АНТИОСКОЛОЧНАЯ И АНТИРИКОШЕТНАЯ ЗАЩИТА
ANTI-FRAGMENTARY AND ANTI-REBOUND PROTECTION

Изобретение относится к области внутренней антиосколочной и антирикошетной защиты подвижных и стационарных бронеобъектов (далее - защита или изделие). Изобретение предназначено для снижения запреградного эффекта после пробития внешней броневой защиты, проявляющегося в уменьшении факела осколков и в исключении рикошета поражающих элементов путем поглощения их кинетической энергии баллистическими спецтканями.
Известны баллистические спецткани на основе нитей из высокопрочных ароматических полиамидов: Кевлар (Дюпон™, США), Тварон (Тейджин Арамид, Нидерланды), СВМ (Термостойкий текстиль, Россия), AuTx (Каменскволокно, Россия), Херакрон (Колон, Корея) и другие (далее - спецткань или Кевлар).
В указанных энергопоглощающих материалах (в частности, например, «Ткань для баллистической защиты» [Патент от 16.05.1997 RU 2126856]) поглощение кинетической энергии поражающего элемента (полезная работа) сопровождается растяжением высокопрочных нитей и прогибом спецткани. Для обеспечения работоспособности (прогиба до момента встречи с броневой защитой) Кевлар устанавливают на расстоянии от броневой защиты. Характеристики растяжения спецтканей указаны на сайтах производителей.
Техническим решением, наиболее полно иллюстрирующим подход к решению проблемы конструирования защиты, снижающей вышеуказанный запреградный эффект, является антиосколочная и антирикошетная защита, выполненная в виде гибкой брони типа Кевлар, растянутой шнуром на металлическом пространственном каркасе внутри защищаемого бронеотсека [Патент от 29.08.2005 R 2295464, ПРОТОТИП]. Недостатки прототипа:
- отсутствие элемента прототипа, обеспечивающего процесс разворота поражающего элемента более широкой стороной для увеличения площади его соприкосновения с Кевларом, т.е. процесс разворота пули в прототипе декларируется, т.к. между броневой защитой и Кевларом находится воздух;
- низкая эффективность работы Кевлара (например, для исключения рикошета требуется повышенное количество слоев спецткани) ввиду наличия: функции демпфирования, ограниченного количества точек креплений Кевлара, не эффективного распределения нагрузки, незначительного межволоконного трения;
- не надежная работа креплений Кевлара, подверженных разрушению при больших нагрузках;
- повышенная трудоемкость обслуживания изделия по причине быстрого ослабления демпфирующего шнура при больших нагрузках;
- повышенная трудоемкость проектирования и изготовления «пространственного каркаса», который является уникальным для каждого элемента гибкой брони, т.к. крепления гибкой брони должны располагаться в одной плоскости для создания требуемого расстояния до броневой защиты.
Аналогичные недостатки присущи «Противоосколочной защите экипажей бронированных машин» [Патент от 06.07.2009 RU 88787], в которой необходимая дистанция между броневой защитой и Кевларом обеспечивается кронштейнами крепления Кевлара.
Рассмотренные технические решения можно квалифицировать как варианты реализации каркасного метода обеспечения работоспособности Кевлара.
Известны попытки внедрения более совершенного прокладочного метода обеспечения работоспособности Кевлара:
во-первых, это «Пулезащитный щит» [Патент от 25.09.2008 UA 38987], включающий металлический щит, Кевлар и «пористый материал», последний предназначен автором патента для снижения рикошета и исключения травмирования сотрудников о металлические части щита, при этом механизм снижения рикошета посредством «пористого материала» автором не раскрыт, описания полезных свойств «пористого материала» и процессов, способствующих снижению рикошета пули (энергопоглощение кинетической энергии пули, разворот пули, переход пули через границы разных сред пористого материала и другие) в патенте отсутствуют, что исключает применение патента в уровне техники в части, касающейся «прокладки между Кевларом и броневой защитой»;
во-вторых, это «Антиосколочная и антирикошетная защита обитаемого или грузового отсека», где в качестве «дистанционной прокладки между Кевларом и броневой защитой» используется «малосминаемый материал» [Патент от 16.01.2012 RU 2488765]. Решением Федеральной службы по интеллектуальной собственности Российской Федерации от 01.10.2015 патент признан не действительным по критерию «Изобретательский уровень» по причине отсутствия в патенте описания влияния признака «малосминаемый материал» на технический результат изобретения, что также ограничивает применение данного патента в рассматриваемом уровне техники.
