БРОНЕВАЯ ПЛАСТИНА

Область техники, к которой относится предлагаемая полезная модель
Предлагаемая полезная модель относится к баллистической броне, в частности, к такой броне, которая выполнена с возможностью использования в качестве наружной брони для военных транспортных средств.
Предпосылки создания предлагаемой полезной модели
Известна баллистическая броня, имеющая главную броневую панель и дополнительную, вспомогательную броневую панель, которая выполнена в виде перфорированной или пазовой пластины, обычно выполненной из стали или другого баллистического материала и установленной на расстоянии от упомянутой главной брони и способной эффективно разрушать прилетающие поражающие элементы или по меньшей мере отклонять их от их начальной траектории и, таким образом, существенно уменьшать их остаточную способность проникать сквозь основную броню.
Броня, в которой по меньшей мере частично используются перфорированные пластины, раскрыты, например, в следующих публикациях: US 5.014.593, US 5.221.807, EP 1.128.154, US 2006/0213360 и US 2005/0257677.
Известны также броневые пластины, имеющие слой из цилиндрических керамических гранул с пустотами между ними, в публикации IL 115397 раскрывается применение одной из таких пластин в составе многослойной броневой панели.
В публикации US 6.408.734 раскрывается применение броневой пластины подобной той, которая описана в вышеупомянутой публикации IL 115397, и предлагается заполнение/замена некоторых гранул элементами, имеющими выступы, входящие в пустоты между соседними гранулами, при этом упомянутые элементы выполнены из того же керамического материала, что и гранулы.
В публикации US 6.575.075 раскрывается броневая пластина, подобная той, которая описана в вышеупомянутой публикации IL 115397, содержащая слой из керамических гранул, каждая из которых имеет канал, ориентированный перпендикулярно фронтальной поверхности пластины и предназначенный для уменьшения массы броневой пластины.
1
P
2
2
1
OUT
P
IN
IN
OUT
В патенте США US 8.234.965, выданном на имя заявителя настоящей заявки, раскрывается броневая пластина для использования с целью баллистической защиты от поражающих элементов, прилетающих с некоторого ожидаемого удароопасного направления, при этом упомянутая броневая пластина имеет наружную поверхность, обращенную навстречу ожидаемой угрозе, и снабжена слоем из гранул первого типа, выполненных из баллистического материала, имеющего высокую плотность S и характеристический диаметр D, и гранул второго типа, которые имеют секцию низкой плотности с центральной осью, направленной поперек упомянутой наружной поверхности, вдоль которой по меньшей мере частично простирается упомянутая секция низкой плотности, при этом упомянутая секция низкой плотности упомянутых гранул второго типа имеет плотность S, величина которой находится в следующем диапазоне: 0≤S≤S, при этом гранулы второго типа имеют наружный характеристический диаметр D, который по существу равен диаметру D, и секция низкой плотности имеет внутренний характеристический диаметр D, такой что D<D, при этом каждая из гранул второго типа окружена только гранулами первого типа.
В броневой пластине, описанной в вышеуказанной публикации, гранулы высокой плотности имеют концы, которые закруглены с одинаковым радиусом кривизны. Ввиду того что в описанной выше броневой пластине гранулы имеют задние концы, закругленные с радиусом кривизны, который по существу равен относительно малому радиусу передних концов, при этом площадь поверхности контакта между гранулами высокой плотности и гранулами низкой плотности относительно невелика.
Целью предлагаемой полезной модели является создание броневой пластины с гранулами высокой плотности, задние концы которых закруглены с увеличенным радиусом кривизны, и, тем самым, усиление поддержки гранул низкой плотности со стороны соседних гранул высокой плотности.
Кроме того, при таком решении обеспечивается создание броневой пластины с повышенными защитными характеристиками по отношению к поражающим элементам, характеристический диаметр которых больше, чем характеристический диаметр гранул высокой плотности.
