КЕРАМИЧЕСКИЙ БРОНЕЭЛЕМЕНТ И КОМПОЗИТНАЯ БРОНЯ НА ЕГО ОСНОВЕ
CERAMIC ARMOUR ELEMENT, AND COMPOSITE ARMOUR ON ITS BASIS

Изобретение относится к средствам защиты человека и бронированной техники от бронебойных пуль и снарядов, в частности к используемым для этих целей композитным броневым конструкциям.
Броня на основе броневых сталей стала неэффективной после создания и внедрения в последнее десятилетие широкого ряда бронебойных пуль и снарядов с сердечником из упрочненных сталей или специальных твердых материалов. Например, для защиты от бронебойной пули Б-32 винтовки СВД кал. 7,62 мм по 6а классу ГОСТ Р 50963-96 необходимо иметь лист броневой стали толщиной более 13,0 мм, что соответствует массе более 100 кг/м кв. брони. Это обстоятельство стало причиной разработки новых типов брони, в частности композитной брони на основе броневой керамики, обеспечивающей защиту от бронебойной пули Б-32 по 6а классу ГОСТ Р 50963-96 при массе 50-55 кг/м кв.
Известны различные виды композитной брони, например слоистая броня по патенту США №5972819, МКИ С04В 35/10, Н Кл. 501/127, публ. 1999 г. Эта броня содержит дробяще-отклоняющий и задерживающий слои. Дробяще-отклоняющий слой состоит из отдельных корундовых элементов, выполненных в виде цилиндров с выпуклыми торцами и соединенных в едикую панель связующим на основе полимеров. Оси керамических элементов расположены по нормали к наружной поверхности брони. Задерживающий слой выполнен из конструкционного материала на основе арамидных (Kevlar) или полиэтиленовых волокон (Dyneema) и полимерной матрицы. Дробяще-отклоняющий и задерживающий слои соединены в единую конструкцию слоями ткани из арамидных или других волокон. Броня обеспечивает эффективное поглощение и рассеивание энергии пули.
Недостатки этого технического решения - большой вес, низкая эксплуатационная надежность и малая живучесть конструкции. Низкая эксплуатационная надежность обусловлена тем, что при падении, ударах или вибрации происходит отслоение керамического слоя от остальных и резкое снижение баллистической стойкости. Аналогичное явление происходит при попадании пули, что обусловливает снижение баллистической стойкости при последующих попаданиях (низкая живучесть).
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по назначению и совокупности существенных признаков является композитная броня, известная из патента РФ №2329455, МКИ F41H 5/04, публ. 24.01.2007 (прототип).
Эта броня также содержит дробяще-отклоняющий и задерживающий слои. Дробящее-отклоняющий слой состоит из отдельных корундовых элементов, выполненных в виде цилиндров с выпуклыми торцами и соединенных в единую панель связующим на основе полимеров. Оси этих элементов расположены по нормали к наружной поверхности брони. Задерживающий слой выполнен из конструкционного материала на основе алюминия или стали. Дробяще-отклоняющий и задерживающий слои размещены с зазором более 1 мм или между дробяще-отклоняющим и задерживающим слоями размещен слой материала с модулем упругости при сжатии менее 40 ГПа. Броня обеспечивает эффективное поглощение и рассеивание энергии пули. После попадания пули в корундовый элемент этот элемент имеет возможность хотя бы небольшого осевого перемещения. При этом корундовый элемент разворачивается и приводит в движение соседние элементы. По утверждению авторов, чем больше соседних элементов приведены в движение, тем меньше остаточная энергия пули и, следовательно, выше баллистическая прочность брони.
Недостатки этого технического решения - большой вес и малая живучесть конструкции. Основной недостаток прототипа вызван тем, что энергия удара пули жестко передается соседним корундовым элементам, что приводит к их разрушению и снижению живучести композитной брони в целом. Большой вес определяется высотой корундовых элементов цилиндрической формы. Живучесть композитной брони при попадании пули ограничивается распространением трещин через ударное взаимодействие соседних корундовых элементов, их последовательное раскалывание.
Задачей изобретения является создание композитной брони, сохраняющей положительные качества наиболее близкого аналога с одновременным снижением ее массы, повышением живучести брони, приданием композитной броне дополнительных защитных и эксплуатационных свойств.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, а именно керамический бронеэлемент, например, из корунда, характеризующийся тем, что выполнен в виде правильной шестигранной призмы, при этом боковые грани призмы имеют вогнутую форму относительно вертикальной оси.