Основные недостатки двух рассмотренных технических решений:
- потенциальные возможности Кевлара используются не в полной мере (для исключения рикошета требуется повышенное количество слоев спецткани): имеется возможность проникновения части поражающих элементов (особенно остроконечных) через изделие без потери кинетической энергии, при этом значительная часть высокопрочных нитей Кевлара не участвует в процессе поглощения энергии поражающего элемента, нагрузки в Кевларе распределены не эффективно, недостаточно используется межволоконное трение;
- малый срок службы Кевлара ввиду его гигроскопичности и быстрой потери полезных свойств спецткани, а также износа изделия от внешних воздействий;
- повышенные нагрузки на элементах крепления изделия. Задачами предлагаемого изобретения являются:
- ликвидация вышеперечисленных недостатков;
корректное внедрение прокладочного метода обеспечения работоспособности Кевлара взамен каркасного метода обеспечение расстояния между броневой защитой и Кевларом;
- внедрение средств локализации ударной нагрузки, защитного чехла и скрепляющей пленки.
Решение вышеперечисленных задач позволит создать антиосколочную и антирикошетную защиту, конструкция которой будет имеет следующие преимущества над прототипом:
- отсутствие вышеперечисленных недостатков;
- повышение надежности работы защиты;
- меньшее количество слоев Кевлара для заданного уровня защиты;
- повышенные сроки службы изделия;
- простота проектирования, изготовления и эксплуатации. Техническим результатом заявленного изобретения является:
- повышение эффективности работы энергопоглощающего материала (сокращение количества слоев) при заданном уровне снижения запреградного ущерба (задержания большей части осколков и предотвращения рикошета поражающих элементов от стенок защищаемого отсека) за счет применения новой конструкции изделия, обеспечивающей сокращение рабочей площади нагружения, увеличение количества нагруженных нитей, повышение межволоконного трения, эффективное распределение ударной нагрузки;
- повышение надежности работы защиты (снижение вероятности ослабления и разрушения креплений Кевлара) за счет существенного уменьшения нагрузок, которые разрушали элементы крепления Кеврала в прототипе;
- сокращение трудоемкости проектирования, изготовления и эксплуатации изделия за счет применения в изобретении простой пластмассовой дистанционной прокладки взамен сложного металлического пространственного каркаса прототипа.
Поставленная задача достигается тем, что выполнена антиосколочная и антирикошетная защита, содержащая броневую защиту, внутреннюю защиту и устройство крепления внутренней защиты к броневой защите, отличающаяся тем, что внутренняя защита выполнена в виде системы взаимосвязанных средствами локализации ударной нагрузки элементов, включающих чехол, энергопоглощающее устройство и дистанционную прокладку между броневой защитой и энергопоглощающим материалом.
Поставленная задача также достигается тем, что энергопоглощающее устройство запаивается в скрепляющую пленку.
Поставленная задача также достигается тем, что энергопоглощающее устройство выполнено из нескольких листов, которые запаяны в скрепляющую пленку, уложены в чехле с перекрытием и зафиксированы.
Под системой понимается совокупность элементов изобретения, каждый из которых обеспечивает функционирование системы по назначению. При этом, исключение из системы одного из указанных системообразующих элементов приводит к прекращению функционирования системы по назначению.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенное изобретение отличается применением системы взаимосвязанных элементов изобретения, включающих чехол, энергопоглощающее устройство, дистанционную прокладку, средства локализации ударной нагрузки. Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «НОВИЗНА».
Сравнение изобретения с другими техническими решениями показывает, что броневая защита, энергопоглощающий материал и устройство крепления известны. Одновременно, в уровне техники отсутствует описание влияния системы взаимосвязанных элементов изобретения, энергопоглощающего устройства, дистанционной прокладки, средств локализации ударной нагрузки и скрепляющей пленки на заявляемый технический результат. Изложенное с учетом того, что введение перечисленных элементов в конкретной связи друг с другом приводит к неожиданному результату: высокой степени конкурентоспособности предлагаемого изобретения благодаря кардинальному упрощению конструкции изобретения, значительному увеличению эффективности работы Кевлара, существенному сокращению трудоемкости проектирования, изготовления и эксплуатации изделия. Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ».