Краткое описание предлагаемой полезной модели
1
P
2
2
1
OUT
P
IN
IN
OUT
Согласно одному аспекту осуществления предлагаемой полезной модели обеспечивается создание броневой пластины, предназначенной для использования при баллистической защите объекта от поражающих элементов, прилетающих с направления ожидаемой угрозы, при этом пластина имеет наружную поверхность, обращенную навстречу ожидаемой угрозе, и содержит главный броневой слой с гранулами первого типа, выполненными из баллистического материала высокой плотности S и имеющими характеристический диаметр D, и гранулами второго типа, которые имеют секцию низкой плотности с центральной осью, которая ориентирована поперек упомянутой наружной поверхности и вдоль которой по меньшей мере частично простирается упомянутая секция низкой плотности, при этом эта секция низкой плотности гранул второго типа имеет плотность S, которая находится в диапазоне 0≤S≤S, при этом гранулы второго типа имеют характеристический диаметр D, который по существу равен упомянутому диаметру D, и секция низкой плотности имеет внутренний диаметр D, такой что D<D, при этом каждая из гранул второго типа окружена только гранулами первого типа; при этом каждая из по меньшей мере гранул первого типа имеет корпус с осью симметрии, искривленный выпуклым образом или куполообразный передний конец, способный принимать ударное воздействие, и противоположный ему задний конец, имеющий центральную часть и периферийную часть, сопряженную с упомянутым корпусом, при этом упомянутая периферийная часть имеет, по меньшей мере на ее части, такую ориентацию относительно оси симметрии, которая отличается от ориентации центральной части, по меньшей мере на виде в поперечном сечении гранулы по плоскости, в которой лежит упомянутая ось симметрии, характеризующейся тем, что радиус кривизны переднего конца отличается от радиуса кривизны заднего конца.
В тексте настоящей заявки термин «характеристический диаметр» гранулы или ее части относится к поперечному сечению гранулы перпендикулярно ее центральной оси и означает:
- просто диаметр в случае круговой формы поперечного сечения гранулы или
- диаметр наибольшей вписанной окружности в случае некруговой формы поперечного сечения гранулы.
Термин «баллистический материал» означает твердый материал, способный оказывать сопротивление проникновению поражающего элемента.
Радиус кривизны заднего конца гранулы может быть больше, чем радиус кривизны ее переднего конца. Благодаря такому решению обеспечивается увеличение площади поверхности контакта между гранулами низкой плотности и гранулами высокой плотности.
Краткое описание прилагаемых чертежей
Для понимания предлагаемой полезной модели и действий по ее осуществлению дальнейшее объяснение будет проводиться на вариантах ее осуществления, которыми, однако, объем предлагаемой полезной модели не ограничивается, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1A на виде спереди изображена броневая пластина согласно одному из вариантов осуществления предлагаемой полезной модели.
На фиг. 1B часть броневой пластины, изображенной на фиг. 1A, показана на виде сверху.
1
На фиг. 1C в сечении вдоль центральной оси A показана гранула, использованная в броневой пластине, изображенной на фиг. 1A и фиг. 1B.
2
На фиг. 1D в сечении вдоль центральной оси A показана полая гранула, использованная в броневой пластине, изображенной на фиг. 1A и фиг. 1B.
На фиг. 2 на виде спереди изображена броневая пластина согласно другому варианту осуществления предлагаемой полезной модели.
На фиг. 3 на виде спереди изображена броневая пластина согласно еще одному варианту осуществления предлагаемой полезной модели.
На фиг. 4 в аксонометрии схематично показана броневая система согласно одному из вариантов осуществления предлагаемой полезной модели.
На фиг. 6A, фиг. 6B проиллюстрированы примеры осуществления гранулы, которая может быть использована в броневой пластине, изображенной на фиг. 1A и фиг. 1B, при этом гранулы показаны в сечении по плоскости, в которой лежит ось симметрии гранулы.
На фиг. 6 и фиг. 7 в увеличенном масштабе показаны области сопряжения между корпусом и передним и/или задним концом гранулы, которая может быть использована в броне согласно предлагаемой полезной модели.
На фиг. 8 схематично на виде сбоку показана в разрезе композитная броневая пластина согласно одному из примеров осуществления предлагаемой полезной модели.
На фиг. 9 в аксонометрии схематично показана форма, пригодная для использования при изготовлении броневой пластины, изображенной на фиг. 8.