В пунктах 2-5 формулы изобретения отражены особенности выполнения бронеэлементов.
Боковые грани шестигранной керамической призмы имеют цилиндрическую вогнутую форму, радиус которой в 15-20 раз превышает длину образующей грани правильного шестиугольника.
Один или оба основания шестигранной керамической призмы включают внутреннюю полость, которая образована вогнутым сегментом сферы, при этом основание вогнутого сегмента сферы является вписанной окружностью правильного шестиугольника в основании шестигранной призмы, а высота сегмента сферы составляет от 5 до 15. частей длины образующей шестиугольника.
Один или оба основания шестигранной керамической призмы выполнены плоскими.
Один или оба основания шестигранной керамической призмы выполнены выпуклыми, при этом дополнительная часть основания шестигранной керамической призмы образована сегментом сферы, основание которого является вписанной окружностью правильного шестиугольника в основании шестигранной призмы, а высота сегмента сферы составляет от 5 до 15 частей длины образующей шестиугольника.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 6-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как композитная броня, содержащая дробяще-отклоняющий слой, состоящий из отдельных керамических элементов, соединенных в единую панель связующим на основе полимеров, и задерживающий слой, выполненный из алюминиевого сплава, стали или другого прочного материала, при этом дробяще-отклокяющий и задерживающий слои размещены с зазором заданного размера или между дробяще-отклоняющим и задерживающим слоями размещен слой материала с модулем упругости при сжатии менее 40 ГПа., и отличительных, существенных признаков, таких как отдельные керамические элементы, выполнены в виде правильных шестигранных призм при этом боковые грани призм имеют вогнутую форму относительно вертикальной оси и образуют зазор между боковыми гранями соседних элементов.
Согласно п.7 формулы изобретения зазор между дробяще-отклоняющим и задерживающим слоями дополнительно образован совокупной полостью в форме вогнутых или выпуклых сегментов сферы основания шестигранной керамической призмы.
Согласно пункту 8 формулы изобретения связующее на основе полимеров включает микро- или нанодисперсные частицы, обладающие специальными физическими свойствами, например отражающие, рассеивающие или поглощающие электромагнитные излучения.
Ниже приведена причинно-следственная связь существенных признаков изобретения с достигаемым техническим результатом.
Испытания композиционной брони, изготовленной на основе корундовых элементов в виде цилиндров (защитная структура прототипа), на воздействие пуль Б-32 винтовки СВД кал. 7,62 мм по 6а классу ГОСТ Р 50963-96 показали, что в момент удара пули в цилиндрический корундовый элемент во многих соседних цилиндрических элементах образуются трещины, которые приводят к снижению защитных свойств композитной брони. Следовательно, заданный уровень защитных свойств броневой конструкции обеспечивается путем использования корундовых элементов заведомо большей толщины (высоты), что приводит к увеличению массы брони.
Изготовление керамических элементов в виде правильных шестигранных призм с боковыми гранями, имеющими вогнутую форму относительно вертикальной оси, значительно снижает распространение трещин в композиционной броне при динамическом ударе пули. Связующее на основе полимеров заполняет полость, образованную вогнутыми гранями соседних элементов, и в момент удара препятствует распространению трещины. Таким образом, обеспечивается повышение эффективности предлагаемой композиционной брони за счет снижения ее массы и повышения живучести брони при сохранении положительных качеств прототипа.
В то же время, зазор между соседними элементами не должен превышать определенного размера. Радиус цилиндрической поверхности грани шестигранной керамической призмы в 15-20 раз превышает длину образующей грани правильного шестиугольника, что обеспечивает заданную величину зазора и защитные свойства композиционной брони в местах стыка керамических элементов.
Наличие зазора между дробяще-отклоняющим и задерживающим слоями обеспечивает возможность взаимодействия корундового элемента с соседними элементами, передачу энергии удара соседним элементам через тонкий слой связующего, следовательно, увеличение площади воздействия элементов дробяще-отклоняющего слоя на задерживающий слой и лучшее рассеивание энергии пули.