Заявленное изобретение поясняется чертежами:
Фиг. 1 - конструктивные, технологические и потребительские преимущества изобретения над прототипом: а - сравнительный анализ составов технических решение; 6 - сравнительный анализ принципов работы технических решений;
Фиг. 2 - полный состав и расположение элементов изобретения: а - вид спереди, 6 - вид сбоку;
Фиг. 3 - поперечный разрез бронеотсека и этапы работы изобретения.
На Фиг. 1-2 проиллюстрированы конструктивные, технологические и потребительские преимущества изобретения над прототипом:
- коренным образом упрощена конструкция изделия, улучшена технологичность изготовления, изделие стало необслуживаемым за счет применения простой пластмассовой прокладки взамен сложного металлического пространственного каркаса;
- кардинально изменен характер ударных нагрузок в Кевларе, что обеспечило существенное повышение эффективности работы Кевлар, за счет применения дистанционной прокладки, улучшающей взаимодействие с Кевларом по всей площади их соприкосновения (в прототипе - только в точках крепления Кевлара) и применения средств локализации ударной нагрузки, что привело к сокращению площади ударной нагрузки, росту межволоконного трения, задействованию новых нитей, эффективному распределению нагрузки;
- достигнут новый достаточно высокий уровень надежности работы изделия за счет исключения функции демпфирования, применения прокладочного метода обеспечения работоспособности Кевлара и как следствие снятия разрушающих нагрузок с элементов крепления изделия;
- кратно увеличен ресурс изделия за счет применения чехла и пленки (Фиг. 2).
Состав и конструкция изобретения детализированы на Фиг. 2:
1 - броневая защита;
2 - внутренняя защита;
3 - энергопоглощающее устройство;
4 - дистанционная прокладка;
5 - чехол;
6 - устройство крепления;
7 - средства локализации ударной нагрузки;
8 - скрепляющая пленка.
Раскрытие назначения и состава (системы) элементов изобретения.
Броневая защита 1 предназначена для защиты личного состава и оборудования подвижного или стационарного бронеобъекта от поражающих факторов огнестрельного оружия.
Для реализации указанного назначения броневая защита 1 содержит листы броневой стали и другие баллистически стойкие материалы, установленные на каркасе или в несущем корпусе бронеобъекта, а также элементы устройства крепления 6.
Внутренняя защита 2 предназначена для снижения запреградного ущерба, задержания большей части осколков и исключения рикошета поражающих элементов внутри бронеотсека.
Для реализации указанного назначения внутренняя защита 2 содержит энергопоглощающее устройство 3, дистанционную прокладку 4, чехол 5 и устройство крепления 6.
Энергопоглощающее устройство 3 предназначено для снижения заброневого эффекта после пробития броневой защиты 1 поражающими элементами за счет поглощения кинетической энергии поражающих элементов с целью уменьшения факела осколков и исключения их рикошета внутри защищаемого бронеотсека.
Для реализации указанного назначения энергопоглощающее устройство 3 содержит пакет из двух и более листов энергопоглощающего материала типа Кевлар [1, 2], средства локализации ударной нагрузки 7 и элементы устройства крепления 6. Количество слоев Кевлара в пакете подбирается опытным путем, исходя из возможностей системы «поражающий элемент - броневая защита - дистанционная прокладка - Кевлар - средства локализации ударной нагрузки».
Средства локализации ударной нагрузки 7 предназначены для повышения эффективности работы энергопоглощающего материала за счет создания эффективного распределения нагрузки в зоне локализации ударной нагрузки, сокращения рабочей площади нагружения, повышения межволоконного трения путем локального скрепления высокопрочных нитей Кевлара нитями аналогичной прочности, использования скрепляющей пленки или других способов вовлечения в процесс не нагруженных нитей Кевлара, снятия разрушающей нагрузки с элементов устройства крепления 6.