На фиг. 10 форма, изображенная на фиг. 9, показана в аксонометрии с передним слоем находящейся в ней броневой пластины.
На фиг. 11 форма и передний слой, изображенные на фиг. 10, показаны на виде сверху вместе с гранулами, находящимися в форме.
Подробное описание предлагаемой полезной модели
C
На фиг. 1A, фиг. 1B и фиг. 1C проиллюстрирован пример осуществления броневой пластины 10 согласно предлагаемой полезной модели, разработанной, как будет подробно описано далее, сконструированной для использования при баллистической защите базовой структуры B, например, боковой стенки транспортного средства от поражающих элементов P калибра D, прилетающих с направления О ожидаемой угрозы (как показано на фиг. 2).
Броневая пластина 10 содержит слой 11 из цельных гранул 12 (гранулы первого типа) и полых гранул 22 (гранулы второго типа), заключенных в оболочечный материал 13. Броневая пластина 10 имеет внутреннюю поверхность 16 и наружную поверхность 18, и это далее будет описано со ссылками на ось A, которая простирается по толщине броневой пластины между ее внутренней поверхностью 16 и наружной поверхностью 18.
1
P
1
Цельные гранулы 12 выполнены из баллистического броневого материала высокой плотности, например, из керамики, в частности, из диоксида алюминия, карбида кремния, карбида бора и т.п. Как можно видеть на фиг. 1C, каждая цельная гранула 12 длиной L имеет цилиндрическое тело 14 с диаметром D, передний конец 14а, задний конец 14b и центральную ось симметрии A. Упомянутые передний конец 14a и задний конец 14b цельной гранулы 12 выполнены со скошенными кромками, хотя это не является существенным признаком предлагаемой полезной модели.
OUT
2
2
IN
2
OUT
P
IN
IN
C
C
2
2
1
Полые гранулы 22 могут быть выполнены из материала, имеющего более низкую плотность, например, из алюминиевого сплава, титанового сплава, других металлических сплавов или из прочного пластического материала. Каждая полая гранула 22 имеет корпус 24 с наружным диаметром D и длиной L, центральную ось A и сквозной канал 26 с внутренним диаметром D, простирающийся вдоль упомянутой центральной оси A. Упомянутый наружный диаметр D по существу равен диаметру D цельных гранул 12, а величина внутреннего диаметра D удовлетворяет условию D<D, где D - это калибр тех поражающих элементов, против которых броневая пластина 10 обеспечивает эффективную баллистическую защиту (как будет более подробно описано далее). Толщина T полых гранул 22, которая равна разности их наружных и внутренних диаметров, может быть такой, что эти полые гранулы могут считаться тонкостенными цилиндрами. Например, толщина T может составлять величину в диапазоне от 0,45 мм до 0,55 мм, предпочтительно - в диапазоне от 0,49 мм до 0,51 мм. Что касается длины L полых гранул 22, то она по существу удовлетворяет условию L≤L.
1
2
При нахождении в слое 11 внутри оболочки 13, как показано на фиг. 1B, передние концы 14a цельных гранул обращены к наружной поверхности броневой пластины 10. Цельные гранулы 12 и полые гранулы 22 расположены таким образом, что их центральные оси A и A, соответственно, параллельны центральной оси A броневой пластины 10.
В рассматриваемом примере цельные гранулы 12, полые гранулы 22 и сквозные каналы 26 в полых гранулах 22 имеют цилиндрическую форму, то есть, их центральные поперечные сечения, являющиеся сечениями по плоскости, перпендикулярной их центральным осям, являются круговыми. Однако цельные гранулы 12, полые гранулы 22 и сквозные каналы 26 в полых гранулах 22 могут иметь любые другие подходящие формы, - одну и ту же либо разные, и в таком случае диаметры, которые указаны выше, следует понимать как характеристические диаметры, то есть, диаметры воображаемых окружностей, вписанных в их центральные поперечные сечения (не показаны).
