УДАРОСТОЙКИЙ ЩИТОК СО ЗНАЧИТЕЛЬНЫМ СНИЖЕНИЕМ ЗАПРЕГРАДНОГО ДАВЛЕНИЯ ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ И ОГНЕСТРЕЛЬНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Полезная модель относится к области индивидуальных средств защиты против динамических ударных воздействий с эффектом снижения запреградного действия, что обеспечено арочной рессорной многослойной конструкцией с последовательным расположением листов изогнутых по радиусу, перераспределяющих и уменьшающих внешнюю ударную нагрузку от листа к листу. Ударостойкий щиток позволяет повысить сопротивляемость внешней ударной нагрузке от ударных воздействий тяжелыми предметами (топором, кувалдой, битой, кастетом, обрезков арматуры или трубы, от бросков бутылок, камней), ударов колющих предметов и от пуль стрелкового оружия в случае дополнительной защиты за бронежилетом, если сравнивать с обычными видами брони, индивидуальных средств защиты, бронежилетов (БЖ).
Известны принципы защиты, основанные не на стандартном подборе материалов преграды с улучшенными прочностными характеристиками, а на реактивных, динамических или механических, в частности, инерционных эффектах. Например, многослойная инерционная защита [RU 2226253 C2, 27.03.2004], включающая не менее двух рядов защитных элементов, закрепленных с зазором между рядами на или в держателях так, чтобы при воздействии на них средства поражения они отрывались от держателей. Защитные элементы установлены так, что отношение массы отдельного защитного элемента к его способности противостоять пробивающему действию поражающего фактора возрастает от первого к каждому последующему ряду и/или возрастает зазор между рядами, начиная от зазора между первым и вторым рядом.
Использование специальных динамических или механических эффектов в защитных конструкциях в целом повышает защиту от импульсных воздействий ударников.
Но в результате литературно-патентного поиска не обнаружены конструкции, защищающие от динамических воздействий пуль, ударов колющих предметов, топоров и т.п., основанные на арочном или рессорном принципе, который положен в основе предлагаемой ударостойкой защиты. Практически отсутствуют литературные данные о бронеконструкциях, обеспечивающих максимальное снижение запреградного эффекта при ударных, осколочных и пулевых воздействиях.
Предложен ударостойкий щиток, защитное действие которого основано на принципе сопротивления внешнему воздействию арочной каркасной системы, состоящей из листов в форме сегментов труб, соединенных по степени распределения нагрузки от элемента к элементу, переводя мощное точечное воздействие от фронтальной пластины к равномерному уменьшенному нагружению всей тыльной пластины. Ударостойкий щиток повышает защиту от пуль стрелкового оружия при дополнении к БЖ, ударных воздействий тяжелыми предметами (топором, кувалдой, битой и т.п.), а так же колющими предметами. Основная цель разработанной защиты - снизить уровень механического запреградного воздействия от БЖ. Применяется как самостоятельное изделие или дополнение к БЖ.
Технический результат направлен на повышение индивидуальной бронезащиты за счет принципиально новой механической конструкции с использованием жесткого арочного рессорного эффекта пакета не жестко связанных между собой пластин для перераспределения и снижения внешней нагрузки.
Технический результат достигается тем, что ударостойкий щиток со значительным снижением запреградного давления от механических и огнестрельных воздействий выполнен в виде многослойной жесткой каркасной пружинящей арочной конструкции рессорного типа, с последовательным наложением друг на друга изогнутыми по радиусу листов, перераспределяющих внешнюю ударную нагрузку от листа к листу, причем зазоры между листами от 0.15 до 6-8 мм заполнены эластичным клеящим материалом или межкарманной тканью.
Разработка ударостойкой конструкции основана на анализе проблем различных типов защиты.
Группа огнестрельного воздействия. В штатном случае имеем запреградный эффект максимально травматичный при надевании бронежилета на гимнастерку и минимальный при одевании на бушлат. Если имеем нерасчетно высокое ударное воздействие, то бронежилет оказывается на грани пробития с максимально опасным запреградным эффектом.
Группа механического осколочного воздействия. Происходит от ударов осколков высокоэнергетичных или ослабленных прямых и вторичных, так же рикошетных. Могут быть поражающие элементы кассетного боеприпаса массового поражения живой силы, иглы, шарики, фрагменты насечек оболочек гранат и поражающих элементов. Здесь все не предсказуемо, непрогнозируемая энергия удара. Можно получить любой запреградный эффект.
