МНОГОСЛОЙНАЯ БРОНЯ
MULTILAYER ARMOUR

Предлагаемое изобретение относится к бронепреградам и может быть использовано для изготовления средств индивидуальной защиты (СИЗ) (бронежилеты, бронещиты, броненакладки и др.) или легкобронированной техники от пуль стрелкового оружия с «мягким» нетермоупрочненным стальным или свинцовым сердечником.
«Мягкие» пули для стрелкового оружия (например, АК-74, 5,45 мм патрон 7Н6 с пулей ПС со стальным нетермоупрочненным сердечником; АКМ, 7,62 мм патрон 57-Н-231 с пулей ПС со стальным нетермоупрочненным сердечником) представляют собой наиболее распространенный класс боеприпасов, характеризующийся высокой останавливающей способностью и пониженной вероятностью рикошета, что обуславливает распространенность их использования, прежде всего, в городских условиях. В зависимости от типа рассматриваемого оружия, такие пули могут быть под пистолетный/револьверный, промежуточный или винтовочный патрон.
Традиционно для защиты от пуль пистолетных/револьверных патронов применяют бронепакет из слоев ткани из высокопрочного арамидного или полиэтиленового волокна или броневую сталь, для защиты от пуль промежуточных патронов - броневую сталь, для защиты от пуль винтовочных патронов - броневую сталь или композиты на основе высокотвердой керамики.
К недостаткам бронепакета из слоев ткани стоит отнести крайне высокую стоимость и нестабильность защитных характеристик от остроконечных пуль. Такие пули раздвигают волокна ткани и могут преодолеть такую броню даже при невысокой энергии боеприпаса.
К недостаткам броневой стали следует отнести высокую массу. Известны технические решения, в которых используется гетерогенная стальная броня (например, патент RU 2427781 С2, 27.08.2011; патент RU 2172920 С2, 27.08.2001; патент RU 2472100 С2, 10.01.2013; патент RU 2090828 С2, 20.09.1997). Реализацией таких технических решений можно уменьшить поверхностную плотность защиты на 5-10%. Однако для средств индивидуальной бронезащиты, где масса играет очень важную роль, такие тяжелые бронеэлементы существенно снижают эргономичность защиты и резко понижают эффективность сотрудника при выполнении боевого задания.
К недостаткам композитов на основе высокотвердой керамики стоит отнести их невысокую эффективность для защиты от «мягких» пуль. Такие композиты разрабатывались для защиты от пуль с бронебойным сердечником и работают на дробление и разрушение этого сердечника. «Мягкие» же пули пластически деформируются без внедрения в керамику, разрушая ее за счет волновых эффектов на больших площадях и отслаивая подложку композита. В результате получается чрезмерно высокая запреградная травма и крайне низкая живучесть бронеблока.
В настоящее время набирает популярность использование прессованных монолитных композитных бронеэлементов из сверхвысокомолекулярного полиэтилена или параарамидных волокон для защиты от «мягких» пуль промежуточных патронов и мощных пистолетных патронов. Обычно такие бронеэлементы представляют собой прессованный пакет из высокопрочных полимерных волокон в виде слоев тканей или слоев однонаправленных волокон, уложенных под углом 90° по отношению к предыдущему слою. К существенным недостаткам такой бронезащиты стоит отнести, помимо крайне высокой стоимости, чрезмерно большую толщину (18-24 мм), что сказывается на удобстве эксплуатации и отсутствии возможности скрытного ношения. Такие защитные элементы имеют существенно меньший срок службы, а после продолжительных механических нагрузок, чего не избежать при интенсивной эксплуатации, начинают терять свойства при намокании.
Наиболее близким аналогом предлагаемому изобретению, выбранным авторами в качестве прототипа, является броня по патенту RU 3993 U1, 16.04.1997, включающая лицевой слой из стали, твердость которой выше твердости материала пули, и пакета тканей на основе высокомодульного волокна.
К недостаткам технического решения по прототипу, помимо сложности изготовления, стоит отнести отсутствие плотной фиксации бронепакета тканей, что существенно снижает его долговечность, так как в процессе эксплуатации слои ткани трутся друг о друга, истирая гидрофобное покрытие, и в дальнейшем могут потерять свои высокие прочностные характеристики, намокнув (например, потом с тела человека). Но что еще опасней, незафиксированные слои бронепакета могут замяться, заломаться, сместиться или распушиться и неполностью перекрывать стальные слои, что увеличивает вероятность пробития.
Целью и техническим результатом изобретения является повышение защитных свойств брони при защите от пуль стрелкового оружия с «мягким» нетермоупрочненным стальным или свинцовым сердечником.
Указанный технический результат достигается за счет того, что многослойная броня состоит из лицевого слоя из броневой стали твердостью выше твердости пули и тылового бронепакета из высокопрочных полимерных волокон в виде слоев тканей или слоев однонаправленных волокон, уложенных под углом 90° по отношению к предыдущему слою, или в виде их комбинаций, при этом броня выполнена в виде моноблока, в котором лицевой слой имеет твердость 48-56 HRC и соединен с тыловым бронепакетом клеевым связующим, а отношение толщины лицевого слоя к суммарной толщине тылового бронепакета составляет 1:1-1:3.
