2254551).
Недостатком данного технического решения также является недостаточная пробивная способность сердечника металлической брони свыше 5.0 мм.
Несмотря на то, что в данном решении прочность материала на сжатие не менее 4000 МПа, основным видом разрушения сердечника является скол хвостовика и головной части. В случае, когда сердечник не пробивает бронеплиту, он в ней застревает и у него разрушается хвостовик, который в контакт с материалом бронеплиты не входил. Недостаток обусловлен большим углом конуса при вершине головной части.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой бронебойной пуле является бронебойная пуля, которая содержит оболочку, твердосплавный сердечник и свинцовую рубашку. Головная часть твердосплавного сердечника выполнена заостренной. Диаметр головной части сердечника на расстоянии (1,0-2,0)d от ее основания равен (0,3-0,5)d, а диаметр хвостовой части сердечника равен (0,7-0,8)d, где d - калибр пули (Патент RU №2150077).
Недостатком данного технического решения также является недостаточная пробивная способность сердечника металлической брони свыше 5.0 мм.
Недостатки этой пули, как и пуль, выбранных в качестве аналогов, обусловлены не оптимальным соотношением массы сердечника, геометрических параметров сердечника в зависимости от калибра пули и физико-механическими свойствами материала сердечника.
При ударе такой пули о твердую преграду разрушается оболочка и пробивное действие их обеспечивается сердечником. Известно, что до 20% кинетической энергии пули в зависимости от материала оболочки и расположения сердечника в оболочке (наличие зазора между острием головной части сердечника и оболочкой RU №2135940) тратится на разрушение оболочки. Выполнение сердечника остроконечным резко повышает кпд сердечника при пробитии. Очевидно, что чем "острее" головная часть сердечника, тем необходимо меньше энергии для пробития оболочки. Таким образом, кинетическая энергия, которой обладает пуля, тратится на смятие головной части пульной оболочки (если между вершинкой сердечника и оболочкой имеется пространство и чем оно больше, тем больше расходуется энергии), разрушение пульной оболочки, пробитие преграды, запреградное действие.
Величина кинетической энергии пули складывается из энергии сердечника и энергии оболочки и свинцовой рубашки. Общая кинетическая энергия определяется скоростью вылета пули из ствола, как правило, она задана для каждого вида оружия и общей массой пули. Кинетическая энергия сердечника имеет существенное значение для поражающего действия. Масса сердечника должна быть оптимальной и иметь максимальную пробивную способность. При поражении объектов, укрытых за броней, необходимо чтобы сердечник пули не только пробивал броню, он должен иметь еще энергию, необходимую для поражения объекта за преградой, и при этом быть не разрушенным на мелкие частицы.
В основу изобретения поставлена задача повышения пробивной способности бронебойной пули.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении пробивной способности пули, отсутствии хрупкого разрушения хвостовой части сердечника за счет повышения давления и температуры в зоне контакта сердечника и преграды и реализации разрушения преграды по механизму высокотемпературного пластического деформирования, и сохранении сердечником достаточной энергии для убойного действия.
1С
1/2
Указанный технический результат достигается заявляемой бронебойной пулей, содержащей оболочку, твердосплавный сердечник, имеющий головную и хвостовую части, и свинцовую рубашку, головная часть твердосплавного сердечника выполнена заостренной, при этом длина сердечника равна (2,21-3,48)d, при этом твердый сплава сердечника содержит карбид вольфрама по массе 85-96%, имеет твердость HRA не ниже 85.0 единиц, предел прочности на изгиб не менее 2000 МПа, головная часть сердечника выполнена конусообразной формы, длина которой равна (0,58-3,70)d, хвостовая часть имеет форму цилиндра, или усеченного конуса, или соединенных между собой цилиндра и усеченного конуса, причем меньший диаметр усеченного конуса равен (0,71-0,86)d, больший диаметр усеченного конуса хвостовика равен диаметру цилиндра и диаметру головной части сердечника и равен (0,72-0,86)d, а длина цилиндра хвостовика равна (0,01-3,58)d, где d - диаметр калибра пули, поверхность сердечника полностью или частично имеет шероховатость не выше Ra 1,6, а масса сердечника равна 34-62% массы пули. Кроме этого, твердый сплав имеет предел прочности на сжатие не менее 4000 МПа, коэффициент интенсивности напряжений K не ниже 8 МПа м, конусообразная форма головной части сердечника образована прямой линией и/или дугой окружности, являющейся дугой сопряжения между линией, образующей конус, и линией, образующей цилиндрическую часть хвостовика, с радиусом, равным (0,31-10,28)d, при этом длина части конуса, образованная дугой окружности, равна (0,01-3,70)d, имеет радиус закругления остроконечной части не более 0,3 мм, хвостовая часть сердечника и/или головная часть имеет покрытие, выполненное одним из физических или химических методов осаждения металлов.