Группа механического колющего проникающего воздействия. «Мягкие» бронежилеты (без вкладыша дополнительных пластин стальных или керамических) штатно держат пулю, но легко пробиваются от руки колющим оружием и предметами: ударом шилом, заточкой, кинжалом, стилетом. В этом случае арамидная баллистическая ткань работает не на разрывное вытягивание и удерживание волокон каждого тканого слоя, а на легкое раз-движение в стороны волокон текстильной ткани, причем всего пакета ткани. Острие шила, заточки легко входит в микропустоты или в мягкую нить волокон и раздвигает ткань через сжатие волокон и уплотнение пустот ткани. При колющем проникновении арамидная баллистическая ткань (кевлар) не защищает.
Группа механического тяжелого ударного и рубящего воздействия. Мягкий бронежилет способный удержать пистолетную пулю и удар ножа, легко проминается под мощными ударами тяжелым молотком, кастетом, топором, дубиной, тяжелым обрезком арматуры или стальной трубы особенно торцовым тычком, гирькой на цепи, велосипедной цепью. Прогибается и вдавливается от тяжелых предметов с силой брошенных с близких расстояний: камней, железок, стеклянных бутылок. Такие мягкие проминающие, но мощные и глубокие удары особенно опасны в область сердца. Способны сбить или нарушить и остановить сердечную деятельность человека.
Поэтому предложена на рассмотрение защитная конструкция - ударостойкий щиток, выполненный в виде законченного изделия дополнительного к БЖ или самостоятельного применения с универсальными возможностями учитывающие ту или иную степень компенсации вредного воздействия всех четырех групп вышеперечисленных (рис. 1).
Ударостойкий щиток не рассчитан работать как БЖ, он не должен самостоятельно держать пулю. Имеет двойное назначение:
- приоритетно используется как самостоятельное изделие в качестве защиты тела от механических ударов всех типов;
- надевается под БЖ, снижая следствие запреградных воздействий.
3
2
Предлагаемая конструкция представляет собой арочную пластинчатую трехслойную сборку, трубчатого типа (рис. 2), пакетной рессорной сборки. В качестве опытного образца выполнен из миллиметрового титана марки ВТ 1-0 (плотность 4.501 г/см, твердость НВ=140-200 кг/мм) - щиток рессорного типа (рис. 3) с габаритными размерами 300×350 мм.
Для испытаний была изготовлена более экономичная, но полноценная модель с разными по высоте размерами пластин (рис. 2). Усиленная защита области сердца реализуется в конструкции со смещением пластин в область расположения сердца.
В реальности все три пластины 1, 2 и 3 (рис. 4) рекомендуется выполнять одинаковой высоты. Жестче работает, большую площадь прикрывает.Чуть дороже, но надежность защиты гораздо выше и не центральная, локально областная или точечная, а линейная долевая широкополосная.
Арочный принцип и был выбран для конструкции щитка с центральными ударными нагрузками. Выпуклость от запреградного эффекта станет рабочей нагрузкой арочного щитка.
Арочная конструкция не плоскостная балочная с двумя точками опоры, а желобовая пустотело-каркасная, с опорой на два ребра A-A', B-B', C-C' (рис. 5). Арки опираются на две точки опоры, или на две линии опоры. Здесь двойной суммарный эффект прочности. Арка работает как арка с эпюрами арочных нагрузок, одновременно как пустотелая труба, полужелоб, который ударом просто так пополам не сломаешь, не раздавишь; желоб не прогибается, пока не разрушится, тем более титановый.
Применен и третий суммирующий фактор прочности. Рессорный пакет пластин. Желобообразная арка собрана в рессорный пакет арочных пластин 1 убывающего размера (рис. 5).
Из рессорного пакетного принципа для щитка взяты два главных эффекта. Перераспределение центрального приложения силы F по всем пластинам, каждый раз удваиваясь по концам слева и справа (точки A-A', B-B', C-C'), по числу пластин (рис. 6). И большая величина амплитуды пружинности всего пакета.
Рессорные пластины щитка не соединяются намертво между собой. Они должны пружинно “дышать”, под нагрузкой распрямляясь, порой в обратную сторону, удлиняя опорное основание, и заново сжимаются, свободно двигаясь внутри скоб боковых поперечно ограничительных. В предлагаемой конструкции, под действием запреградной нагрузки, пластины, распрямляясь, так же должны свободно двигаться относительно друг друга, но не быть соединены сваркой, болтами, клепками, овальными отверстиями с соединительной подвижной клепкой. Должен быть микрозазор. В качестве зазора возможны прокладочные материалы 2 (рис. 5). Лучше всего “мягкое соединение” пластин выполнить, промазав тыльную сторону малой и средней пластины подобранными к титану мягкими клеящими составами или мастиками; лучше двухмиллиметровым слоем каучуков с последующей небольшой термической обработкой в муфельных печах - частичной вулканизацией. Собрать, склеив.