Изготовление правильных шестигранных призм с фасонной вогнутой формой основания обеспечивает гарантированный зазор между дробяще-отклоняющим и задерживающим слоями и дополнительное снижение массы композиционной брони. Исполнение внутренней полости основания призмы в форме вогнутого сегмента сферы является наиболее технологичным. При этом основание вогнутого сегмента сферы является вписанной окружностью правильного шестиугольника в основании шестигранной призмы, а высота сегмента сферы составляет от 5 до 15 частей длины образующей шестиугольника.
Таким образом, только совокупность перечисленных существенных признаков позволяет решить задачу изобретения - создание композитной брони, сохраняющей положительные качества наиболее близкого аналога с одновременным снижением ее массы и повышением живучести.
В частном случае изобретения дополнительно к вышеизложенной совокупности существенных признаков используются следующие отличительные от наиболее близкого аналога признаки:
- один или оба основания шестигранной керамической призмы выполнены плоскими;
- один или оба основания шестигранной керамической призмы выполнены выпуклыми, при этом дополнительная часть основания шестигранной керамической призмы образована сегментом сферы, основание которого является вписанной окружностью правильного шестиугольника в основании шестигранной призмы, а высота сегмента сферы составляет от 5 до 15 частей длины образующей шестиугольника;
- связующее на основе полимеров включает микро- или нанодисперсные частицы, обладающие специальными физическими свойствами, например отражающие, рассеивающие или поглощающие электромагнитные излучения.
При изготовлении плоских броневых конструкций один или оба основания шестигранных керамических призм композиционной брони могут быть выполнены плоскими. В случае изготовления броневых конструкций одной или двойной кривизны один или оба основания шестигранной керамической призмы могут быть выполнены выпуклыми. При этом дополнительная выпуклая часть основания шестигранной керамической призмы образована сегментом сферы, основание которого является вписанной окружностью правильного шестиугольника в основании шестигранной призмы, а высота сегмента сферы составляет от 5 до 15 частей длины образующей шестиугольника. Изготовление шестигранных керамических призм с плоскими или выпуклыми основаниями целесообразно для изготовления композиционной брони, предназначенной для защиты от винтовочных пуль кал. 12,7 мм и выше. В этом случае высота (или толщина) шестигранных керамических призм будет превышать 14 мм.
Во всех возможных вариантах конструктивного исполнения отдельных керамических элементов в виде правильных шестигранных призм с боковыми гранями вогнутой формы связующее на основе полимеров может включать микро- или нанодисперсные частицы, обладающие специальными физическими свойствами, например отражающие, рассеивающие или поглощающие электромагнитные излучения.
Это позволяет расширить диапазон вариантов использования предложенного изобретения.
Предлагаемое техническое решение композиционной брони является новым, так как вышеизложенная совокупность существенных признаков этого решения, в том числе и в частных случаях, не известна из уровня техники. Оно имеет изобретательский уровень, так как для специалиста явным образом не следует из уровня техники, а также промышленно применимо, так как может использоваться для защиты человека и различной техники от пуль и снарядов.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1, фиг.2, фиг,3 представлены варианты правильных шестигранных призм с боковыми гранями вогнутой формы и выпуклой (пример 1), вогнутой (пример 2) или плоской (пример 3) формой основания призмы. На фиг.4, фиг.5 представлено схематичное изображение сечения композитной брони; На фиг.6 представлен фронтальный вид композитной брони.
Керамический бронеэлемент выполнен, например, из корунда, в виде правильной шестигранной призмы 1, при этом боковые грани 2 призмы имеют вогнутую форму относительно вертикальной оси (фиг.1). Боковые грани шестигранной керамической призмы имеют цилиндрическую вогнутую форму, радиус которой в 15-20 раз превышает длину образующей грани правильного шестиугольника. Один 3 или оба 3, 4 основания шестигранной керамической призмы включают внутреннюю полость 5, которая образована вогнутым сегментом сферы, при этом основание вогнутого сегмента сферы является вписанной окружностью. правильного шестиугольника в основании шестигранной призмы, а высота сегмента сферы составляет от 5 до 15 частей длины образующей шестиугольника (фиг.2). На фиг.3 приведен вариант бронеэлемент, где один 3 или оба 3, 4 основания шестигранной керамической призмы выполнены плоскими. На фиг.1 приведен вариант бронеэлемента, один 3 или оба 3,4 основания шестигранной керамической призмы выполнены выпуклыми, при этом дополнительная часть основания шестигранной керамической призмы образована сегментом сферы, основание которого является вписанной окружностью правильного шестиугольника в основании шестигранной призмы, а высота сегмента сферы составляет от 5 до 15 частей длины образующей шестиугольника.