В предлагаемой конструкции пули снижение непроизводительных затрат энергии достигается за счет оптимизации формы вершины головной части сердечника, оптимизации хвостовой части сердечника, массы и материала сердечника.
Проведенная оптимизация массы сердечника, геометрических параметров сердечника в зависимости от калибра пули и физико-механических свойств материала сердечника, с учетом проведенных исследований механизма разрушения сердечника, анализом существующих теорий разрушения преграды при внедрении в них объектов с высокой скоростью позволили создать бронебойную пулю, значительно превышающую аналоги и прототип по степени пробития бронебойной плиты и бронежилета.
Известно (Физика разрушения при высокоскоростном ударе. С.И.Анисимов и др. Письма в ЖТФ, том 39, вып.1, стр.6-12 и Разрушение материалов при воздействии интенсивных ударных нагрузок. С.А.Новиков. Соросовский образовательный журнал, №8, 1999 г., стр.116-121), что при высокоскоростном ударе в момент контакта в ударнике и преграде возникают сильные ударные волны. Ударные волны имеют зоны разряжения, следующие за зонами сжатия. В момент соприкосновения сердечника пули с преградой в сердечнике возникают затухающие ударные волны, которые при наложении их друг на друга, в определенный момент времени, могут привести к механическому дроблению сердечника. Такой эффект может усиливаться при наличии концентраторов на поверхности сердечника пули, например ступенек, или острых углов, т.к. в этих зонах происходит взаимодействие зон напряжений. Это может объяснить характер разрушения сердечника, когда у него разрушается хвостовик. Необходимо отметить, что хвостовик в момент соударения не подвергался какому-либо воздействию со стороны бронеплиты, т.к. не находится с ней в соприкосновении. Ударные волны в нем присутствуют.
Подробный анализ физического механизма и основных закономерностей кинетики разрушения металлических поверхностей при ударном нагружении, что соответствует соударению сердечника и брони, позволили прийти в выводу о необходимости выполнения головной заостренной части сердечника на длине = (0,58-3,70)d. Конусная часть сердечника не должна иметь углов при переходе от конуса к цилиндрической части сердечника, поэтому конус образован прямой линией и/или дугой окружности, являющейся дугой сопряжения между линией, образующей конус, и линией, образующей цилиндрическую часть хвостовика, с радиусом, равным (0,31-10,28)d. Заострение головной части сердечника позволяет создать в месте контакта адиабатическое сжатие. Тепловая энергия такого процесса идет на повышение температуры места контакта. В результате скачкообразного повышения температуры реализуются процессы пластического разрушения с локальным перегревом отдельных зон контакта.
Важную роль в пробивной способности сердечника, имеющего острый угол при вершине конуса с закруглением острия радиусом не более 0,3 мм, при высокоскоростном соударении, играет начальный период, который определяется энергией пули. По ряду причин необходимо стремится, что бы масса пули находилась в определенных пределах. Проведенный анализ и пробные стрельбы показали, что если масса сердечника находится в пределах (36-53)% массы пули, а материал сердечника имеет физико-механические, не позволяющие ему разрушаться при внедрении в броню, например сплавы группы ВК с содержанием карбида вольфрама по массе 90-94%, то реализуется высокотемпературный пластический механизм расширения отверстия в преграде, с сохранение в целостности самого сердечника.
Данный период характеризуется высокой контактной нагрузкой и локализацией температур и деформаций в малом объеме. Температура в зоне контакта зависит как от гидростатического давления, так и от сдвиговых напряжений. Экспериментально установлено, что в месте контакта появляются области сильно локализованной пластической деформации, называемые плоскостями адиабатического сдвига (ПАС), в окрестностях которых концентрируется тепло. Быстрое деформирование металла приводит к локализованному нагреву контакта и катастрофическому разрушению. Увеличивая угол конуса и радиуса закругления, мы увеличиваем зону локализации и снижаем тем самым температуру в ней за счет увеличения скорости отвода тепла, что в итоге не приводит к образованию ПАС. (Зельдович Я.Б. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966, 686 с.)