Так, например, средства локализации ударной нагрузки 7, выполненные в виде швов из высокопрочных нитей (далее - высокопрочные швы), наряду с энергопоглощающим устройством, также обеспечивают скрепление составных частей внутренней защиты 2 (или только Кевлар) по периметру, а при необходимости, по вертикали (горизонтали), под углом внутри пакета, создавая зоны локализации ударной нагрузки (Фиг. 2). Поражающий элемент, воздействуя на внутреннюю защиту 2, растягивает в энергопоглощающем устройстве 3 нити Кевлара и средства локализации ударной нагрузки, сжимает дистанционную прокладку 4 образуя во внутренней защите 2 воронку, размеры которой ограничиваются средством локализации ударной нагрузки. Размеры воронки зависят от возможностей системы «Поражающий элемент - броневая защита - дистанционная прокладка - Кевлар - средство локализации ударной нагрузки». Оптимальные характеристики материалов указанной системы и размеры зон локализации ударной нагрузки подбираются опытным путем [3].
Дистанционная прокладка 4 размещается между броневой защитой 1 и энергопоглощающим устройством 3 и предназначена для создания установленной дистанции между ними с целью обеспечения выполнения полезной работы по поглощению кинетической энергии поражающих элементов до полного растяжения (до разрыва) Кевлара до момента ее встречи с основой броневой защитой 1, а также для создания благоприятной среды для разворота поражающего элемента широким боком и увеличения площади его воздействия на Кевлар и вовлечения в энергопоглощение большего количества нитей Кевлара.
Для реализации указанного назначения дистанционная прокладка 4 содержит материал (композицию материалов) типа Пенополиэтилен [4-6] и элементы устройства крепления 6.
Чехол 5 выполнен из прочной герметичной влагостойкой ткани типа «Ткань Оксфорд 600 камуфляж» [7] и предназначен для: повышения срока службы, эффективности и надежности работы энергопоглощающего устройства 3; крепления элементов внутренней защиты 2 между собой и элемента 2 к броневой защите 1 (при необходимости); выполнения декоративной функции - улучшения внешнего вида интерьера забронированного отсека.
Устройство крепления 6 представляет из себя разъемные соединения типа «болт-гайка» [8], «болт-бонка», «шуруп», «шнур», «клей» и другие. Оно содержит: элементы крепления броневой защиты 1; элементы крепления внутренней защиты 2; элементы крепления, соединяющие 1 и 2 между собой.
Скрепляющая пленка 8 [9] изготавливается из материала типа фторопласт-4 [10] и предназначена для улучшения работы энергопоглощающего устройства 3, исключения случаев беспрепятственного проникновения поражающих элементов, имеющих остроконечную форму и раздвигающих нити Кевлара, для усиления эффектов межволоконного трения Кевлара и для локализации распространения ударной нагрузки, герметизации Кевлара и увеличения срока его службы.
С целью повышения эффективности использования Кевлара, энергопоглощающее устройство 3 может изготавливаться в виде отдельных пакетов определенного размера. Оптимальный размер листов подбирается опытным путем. Листы запаиваются в скрепляющую пленку с глубоким проникновением пленки, укладываются в чехол 5 с перекрытием, внутренняя защита 2 прошивается высокопрочными нитями по периметру, при необходимости, по вертикали, по горизонтали. Стандартизация размеров пакетов энергопоглощающего устройства 3 существенно повышает технологичность изготовления изобретения и обеспечивает простоту проектирования.
Описываемое техническое решение работает следующим образом.
На Фиг. 3. представлены поперечные разрезы забронированного отсека и этапы работы изобретения: а - 1-й этап; 6 - 2-й этап; в - 3-й этап.
При отсутствии антиосколочной и антирикошетной защиты:
Поражающий элемент в процессе пробития броневой защиты 1 теряет часть своей кинетической энергии и выносит мелкие осколки брони в защищаемый бронеотсек с углом разлета осколков более 120 градусов. Осколки поражают личный состав у противоположного борта, а поражающий элемент, имея достаточной большой запас кинетической энергии, несколько раз рикошетирует от бортов и поражает практически весь экипаж.
При наличии антиосколочной и антирикошетной защиты:
На первом этапе («а» Фиг. 3).