1
N
1
N
2
N-1
В слое 11 цельные гранулы 12 и полые гранулы 22 расположены регулярно с образованием N параллельных рядов R (на фиг. 1A ориентированы горизонтально). В примере осуществления предлагаемой полезной модели, проиллюстрированном на фиг. 1A, фиг. 1B и фиг. 1C, все ряды B, кроме крайних рядов R и R, содержат как цельные гранулы 12, так и полые гранулы 22. Упомянутые крайние ряды R и R содержат только цельные гранулы 12. В каждом из некрайних рядов от R до R каждая полая гранула 22 отделена от ближайшей к ней другой полой гранулы 22 двумя цельными гранулами 12. При таком расположении полые гранулы 22 образуют несвязные столбцы (на фиг. 1A ориентированы вертикально), параллельные воображаемым прямым C.
2
N-1
Каждая из полых гранул 22 в рядах от R до R окружена только цельными гранулами 12. В рассматриваемом примере, в котором расположение гранул имеет гексагональную структуру, вокруг каждой полой гранулы 22 находится шесть цельных гранул 12. Однако, если бы расположение гранул имело другую структуру, например, квадратную (на чертежах не показана), то каждая полая гранула была бы окружена четырьмя цельными гранулами.
R
R
2
2
Броневая пластина 10, описанная выше, имеет массу W, которая по существу удовлетворяет условию W≤0,67W, где W к это масса эталонной броневой пластины (не показана), в которой все полые гранулы 22 замещены цельными гранулами 12. В рассматриваемом примере соотношение цельных и полых гранул дает разницу в массе единицы площади между эталонной броневой пластиной и броневой пластиной 10 приблизительно 6,8 кг/м. При сравнении броневой пластины 10 с обычной перфорированной броневой пластиной, выполненной из стали, например, стандартной стальной перфорированной броневой пластиной толщиной приблизительно 8 мм и массой приблизительно 37 кг/м, имеющей по сравнению с броневой пластиной 10 то же или подобное расположение и геометрические характеристики отверстий, уменьшение массы единицы площади может достигать 50%.
Количество цельных гранул, располагающихся между каждыми двумя ближайшими полыми гранулами в броневой пластине 10 и их расположение в рядах могут быть разными. Два примера таких альтернативных решений броневой пластины 10 проиллюстрированы на фиг. 2 и фиг. 3.
C
U
U
C
На фиг. 2 проиллюстрирован другой пример броневой пластины 10' согласно предлагаемой полезной модели. Броневая пластина 10' отличается от броневой пластины 10 расположением цельных гранул 12 и полых гранул 22 в слое 11. Броневая пластина 10' имеет разнородные ряды R, содержащие как цельные гранулы 12, так и полые гранулы 22, и однородные ряды R, содержащие только цельные гранулы 12. С каждым однородным рядом R соседствуют два однородных ряда R.
C
C
C
Полые гранулы 22 в броневой пластине 10' отделены друг от друга вдоль неоднородного ряда R одной цельной гранулой 12. Кроме того, все неоднородные ряды R имеют сходное строение, то есть, расположение полых гранул 22 во всех неоднородных рядах R является подобным.
R
R
2
Подобно тому, как это имеет место для броневой пластины 10, в броневой пластине 10' каждая из полых гранул 22 окружена цельными гранулами 12. Масса W' броневой пластины 10' по существу удовлетворяет условию W'=W≤0,75W, где W - это масса эталонной броневой пластины, о которой говорилось выше. В рассматриваемом примере это соотношение дает разницу в массе единицы площади между эталонной броневой пластиной и броневой пластиной 10' приблизительно 5 кг/м.
C
C
На фиг. 3 проиллюстрирован другой пример броневой пластины 10'' согласно предлагаемой полезной модели. Броневая пластина 10'' по существу имеет такое же строение, что и рассмотренная выше броневая пластина, изображенная на фиг. 2, отличаясь от нее только тем, что полые гранулы 22 в каждом неоднородном ряду R располагаются со смещением относительно полых гранул 22 в одном или обоих соседних неоднородных рядах R. Следовательно, масса W'' броневой пластины 10'' по существу равна массе W' броневой пластины 10'.
Броневая пластина 10 по любому из рассмотренных выше примеров содержит также связующую матрицу 26 (см. фиг. 1B), которая охватывает цельные и полые гранулы и выполнена с возможностью удержания зафиксированного массива гранул. Упомянутая матрица 26 может быть выполнена из термопластичного или термоотверждающегося материала.
