ОБЪЕМНО-КОМБИНИРОВАННАЯ БРОНЯ
VOLUME-COMBINED ARMOR

Изобретение относится к области средств защиты от бронебойных пуль. Для броневой защиты поверхностей, имеющих сложный геометрический рельеф, достаточно широкое применение в последнее время получила многослойная комбинированная броня с использованием в наружном высокотвердом слое плотно упакованных керамических цилиндров с выпуклыми фронтальными торцами.
Из известных технических решений, относящихся к рассматриваемому типу многослойной брони, близкими к заявляемому изобретению, следует считать решения, изложенные в патентах США US 5972819 А, 26.10.1999; US 6112635 А, 05.09.2000; US 6203908 В1, 20.03.2001; US 7694621 В1, 13.04.2010 и в патентах РФ RU 2329455 C1, 20.07.2008 и RU 2478900 C1, 10.04.2013.
Общими существенными признаками указанных аналогов с заявляемым изобретением является использование в наружном слое отдельных плотно упакованных керамических цилиндров с выпуклыми фронтальными торцами, соединенных связующим в монолит. При этом в большинстве известных аналогов оси цилиндров перпендикулярны их торцевым поверхностям и последующим слоям брони.
Диаметр используемых керамических цилиндров устанавливается в соответствии с калибром применяемых средств поражения. Так, в патенте US 6112635 А для калибров от 5,56 до 30,0 мм рекомендовано использование цилиндров диаметром от 12 до 38 мм. При этом соотношения диаметра и высоты цилиндров не устанавливаются.
В техническом решении, изложенном в патенте US 7694621 В1, предложено использовать плотно упакованные керамические цилиндры, торцевые поверхности которых не перпендикулярны осям симметрии, а расположены по отношению к ним под углами 60° или 67,5°. При этом торцевые поверхности цилиндров параллельны плоскости брони и между собой.
Однако эффективность работы цилиндров такой конфигурации по уводу или сбиванию пули с траектории, что является основной концепцией броневых структур рассматриваемого типа, будет низкой, так как в случае плоской фронтальной поверхности цилиндров она отсутствует вовсе, а в случае выпуклой поверхности недостаточна.
Общим недостатком рассматриваемых технических решений является наличие уязвимых, с точки зрения пробития, участков в местах сопряжений соседних элементов (область стыка). В патенте RU 2476809 C1 установлено, что в случаях, когда площадь стыкового пространства составляет 30% и более от площади сердечника, бронестойкость композиции в местах стыков цилиндров не обеспечивается.
С увеличением диаметра керамических цилиндров, используемых для защиты от крупных калибров поражающих средств, площадь стыкового пространства, свободного от керамики, а с ним и опасность прострела мелкими калибрами возрастают.
Так, предложенная в патенте US 6112635 А композиция из плотно упакованных цилиндров с d=38 мм, предназначенная для защиты от калибров 20-30 мм, будет простреливаемой по стыкам более мелкими калибрами: 5,45 мм, 7,62 мм, 9,0 мм и частично - 12,7 мм, как это следует из результатов проведенных авторами заявляемого изобретения расчетов.
В техническом решении по патенту RU 2478900 C1 проблему защиты стыков предложено решать за счет значительного усложнения геометрии керамических цилиндров, однако, реализация указанного решения практически невозможна вследствие трудностей массового производства таких элементов и необходимости взаимной подгонки их алмазным шлифованием.
В патенте RU 2476809 C1 обосновано, что бронестойкость композиций из плотно упакованных керамических цилиндров, торцевые поверхности которых перпендикулярны осям симметрии, может быть существенно повышена прежде всего в области стыков за счет расположения осей цилиндров под углом 60-85° по отношению к плоскости брони.
При этом эффект достигается за счет значительного уменьшения площади стыка в плане, затруднений прямого проникновения в стык и включением в работу по сбиванию пули с траектории наряду с выпуклой фронтальной поверхностью также верхних участков образующих цилиндров.
По совокупности и назначению общих существенных признаков техническое решение по патенту RU 2476809 C1 принято в качестве прототипа заявляемого изобретения.
2
Результаты проведенных авторами исследований позволили установить, что для обеспечения бронестойкости композиций, в том числе и по мелким калибрам, значение площади стыка в плане не должно превышать 1,0 мм, а уменьшение толщины критического сечения керамики должно составлять не более 28% от высоты цилиндров.