Поражающий элемент в процессе пробития броневой защиты 1 теряет часть своей кинетической энергии и выносит мелкие осколки брони в защищаемый бронеотсек с углом разлета более 120 градусов. Осколки, попав во внутреннюю защиту 2, частично задерживаются в чехле 5, дистанционной прокладке 4, но большей частью - в энергопоглощающем устройстве 3.
Поражающий элемент, в результате взаимодействия с материалом дистанционной прокладки 4, разворачивается и широким боком воздействует на энергопоглощающее устройство 3, в котором Кевлар растягивается и нагружает средства локализации ударной нагрузки 7 (например: высокопрочные швы) увеличивает сжимающие усилия в энергопоглощающем устройстве 3 и внутренней защите 2 в целом, повышает межволоконное трение в Кевларе и вовлекает в работу ранее не задействованные нити спецткани, повышает количество поглощенной энергии поражающего элемента. Указанный эффект значительно усиливается при уменьшении зоны локализации ударной нагрузки и в результате применения скрепляющей пленки 8.
После достижения предела прочности высокопрочных нитей Кевлара, поражающий элемент, потеряв часть кинетической энергии, прорывает первое энергопоглощающее устройство 3 и продолжает движение в защищаемом бронеотсеке.
На втором этапе («б» Фиг. 3).
Пролетев защищаемый бронеотсек, поражающий элемент воздействует на второе энергопоглощающее устройство 3, в котором Кевлар растягивается (нагружение Кевлара увеличивает усилия в средствах локализации ударной нагрузки 7 и повышает межволоконное трение в Кевларе) и сжимает упругий материал дистанционной прокладки 4, создавая в месте воздействия воронку. Размеры воронки определяются плотностью и упругостью материала, а также размером зоны, создаваемой, например, высокопрочными швами средств локализации ударной нагрузки 7. В районе высокопрочного шва обеспечивается наибольшая величина межволоконного трения в Кевларе. Увеличение количества высокопрочных швов до определенного уровня приводит к росту силы межволоконного трения, выравниванию степени нагружения высокопрочных нитей Кевлара и уменьшению размеров воронки. При воздействии поражающего элемента на энергопоглощающее устройство 3 межволоконное трение возрастает по мере увеличения силы сжатия упругого материала дистанционной прокладки 4 со стороны энергопоглощающего устройства 3, уменьшается доля не нагруженных высокопрочных нитей, выравнивается усилие в них, в результате объем полезной работы, выполняемой внутренней защитой 2 возрастает и поглощается дополнительная кинетическая энергия поражающего элемента. Применение скрепляющей пленки 8 усиливает описанный эффект, а также герметизирует Кевлар, увеличивая срок его службы. Указанный эффект еще более усиливается при изготовлении энергопоглощающего устройства 3 из отдельных листов оптимального размера, которые запаиваются в скрепляющую пленку 8, после чего они укладываются в чехол 5 с перекрытием и фиксируются высокопрочными нитями. Указанные меры существенно повышают эффективность использования Кевлара и сокращают количество слоев баллистической ткани.
После достижения предела прочности высокопрочных нитей Кевлара поражающий элемент, потеряв часть кинетической энергии, прорывает второе энергопоглощающее устройство 3 и воздействует на материал дистанционной прокладки 4.
На третьем этапе («в» фиг. 3).
Поражающий элемент, в результате взаимодействия с материалом дистанционной прокладки 4, разворачивается и широким боком (снижается вероятность пробития) воздействует на броневую защиту 1, которая прогибается под воздействием поражающего элемента и отбрасывает его (т.е. выполняет рикошет) в дистанционную прокладку 4.
В результате взаимодействия с материалом дистанционной прокладки 4, поражающий элемент разворачивается и широким боком воздействует на энергопоглощающее устройство 3, в котором Кевлар растягивается и нагружает средства локализации ударной нагрузки 7, увеличивая силу сжатия на энергопоглощающее устройство 3, дистанционную прокладку 4 и внутреннюю защиту 2 в целом, повышая, тем самым, межволоконное трение в Кевларе и вовлекая в работу ранее не задействованные нити. Потеряв оставшуюся часть кинетической энергии, поражающий элемент застревает в Кевларе.