Готовое изделие в виде фартука с карманами, в которых размещаются изогнутые пластины, так же обеспечивает микрозазоры. Изделие с регулирующимися лямками для одевания на шею и крепления лямками через спину (рис. 1).
В арочном рессорном пакете рассчитано перераспределение нагрузок и нагружаются пластины так, что края-ребра и углы конструкции щитка оказываются минимально напряженными, не врезаясь в тело человека. В дополнение ко всему начальные заложенные страховочные размеры и геометрия пакета щитка такова, что почти полностью повторяет геометрию груди человеческого тела: ребра щитка касаются тела человека вскользь, в наклад, практически не упираются в тело. При любом нагружении, т.е. распрямлении щитка, края щитка скользнут вдоль боков человеческого тела и разойдутся в стороны. При этом сам щиток, по мере роста нагрузки, начнет упираться в тело человека сначала своими боковыми внутренними поверхностями, в последнюю очередь центральными, переходя на всю внутреннюю площадь опоры на человека.
В итоге всех суммирующих факторов имеем пусть и сильное, но равномерное давление, короткое нажатие, на тело всего щитка сразу с максимально жесткой защитой области сердца и безопасными краями, углами. Справедливо для запреградных воздействий, происходящих от механических ударов с малыми скоростями и большими нагрузками. Запреградные воздействия от огнестрельных воздействий и от высокоэнергетических осколков импульсных с коротким временем работают по-другому. Щиток по огнестрелу будет эффективен только на остаточных воздействиях их перехватывающий.
Проведены эксперименты по ударному воздействию топором с энергией 350 Дж на стенде испытаний на устойчивость к пробиванию в ИЦ «Самара» СамГТУ (ГОСТ 30826-2001) из расчета максимально возможного тяжелого удара предметом от руки. Выполнены сравнительные испытания. Произведена серия ударов по мягкому БЖ с пластилиновым свидетелем за ним и вторая серия опытных ударов по ударостойкому щитку с тем же пластилиновым свидетелем. Пластилин слоем толщиной 25 мм. Испытываемые образцы устанавливались на имитаторе человеческого тела - мешок со смесью песка и опилок (рис. 7).
По результатам испытаний имеем за БЖ вмятину (рис. 8).
В экспериментах с предлагаемым ударостойким щитком (рис. 9) за ударостойким щитком от удара углом топора имеем на пластине небольшую царапину (рис. 10, 11) и только следы от пружинящего врезающего движения боковых ребер и углов основной пластины на пластилиновом свидетеле (рис. 12). Врезающий боковой эффект 2-3 мм - ребра пластины и углы идут вскользь тела.
Сравнительные испытания конструкции пакета плоских пластин не арочного типа дают изгиб имитатора по всей площади тыльной пластины на 20 мм (рис. 13).
Проведены эксперименты по защите конструкции от оболочечных пуль со свинцовым сердечником патрона 9×19 мм Luger пистолета МР-446С «Викинг» (Россия). Начальная скорость пули 410-435 м/с, масса пули 7.5 г, кинетическая энергия 485-505 Дж. Выстрелы произведены в БЖ 1 класса пулестойкости по ГОСТ Р 51112-97 (рис. 14) без опытного щитка и в БЖ с опытным щитком за ним и далее пластилиновым свидетелем. В результате в первом случае имеем сквозное пробитие БЖ и пластилина (рис. 14).
Выстрел через БЖ с опытным щитком дает сквозное пробитие БЖ и щитка (рис. 15) без упругого прогиба пластин щитка и большой вмятины в свидетеле (рис. 16).
Ударостойкий щиток не рассчитан работать как самостоятельный БЖ, он не должен самостоятельно держать пулю. Одевается под БЖ или используется отдельно.
Себестоимость материалов опытного образца ударостойкого щитка, выполненного из титана ВТ 1-0, без учета на изготовление составляет 1280 рублей на ноябрь 2014 года.
Ударостойкий щиток может быть использован в войсках МВД, армейских войсках и гражданских охранных структурах как самостоятельная противоударная защита, от колюще-рубящего оружия и бросков предметов и дополнительная защита для пулестойких БЖ с целью снижения всех последствий запреградного эффекта.
Листы щитка могут быть изготовлены из ряда других конструкционных материалов или композиционно и таким образом повысить класс пулестойкого БЖ на единицу. Если применить каучуковую промазку толщиной 6-8 мм в смеси с керамической крошкой с подходящей прочностью и дисперсностью (получается 2 слоя в пакете) и вулканизировать, то получим вариант многослойной брони с «мягкой» керамической прослойкой. В этом случае щиток в самостоятельном исполнении может работать как пулестойкий БЖ.