Кроме того, анализ 3D модели плотно упакованных цилиндров, проведенный авторами заявляемого изобретения, показал, что при уменьшении углов наклона осей цилиндров к плоскости брони развиваются разнонаправленные тенденции. С одной стороны имеет место положительная тенденция уменьшения площади стыкового пространства в плане, а с другой - опасное уменьшение толщины керамического слоя в области критического сечения.
Очевидно, что при использовании различных калибров средств поражения обеспечить одновременное выполнение таких противоречивых требований к анализируемым параметрам путем варьирования лишь одного фактора, а, именно - угла наклона осей цилиндров, как это имеет место в прототипе, не представляется возможным.
По результатам пулевых испытаний композиции по прототипу на базе цилиндров диаметром 14 мм и высотой 10 мм установлено, что бронестойкость при использовании калибра 7,62 мм, в том числе и по стыкам, обеспечивается при угле 75° к плоскости брони и допустимом значении критического сечения 28% от высоты цилиндра.
Однако в случае использования более мелкого калибра 5,45 мм бронестойкость областей стыков обеспечиваться не будет, так как в этом случае площадь стыкового пространства при данном угле поворота будет составлять более 30% от площади сердечника.
С увеличением же диаметров используемых цилиндров площадь стыкового пространства возрастает, а следовательно, увеличивается и значимость вышеизложенных факторов.
Таким образом, основным недостатком прототипа является невозможность обеспечения защиты стыков от более мелких калибров при минимальном уменьшении толщины керамического слоя в критическом сечении.
Задачей изобретения является создание броневой структуры, обеспечивающей надежную защиту по всей поверхности, включая области стыков, от пуль различных калибров, в том числе мелких.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности и эффективности бронезащиты за счет обеспечения стабильных показателей бронестойкости.
Указанный технический результат достигается за счет того, что объемно-комбинированная броня содержит высокотвердый слой из плотно упакованных керамических цилиндров с выпуклыми торцами, соединенных связующим в монолит, оси которых располагаются под углом по отношению к плоскости брони, и высокопрочный энергоемкий тыльный слой, при этом отношение высоты керамических цилиндров к диаметру находится в интервале от 0,8 до 1,2, а углы наклона осей цилиндров к плоскости брони составляют 70°-75°.
2
Таким образом, при фиксированном диаметре используемых для бронезащиты керамических цилиндров появляется возможность путем варьирования в заявленных пределах угла наклона осей и отношения высоты к диаметру цилиндров установить их рациональное сочетание, обеспечивающее бронестойкость композиции: значение площади стыкового пространства в плане менее 1,0 мм при уменьшении толщины керамического слоя в критическом сечении не более 28% от высоты цилиндра.
Для определения пределов заявляемых соотношений высоты и диаметра цилиндров и углов наклонов их осей с помощью 3D модели плотно упакованных цилиндров были проведены расчеты их рациональных значений для всего диапазона известных из практики и литературы диаметров применяемых керамических цилиндров: 12 мм, 14 мм, 19 мм и 38 мм. Результаты расчетов представлены в Таблице.
Из полученных результатов следует, что варьированием угла поворота осей и соотношения высоты и диаметра плотно упакованных цилиндров в заявляемых пределах может быть установлено их рациональное сочетание, обеспечивающее стабильные показатели бронестойкости структуры при обстреле как основными, так и более мелкими калибрами поражающих средств, по всей защищаемой поверхности, включая области стыков.
Из результатов, представленных в Таблице, следует, что при значениях отношения высоты цилиндра к его диаметру ниже заявляемого нижнего предела (h/d=0,8) и углах наклона в заявленных пределах (70°-75°), как видно из примеров 2 и 3 Таблицы, достичь требуемого результата не удается.
С увеличением диаметров цилиндров площадь стыкового пространства соответственно возрастает, при этом значения рациональных соотношений h/d также растут - от 0,83 для цилиндров диаметром 12 мм до 1,13 для цилиндров диаметром 38 мм.
Верхний предел заявляемого соотношения (h/d=1,2) определяется общим уровнем бронестойкости структуры при защите от основных калибров поражающих средств. Увеличение соотношения h/d выше заявляемого верхнего предела возможно, однако нерационально с практической точки зрения, так как увеличение высоты цилиндров будет сопровождаться неоправданным увеличением массы как керамического слоя, так и всей защиты в целом.