Твердость лицевого слоя в защите от «мягких» пуль играет очень важную роль. Если твердость слишком высока (более 56 HRC), то лицевой слой становится чрезмерно хрупким и живучесть такой защиты существенно понижается. Такая броня будет иметь те же недостатки, что и композиты на основе высокотвердой керамики. Если же твердость лицевого слоя будет меньше 48 HRC, то она станет сопоставима с твердостью материала пули и процесс пробития существенно упростится. Для того чтобы такая защита работала, придется существенно увеличивать ее толщину, а значит и массу. При твердости лицевого слоя в диапазоне 48-56 HRC броня работает следующим образом:
- начиная с момента баллистического контакта на поверхности раздела пули и брони устанавливается контактное давление, определяемое сопротивлением пластическому деформированию соударяемых тел, скоростью и плотностью пули;
- вследствие пластического течения материала пули (контактное давление превысило динамическое сопротивление деформированию пули) его форма становится грибообразной, площадь контакта растет;
- происходит локальный изгиб в преграде (контактное давление превысило динамическое сопротивление деформированию преграды) с максимальной деформацией по оси соударения;
- по мере пластического течения материалов толщина преграды по оси соударения утоняется, происходит исчерпание запаса пластичности, разрыв пластины в районе полюсной точки и запреградное проникание деформированной пули;
- оставшаяся часть пули и фрагменты брони удерживаются тыловым бронепакетом.
Многослойная броня выполнена в виде моноблока путем склеивания лицевого стального слоя и тылового пакета из высокопрочных полимерных волокон в виде слоев тканей или слоев однонаправленных волокон, уложенных под углом 90° по отношению к предыдущему слою, или в виде их комбинаций. Такое выполнение многослойной брони создает плотный акустический контакт между лицевым и тыловым слоями, что в совокупности с лицевым слоем из броневой стали с твердостью 48-56 HRC повышает защитные свойства брони. Фиксация слоев тылового пакета между собой может осуществляться склеиванием их между собой или сшиванием. Благодаря этому слои баллистической ткани зафиксированы и не могут истираться, повреждая гидрофобное покрытие.
Толщина лицевого слоя предлагаемого технического решения подбирается эмпирически в зависимости от предполагаемой угрозы. Что касается толщины тылового бронепакета, то он должен быть не меньше толщины лицевого слоя и не более, чем в три раза толще лицевого слоя. Если толщина тылового бронепакета будет меньше толщины лицевого слоя, то положительный эффект будет незначителен, а масса лицевого слоя будет не сильно отличаться от массы стальной брони от равнозначной предполагаемой угрозы такой же площади. Если же толщина тыльного бронепакета будет более чем в три раза превышать толщину лицевого слоя, то такая броня становится крайне неудобна в эксплуатации, ее невозможно будет носить скрыто и, конечно, это будет вести к существенному удорожанию брони. Толщины лицевого слоя может быть и вовсе недостаточно для обеспечения стабильных защитных характеристик. Предлагаемый диапазон подобран для получения оптимальных массогабаритных характеристик бронезащиты.
Для повышения технологичности изготовления бронезащиты можно использовать термоактивируемое клеевое связующее.
Пример 1
Лицевой слой моноблока изготовлен из листа толщиной 3 мм броневой стали 43ХСНМА (СПС43) ТУ 14-105-781-2006. Элемент термообработан по режиму: закалка с температуры 880°C-900°C на воздухе (с обдувом вентилятором), отпуск при температуре 240°C-250°C с выдержкой 4 часа. Твердость после термообработки - 53 HRC.
Тыловой бронепакет выполнен из 30 слоев Dyneema SB21, слои склеены между собой термоактивируемым клеевым связующим в печи при температуре 130°C. Толщина получившегося бронепакета - 4,7 мм. Каждый из слоев Dyneema SB21 представляет собой два слоя однонаправленных волокон, уложенных под углом 90° друг относительно друга в полимерной матрице. Соотношение толщины лицевого слоя к суммарной толщине тылового пакета составлят 1,56.
Лицевой и тыловой слои соединены между собой клеевым связующим на основе полиуретана.
Габариты получившегося блока - 300×250×7,7 мм. Масса - 1,68 кг.
Было изготовлено 5 блоков, толщина отличалась не более ±0,1 мм, а масса не более ±0,09 кг.
Бронеблоки подвергали обстрелу пулей калибра 7,62 мм со стальным нетермоупрочненным сердечником патрона инд. 57-Н-231 автомата АКМ.
Все блоки выдержали испытание, в местах попадания тыловой прогиб не превышал 14 мм.
Пример 2
Лицевой слой моноблока изготовлен из листа толщиной 2,5 мм броневой стали 43ХСНМА (СПС43) ТУ 14-105-781-2006. Элемент термообработан по режиму: закалка с температуры 880°C-900°C на воздухе (с обдувом вентилятором), отпуск при температуре 240°C-250°C с выдержкой 4 часа. Твердость после термообработки - 54 HRC.
Тыловой бронепакет выполнен из 20 слоев Twaron СТ 716. Слои сшиты между собой. Толщина получившегося бронепакета - 5,6 мм. Соотношение толщины лицевого слоя к суммарной толщине тылового пакета составлят 2,24.
Лицевой и тыловой слои соединены между собой клеевым связующим на основе эпоксидной смолы.
Габариты получившегося блока - 300×250×8,1 мм. Масса - 1,52 кг.
Было изготовлено 5 блоков, толщина отличалась не более ±0,1 мм, а масса не более ±0,08 кг.
Бронеблоки подвергали обстрелу пулей калибра 5,45 мм со стальным нетермоупрочненным сердечником патрона инд. 7Н6 автомата АК-74.
Все блоки выдержали испытание, в местах попадания тыловой прогиб не превышал 11 мм.
Результаты испытаний показали, что испытуемые многослойные бронеблоки в виде моноблока обладают высокой противопульной стойкостью и обеспечивают повышенную защиту от пуль с неупрочненным сердечником. Выигрыш по массе по сравнению с изделием по прототипу составляет около 10%. Выигрыш по массе по сравнению с гомогенной броней из закаленной стали марки СПС-43 составляет около 20%.