Броневая пластина 10 может изготовляться способом, раскрытым в заявке на патент США US 2007/003407, поданной заявителем настоящей заявки, содержание которой включается в настоящую заявку по ссылке. Отличия состоят главным образом в том, что при выстраивании цельных гранул 12 в полости формы внутри оболочечного материала 13, покрывающего стенки полости формы, полые гранулы 22 вставляют между цельными гранулами 12 вместо гранул 12 в соответствии с построениями, описанными выше, а также в том, что броневая пластина 10 не имеет дополнительных слоев (за исключением оболочечных), таких как тыльный слой.
IN
C
Как показано на фиг. 4, броневая пластина 10 может быть использована как часть броневого узла 28, который включает также главную броневую панель 31, при этом броневой узел 28 выполнен с возможностью обеспечивать защиту структуры В от прилетающих поражающих элементов P. В случае, когда калибры поражающих элементов P находятся в некотором диапазоне, диаметр D отверстий может быть, как говорилось выше, выбран на основе самого мелкого калибра D. В альтернативном варианте диаметр отверстий может быть выбран на основе калибра, который превышает самый мелкий калибр упомянутого диапазона, и в таком случае броневой узел может принадлежать к тому типу, который описан в поданных заявителем настоящей заявки заявках на патенты США US 2006/0213360 и US 2005/0257677, содержание которых включается в настоящую заявку по ссылке.
В частности, в рассматриваемом броневом узле 28 броневая пластина 10 включает вспомогательную броневую панель 30, которая расположена перед главной броневой панелью 31, будучи отнесенной от нее на предварительно заданное расстояние X, так что наружная поверхность 18 броневой пластины 30 обращена по направлению O навстречу ожидаемой угрозе. Броневой узел 28 может быть прикреплен к структуре B с помощью болтов 34, которые могут быть одновременно использованы для удержания вспомогательной броневой пластины 30 на заданном расстоянии X от главной броневой панели 31.
IN
IN
S
S
M
IN
M
G
G
Упомянутая вспомогательная броневая панель 30 выполнена с возможностью отклонять и раздроблять или, по меньшей мере, дестабилизировать прилетающие поражающие элементы P определенного диапазона калибров, которые ударяются в нее. Если главная броневая панель 31 такова, что она не может одна или вместе со структурой В остановить какой-либо из таких поражающих элементов, то величина внутреннего диаметра D полых гранул 22 должна удовлетворять следующему условию: D<D. где D это самый мелкий калибр из диапазона калибров поражающих элементов. Однако, если главная броневая панель 31, одна или вместе со структурой B, может останавливать поражающие элементы минимального калибра D, то внутренний диаметр D полых гранул 22 может быть больше, чем D, но меньше, чем D, где D это калибр, больший, чем самый мелкий калибр из диапазона калибров поражающих элементов.
Теперь обратимся к чертежам от фиг. 5A до фиг. 7, на которых показаны цельные гранулы 120 для формирования броневой пластины 100 (см. фиг. 8) согласно другому варианту осуществления предлагаемой полезной модели. Броневая пластина 100 содержит также полые гранулы 140, как описано выше.
Каждая гранула имеет цилиндрический корпус 200, имеющий ось симметрии X, куполообразный передний конец 220 и куполообразный задний конец 240. Примеры возможных форм гранул 120 проиллюстрированы на чертежах от фиг. 5A до фиг. 5C, где каждая гранула имеет центральную часть 240' и периферийную часть 240”, имеющую ориентацию относительно оси X, которая отличается от ориентации центральной части, так что периферийная часть образует с осью X угол, отличающийся от угла, образуемого с осью X центральной частью (в случае, когда центральная является плоской), или угол, отличающийся от угла, образуемого с осью X касательной к центральной части в точке ее пересечения с осью X (в случае, когда центральная часть искривлена). В частности:
- в грануле, изображенной на фиг. 5A, центральная часть 240' заднего конца 240 является плоской, а его периферийная часть 240'' является сферической с радиусом кривизны R1, который больше, чем радиус кривизны R2 переднего конца 220;
- в грануле, изображенной на фиг. 5B, центральная часть 240' заднего конца 240 является плоской, а его периферийная часть 240'' имеет форму усеченного конуса; и
- в грануле, изображенной на фиг. 5С, центральная часть 240' заднего конца 240 и его периферийная часть 240'' - обе являются частью одной сферической поверхности с радиусом кривизны R1.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором размер d центральной части 240' заднего конца гранул, таких как проиллюстрированные на фиг. 5A и фиг. 5B, находится в диапазоне 0,2D≤d≤0,9D, где D это диаметр цилиндрического корпуса 200 гранулы.