2
При увеличении углов наклона осей цилиндров выше заявляемого предела (75°) значение площади стыка в плане будет существенно превышать 1 мм и для его компенсации придется значительно увеличивать высоту цилиндров, а следовательно, массу керамической составляющей и всей брони в целом. С увеличением диаметров используемых цилиндров значимость этого фактора будет существенно возрастать.
При уменьшении углов наклона осей цилиндров ниже заявляемого предела (70°) локальное уменьшение толщины керамического слоя существенно превысит допустимое значение (28% высоты цилиндра), что приведет к опасности прострела в области критического сечения.
Для оценки эффективности предложенного технического решения были проведены сравнительные пулевые испытания двух опытных образцов на базе цилиндров диаметром 14 мм. Один из образцов был изготовлен в полном соответствии со структурой наиболее близкого аналога (пример 2 Таблицы), то есть имел соотношение h/d ниже заявляемого предела. Геометрия цилиндров второго образца имела рациональное, с точки зрения предложенного изобретения, значение (пример 4 Таблицы). В остальных аспектах структура опытных образцов была идентична и включала в себя:
- тыльный слой 150×200×3 мм из закаленной стали марки СПС-43 с твердостью 56-58 HRC;
- фронтальный слой из корундовых цилиндров с выпуклым торцом марки АЛ1 диаметром 14 мм и высотой 10 мм и 13 мм;
- угол наклона осей цилиндров к плоскости тыльного слоя 75°;
- соединение в монолит цилиндров и слоев композиции осуществлялось связующим на основе полиуретана;
- обстрел проводился бронебойно-зажигательными пулями Б-32 калибра 7,62 мм из винтовки СВД и пулями калибра 5,45 мм с термоупрочненными сердечниками автомата АК-74. Испытания проводились по стандартным методикам с расстояния 10 м в аттестованном испытательном центре ЗАО «НПО специальных материалов», г. Санкт-Петербург.
Результаты испытаний образца со структурой прототипа подтвердили достаточно высокий уровень бронестойкости при обстреле основным калибром 7,62 мм по всей поверхности защиты, включая области стыков.
При испытаниях более мелким калибром 5,45 мм бронестойкость стыковых областей оказалась значительно хуже, несмотря на то, что энергетика пули автомата АК-74 существенно уступает энергетике винтовки СВД. Так, при попаданиях в области, близкие к стыку, наблюдались существенные внедрения в стальной тыл, а лунки углублений от тыловых прогибов достигали 4-6 мм. При точном же попадании в стык имели место пробития.
Результаты испытаний дополнительного образца, в котором защищенность стыков была повышена за счет уменьшения углов наклона осей до 70° (пример 3 Таблицы), показали, что бронестойкость такой композиции по калибру 5,45 мм обеспечивалась по всей поверхности, включая области стыков, однако бронестойкость по основному калибру - 7,62 мм в областях критического сечения была неудовлетворительной.
В то же время результаты испытаний образца, в котором параметры как геометрии цилиндров, так и угла наклона их осей находятся в заявляемых пределах (пример 4 Таблицы), показали, что бронестойкость композиции надежно обеспечивается по всей поверхности защиты при обстреле как основным, так и более мелким калибром. При этом общий уровень бронестойкости композиции существенно возрастает, что проявляется в практическом отсутствии следов внедрения и лунок углублений в стальном тылу. Значительный запас бронестойкости композиции позволяет уменьшить толщину тылового слоя и тем самым компенсировать некоторое увеличение массы керамического слоя, имевшее место при увеличении высоты цилиндров от 10 мм до 13 мм.
Однако стабильность показателей бронестойкости, даже при рациональных параметрах геометрии цилиндров, обеспечивается лишь в установленных пределах углов наклона осей цилиндров. Результаты дополнительно проведенного эксперимента показали, что при увеличении угла наклона осей до 80° (выше заявляемого предела) бронестойкость той же композиции с h/d=0,92 в области стыков не обеспечивается при обстреле калибром 5,45 мм (пример 5 Таблицы) вследствие значительного превышения площади стыка в плане.
Таким образом, результаты проведенных натурных испытаний подтвердили как обоснованность заявляемых характеристик геометрии цилиндров и углов наклона их осей, так и их действенную взаимосвязь.
Совокупное действие установленных параметров керамической структуры обеспечивает достижение изобретением заявленного технического результата - стабильности показателей бронестойкости композиции при обстреле как основными, так и мелкими калибрами поражающих средств по всей поверхности защиты, включая области стыков.