При дальнейшем внедрении сердечника в преграду реализуется известный механизм пластического расширения отверстия в преграде. Уменьшение угла конуса и здесь благоприятно сказывается на повышении пробивной способности сердечника. В этом случае реализуются боле высокотемпературные механизмы пластической деформации преграды. Поскольку конус с меньшим углом при вершине имеет большую высоту, он больше времени находится в контакте с броней, когда идет процесс пластического деформирования и значительно больше выделяется тепловой энергии. Часть тепла переходит в броню, а часть передается хвостовику. В результате нагрева хвостовика вязкость разрушения его повышается, таким образом не происходит его разрушения от действия ударных волн. Выполнение хвостовика в форме соединенных между собой цилиндра и усеченного конуса, меньший диаметр конуса равен (0,71-0,86)d, больший диаметр конуса хвостовика равен диаметру цилиндра и диаметру головной части сердечника и равен (0.72-0,86)d, а длина цилиндра хвостовика равна (0,01-3,58)d, и поверхности сердечника полностью или частично с шероховатостью не выше Ra 1,6, позволяет значительно уменьшить нагрузку на хвостовую часть сердечника при прохождении им отверстия. Неразрушенный сердечник обладает значительной энергией после прохождения преграды.
Важную роль в механизмах разрушения играют поверхностные дефекты, которые появляются в процессе изготовления сердечника. Устранение дефектного слоя сердечника, доведение его поверхности до шероховатости Ra 1,6 и ниже позволит значительно повысить его стойкость к зарождению и развитию поверхностных микротрещин.
На чертеже представлена конструкция заявляемой бронебойной пули.
0
0
1
1
2
1
1
2
2
3
3
1
1
2
1
2
2
Бронебойная пуля состоит из твердосплавного сердечника 1, имеющего головную 1.1 и хвостовую 1.2 части, свинцовой рубашки 2 и оболочки 3, головная часть твердосплавного сердечника выполнена заостренной. Головная часть 1.1 состоит из конуса 1.1.1, образованного прямой линией, и конусообразной части 1.1.2, образованной частью окружности. Хвостовая часть 1.2 состоит или из цилиндра 1.2.1, или из усеченного конуса 1.2.2, или цилиндра 1.2.1 и усеченного конуса 1.2.2, соединенных между собой. Соотношения конструктивных параметров пули определены в зависимости от калибра. Длина l сердечника 1 равна l=(2,21-3,48)d, длина головной части l сердечника 1.1 равна l=(0,58-3,70)d, l - длина части сердечника 1.1.1, образованная радиусом окружности R, равным R=(0,31-10,28)d, длина l равна l(0,01-3,70)d, длина цилиндрической части l хвостовой сердечника 1.2.1 равна l=(0,01-3,58)d. Больший диаметр D усеченного конуса хвостовика равен диаметру цилиндра и диаметру головной части сердечника и равен D=(0,72-0,86)d, меньший диаметр D усеченного конуса равен D=(0,71-0,86)d. Остроконечная часть сердечника имеет радиус закругления R не более R<0,3 мм. Поверхности сердечника полностью или частично, либо головная часть, либо хвостовая часть, дополнительно шлифуются до шероховатость не выше Ra 1,6. Хвостовая часть сердечника и/или головная часть имеет покрытие, выполненное одним из физических или химических методов осаждения металлов.
2
Сердечник изготавливали из вольфрамокобальтовых порошков с содержанием карбида вольфрама 92% по массе и кобальта 8% по массе. Плотность после прессования заготовок равнялась 8,4+0,05 г/см. Спекание проводили в две стадии: предварительное - с целью удаления пластификатора в водородной атмосфере и окончательное вакуумно-компрессионное в печи VKPgr 50/90/50 фирмы Degussa.
Проводились сравнительные испытания с патронами 7Н24, имеющими пулю с твердосплавным сердечником, сердечник имеет площадку в головной части сердечника, и 7Н24М, имеющими пулю с твердосплавным сердечником с головной частью в виде конуса. В качестве пробиваемого материала использовалась бронеплита 10 мм марки 2П ГОСТ В 21967-90 на удалении 100 м, стрельба велась из 5,45 мм ручного пулемета РПК74, бронеплита 5 мм марки 2П ГОСТ В 21967-90 на удалении 550 м, стрельба велась из 5,45-мм автомата АК74М, снабженного оптическим прицелом, секция бронежилета 6БР23-1 на удалении 100 м, стрельба велась из ручного пулемета РПК74 и автомата АК74. Определялся процент пробития преграды.
В таблице представлены результаты сравнительных испытаний, подтверждающих повышение пробивной способности предлагаемого патрона
Патрон
Процент пробития плиты 2П на удалении 100 м, РПК74
Процент пробития плиты 2П на удалении 550 м АК74М
Секция бронежилета 6БР23-1 на удалении 100 м РПК74
Секция бронежилета 6БР23-1 на удалении 100 м АК 74
Патрон 7Н24
10
0
30
0
Патрон 7Н24М
40
0
40
0
Патрон с бронебойной пулей
100
100
100
100
Таким образом, совокупность всех указанных в формуле соотношений конструктивных параметров бронебойной пули обеспечивает создание патрона, который имеет более высокие характеристики по пробивному действию. Данные соотношения и полученные данные по механизму разрушения металлической брони могут быть использованы для создания патронов различного калибра.