На фиг.4, фиг.5 представлено схематичное изображение сечения композитной брони, состоящей из дробяще-отклоняющего 6 и задерживающего 8 слоев с зазором 9 между ними, заполненным материалом с низким модулем упругости при сжатии. При этом на фиг.4 показан вариант исполнения композитной брони из шестигранных керамических призм 1 с фасонной вогнутой формой основания (пример 4), а на фиг.5 - с выпуклой формой основания (пример 5). На фиг.6 представлен фронтальный вид композитной брони с зазорами 10 между боковыми гранями шестигранных керамических призм, заполненными связующим 7 на основе полимеров.
Броня (фиг.4, фиг.5) имеет дробяще-отклоняющий слой 6, через зазор 9 соединенный с задерживающим слоем 8. Способ соединения указанных слоев не имеет принципиального значения, поэтому для упрощения на фиг.4, фиг.5 не показан. Дробяще-отклоняющий слой 6 образован набором отдельных корундовых элементов 1 в виде правильных шестигранных призм, связанных между собой полиуретановым полимером 7, при этом торцы 3, 4 этих призм имеют выпуклую, вогнутую или плоскую форму, а оси этих элементов расположены по нормали к наружной поверхности брони, которая может быть плоской, одной или двойной кривизны. Конструкция в целом крепится к корпусу защищаемого изделия любыми известными способами, например болтами.
В примере 4 (фиг.4) композитная броня выполнена из шестигранных керамических призм, имеющих вогнутые основания. Для защиты от винтовочных бронебойных пуль Б-32 кал. 7,62 мм предпочтительнее использовать корундовые элементы с размерами 40х46 мм, высотой А, равной 11 мм, минимальной толщиной рабочего сечения В, равной 9 мм. Диаметр вписанной окружности правильного шестиугольника составит около 38 мм, радиус цилиндрической поверхности боковой грани R равен 38 мм. В качестве задерживающего слоя можно использовать броневую сталь, например, марки «96», толщиной 4,5 мм.
Из приведенного чертежа (фиг.4) следует, что максимальная высота шестигранных керамических призм с боковыми гранями вогнутой формы и вогнутой формой основания призмы реализована в зоне стыков соседних элементов, что обеспечивает их защитные свойства на уровне основного элемента. Кроме того, выполнение основания фронтальной стороны шестигранных керамических призм вогнутой формы способствует изменению угла подхода пули, отклонению и разворачиванию ее от нормального движения, что повышает защитные свойства композиционной брони. В примере 5 (фиг.5) композитная броня выполнена из шестигранных керамических призм, имеющих выпуклые основания. Для защиты от винтовочных бронебойных пуль Б-32 кал. 14,5 мм предпочтительнее использовать корундовые элементы с размерами 40×46 мм, высотой Б, равной 20 мм. Диаметр вписанной окружности правильного шестиугольника составит около 38 мм, радиус цилиндрической поверхности боковой грани R равен 38 мм. В качестве задерживающего слоя можно использовать броневую сталь, например, марки «96», толщиной 6,5 мм.
На фиг.6 показаны зазоры между цилиндрическими гранями соседних шестигранных керамических призм, заполненные связующим на основе полимеров, обеспечивающие взаимодействие соседних элементов при воздействии пули и, в то же время, препятствующие распространению трещин. Связующее на основе полимеров, например компаунд на основе полиуретана, может включать микро- или нанодисперсные ферромагнитные частицы, обладающие специальными физическими свойствами, например отражающие, рассеивающие или поглощающие электромагнитные излучения. Осуществление заявленного изобретения, показанное в приведенных примерах, позволяет решить основную задачу изобретения - создание композитной брони, сохраняющей положительные качества наиболее близкого аналога с одновременным снижением ее массы и повышением живучести. Наличие зазора между дробяще-отклоняющим и задерживающим слоями, между цилиндрическими гранями соседних шестигранных керамических призм, заполненных связующим на основе полимеров, обеспечивает при попадании пули в корундовый элемент брони возможность осевого перемещения этого элемента и его разворота, вызывающего движение соседних элементов, за счет чего происходит поглощение и рассеивание энергии пули и повышение защитных свойств брони.
Из описания и практического применения настоящего изобретения специалистам будут очевидны и другие частные формы его выполнения. Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.