Вообще говоря, у каждой гранулы отношение ее диаметра D к ее общей высоте H может находиться в диапазоне от 1:1 до 4:1 (D:H=1:1-4:1). А конкретно, диаметр гранулы D может превышать ее общую высоту H как показано на фиг. 3C. В таком случае отношение D:H может находиться в диапазоне от 1,7:1 до 3:1. Кроме того, отношение общей высоты H гранулы к высоте h ее цилиндрического корпуса может находиться в диапазоне от 1,1:1 до 1,9:1.
Степень кривизны переднего конца обычно больше, чем степень кривизны заднего конца. В частности, когда оба конца гранул является сферическими, их радиусы R'1 и R'2 таковы, что радиус R'1 заднего конца больше, чем радиус R'2 переднего конца, как это можно видеть на фиг. 3C. В общем, отношение R'1:R'2 может находиться в диапазоне от 1,1:1 до 4:1, предпочтительно- в диапазоне от 1,5:1 до 3:1, и еще более предпочтительно - в диапазоне от 1,7:1 до 2,5:1.
Тело 200 каждой гранулы имеет край 210, и каждый из ее переднего и заднего концов 220 и 240, соответственно, имеет край 230 и 250, соответственно, которые могут отстоять друг от друга в области перехода тела 200 к переднему и/или заднему концу, как можно видеть, например, на фиг. 6 и фиг. 7.
Как уже указывалось выше в связи с броневой пластиной 10, броневая пластина 100 может изготовляться способом, раскрытым в заявке на патент США US 2007/003407, поданной заявителем настоящей заявки.
Как показано на чертежах от фиг. 8 до фиг. 11, гранулы 120 выстроены в полости 320 формы 280 в виде сотовой структуры или иным обеспечивающим преимущество образом для образования главный броневой слой (см. фиг. 11), при этом их куполообразные передние концы 220, обращенные к днищу полости 320. Боковые стенки 300 формы 280 сдвигаются до тех пор, пока гранулы главного броневого слоя 180 не окажутся плотно упакованными.
Связующий материал вводится в форму 280 для заполнения зазоров между гранулами и полностью покрывает их, в том числе их задние концы 240, достигая передних концов 220 гранул 120 и 140, которые в данном случае обращены книзу. Связующая матрица 260 выполнена с возможностью связывания гранул 120 и 140 между собой и с соседними слоями.
Благодаря куполообразной форме передних концов 220 гранул главного броневого слоя 180, связующий материал полностью покрывает поверхность гранул и поверхность фронтального слоя 190, обеспечивая повышение связывания (адгезии) фронтального слоя с главным броневым слоем 180.
Благодаря тому, что, как описывалось выше, задние концы 240 гранул 120 имеют периферийные части 240'', количество связующего материала в областях 230 броневой пластины (см. фиг. 8) между центральными частями 240' соседних гранул 180 увеличивается, повышая, тем самым, связывание гранул друг с другом в этих областях.
Наконец, благодаря тому, что радиус кривизны задних концов 240 цельных гранул 120 уменьшен относительно радиуса кривизны их передних концов 220, площадь S поверхности контакта (см фиг. 8) между цельными гранулами 120 и полыми гранулами 140 увеличивается, обеспечивая, тем самым, лучшую опору для полых гранул 140.
Броневая пластина 10 может использоваться также и без главной броневой панели, описанной выше, и это касается, в частности, бронированных транспортных средств, например, грузовых машин, у которых нет места для размещения главной броневой панели.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что без выхода за объем предлагаемой полезной модели возможны ее многочисленные варианты и модификации, mutatis mutandis.