Средства локализации ударной нагрузки 7 значительно уменьшают нагрузку на элементы устройства крепления 6 обеспечивая изобретению повышенную надежность работы крепежных элементов и исключение периодического технического обслуживания и ремонта изделия.
Вышеописанный эффект еще более усиливается при изготовлении энергопоглощающего устройства 3 из отдельных листов Кевлара оптимального размера, которые запаиваются в скрепляющую пленку 8 с глубоким проникновением, после чего они укладываются в чехол 5 с перекрытием и фиксируются высокопрочными швами. Указанные меры существенно повышают эффективность использования энергопоглощающего устройства 3 и сокращают количество слоев дорогостоящей спецткани Кевлар.
Влияние элементов изобретения на технический результат было установлено в ходе огнестрельных испытаний пяти различных опытных образцов, каждый из которых содержал два одинаковых бронепакета в составе: фрагмент (200×200 мм) бронелиста броневой защиты 1 и фрагмент внутренней защиты 2 и элементы устройства крепления 6. В ходе проведения испытаний бронепакеты устанавливались на линии огня друг за другом на заданном расстоянии (2,5 м - ширина между бронебортами автомобиля), была создана система «1-2 - 2-1» - фрагмент модели защищаемого отсека. Факт отсутствия рикошета и осколков в пространстве между бронепакетами определялся по результатам повреждения бумажных свидетелей. По результатам испытаний установлено:
- изобретение (в полном составе: согласно пп. 1-3 формулы) обеспечило исключение рикошета с минимальным количеством слоев Кевлара (опыт 1);
- техническое решение, выполненное согласно пунктов 1 и 2 формулы изобретения, обеспечило исключение рикошета с повышенным (относительно опыта 1) количеством слоев Кевлара (опыт 2);
- техническое решение, выполненное согласно пункта 1 формулы изобретения, обеспечило исключение рикошета с повышенным (относительно опыта 2) количеством слоев Кевлара (опыт 3);
- техническое решение, выполненное согласно пункта 1 формулы изобретения частично (без средств локализации ударной нагрузки 7), обеспечило исключение рикошета с повышенным (относительно опыта 3) количеством слоев Кевлара и усиленным креплением Кевлара (опыт 4);
- прототип (Кевлар растянут на пространственном каркасе) обеспечил исключение рикошета с повышенным (относительно опыта 4) количеством слоев Кевлара и усиленным креплением Кевлара (опыт 5);
- трудоемкость проектирования, изготовления и эксплуатации изобретения (опытный образец для опыта 1 - швейное изделие) существенно ниже прототипа (опытный образец для опыта 5 - Кевлар на металлическом каркасе).
Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает существенное увеличение эффективности работы Кевлара, сокращение трудоемкости проектирования, изготовления и эксплуатации защиты.
Изобретение соответствует критерию «ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ», так как описание патента содержит назначение изобретения (его составных частей), средства и методы, с помощью которых возможно осуществление изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в каждом из пунктов формулы изобретения, приведены примеры осуществления составных частей изобретения.
Перечень литературы
1. С. Lawrence High Performance Textiles and Their Applications// Woodhead Publishing. - 2014. - C. 99 (Kevlar).
2. http://newchemistry.ra/letter.php?n_id=864
3. ГОСТ P 50963-96. Защита броневая автомобилей. Общие технические требования.
4. Дворин Л.И., Дворин О.Л. Строительное материаловедение. - М.: Инфра-Инженерия, 2013. - 832 с.
5. Батраков А. Н., Амплеева И. А., "Сшитые и несшитые пены, их сходство и различие", Промышленное и Гражданское Строительство 9/2005, Издательство "ПГС", ISSN 0869-7019.
6. Прижижецкий СИ., Самсоненко А. В. "Новый стандарт проектирования тепловой изоляции оборудования и трубопроводов.", Промышленное и Гражданское Строительство 12/2008, Издательство "ПГС", ISSN 0869-7019.
7. http://alsts.m/tkani/kamuflirovannye-tkani/tkan-oksford-600-kamuflyazh.html
8. ГОСТ 1759.0-87 Болты, винты, шпильки и гайки. Технические условия.
9. Патент RU 2147721, опубл.: 20.04.2000.
10. ГОСТ 24222-80. Пленка и лента из фторопласта-4. Технические условия.