ОБЪЕМНО-КОМБИНИРОВАННАЯ БРОНЯ
VOLUMETRIC COMBINATION ARMOUR

Изобретение относится к области разработки средств защиты техники от бронебойных пуль. Облегченная комбинированная броня содержит высокотвердый слой из керамических элементов специальной формы, соединенных с помощью клея или соединенных в монолит, и высокопрочный тыльный слой, способный поглощать остаточную энергию пуль, сердечников и осколков.
С появлением высокоэффективных поражающих средств и повышением требований к бронезащите ресурс традиционных металлических броневых материалов оказался исчерпанным, что привело к созданию многослойной комбинированной брони.
Идеология комбинированной защиты заключается в сочетании нескольких слоев разнородных материалов с приоритетными свойствами, включающих фронтальный слой из особотвердых материалов и высокопрочный энергоемкий тыльный слой.
В качестве материалов фронтального слоя используют освоенную в промышленном производстве керамику высшей категории твердости: корунд, карбиды кремния и бора, а также нитрид бора. Задача керамики сводится к нарушению целостности (скалывание, дробление, частичное или полное разрушение) закаленного сердечника вследствие напряжений, возникающих при высокоскоростном взаимодействии хрупких, высокотвердых материалов и значительного поглощения их первоначальной энергии.

Тыльный удерживающий слой предназначен для погашения кинетической энергии и блокировки осколков, образующихся в результате ударного взаимодействия с керамикой. В качестве тыловых материалов широкое распространение получили металлическая броня и композитные бронематериалы на основе клееных или прессованных высокомодульных арамидных волокон на основе сверхмолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), обладающих повышенной ударной вязкостью и предельной деформацией и имеющих минимальную поверхностную плотность (Spektra).
2
2
Известно техническое решение (патент РФ №2469255 F41H 1/02, опубл. 10.12.2012), где композиционная броня для защиты от ударного и травматического воздействия поражающих элементов огнестрельного оружия состоит из матричного блока, имеющего во фронтальном слое множество открытых ячеек заданной формы и размеров, в которых закреплены керамические штабики. При этом каждая ячейка закрыта панелью, прикрепленной к стенкам ячеек матричного блока, при этом в ячейках матричного блока между дном ячеек и керамическими штабиками закреплены пластины из рентгеноаморфного кремнезема (SiO) в виде спрессованного порошка частиц, сформированных на основе упорядоченно расположенных микросфер SiO.
2
Однако эта конструкция имеет ряд недостатков. В ней используется «слабый» по своим броневым характеристикам материал на основе SiO, что приводит к более высоким весовым характеристикам. Конструкция не избавлена от «слабых» зон в промежутках между шестигранниками. Также данная конструкция из-за сложности технологии изготовления будет иметь высокие стоимостные характеристики.
Использование малоразмерной керамики (ориентировочно 50*50*10 мм) обеспечивает высокий уровень «живучести» за счет уменьшения зоны поражения и весьма важную для практики частичную локальную ремонтопригодность.
Известно техническое решение (патент РФ №2393416 F41H 5/04, опубл. 27.06.2010), где многослойная бронепластина, предназначенная для защиты индивидуальных и транспортных средств, содержит подложку, а керамические пластины, соединенные друг с другом герметиком, смещены в слое относительно друг друга на половину их габаритного размера с целью избежания «четверных» стыков по поверхности, являющихся самым слабым местом в случае соединения квадратных или прямоугольных пластин. Тем не менее такая конструкция имеет существенный недостаток, поскольку существует большое количество «двойных» и «тройных» стыков, толщиной 0,4 мм, являющихся слабым местом, когда пуля попадает в эту зону и, даже разрушая керамику, она теряет небольшое количество первоначальной энергии.
Также известен патент РФ №2378601 F41H 5/04, опубл. 10.01.2010, где броневая панель для защиты от снарядов содержит слой трехмерных элементов брони, отлитых из керамического материала с составляющим единое целое промежуточным средством в виде зуба на стороне трехмерного элемента брони. Трехмерный элемент брони может содержать зуб на каждой стороне.
Данная конструкция имеет ряд недостатков. Конструкция не избавлена от слабых зон в промежутках между шестигранниками. Элементы, находящиеся на периметре, пластины имеют размер 1/2 или 1/6 от шестигранника. При попадании в них пули они будут иметь более низкие баллистические характеристики, чем целые шестигранники, что приведет к пробитию бронезащиты.
Из известных типов многослойной брони близким аналогом к заявленной является объемно-композиционная броня (патент РФ №2476809 F41H 1/02, опубл. 27.02.2013), содержащая высокотвердый лицевой слой из плотноупакованных керамических цилиндров с выпуклыми торцами, соединенных связующим в монолит, и высокопрочный энергоемкий тыльный слой, при этом оси керамических элементов фронтального слоя располагаются под углом 60-85° по отношению к плоскости брони.
Однако эта конструкция имеет ряд недостатков. Конструкция имеет более высокие весовые характеристики, не избавлена от слабых зон в промежутках между цилиндрами. Подложка не равнотолщинна, а так как пулестойкость рассчитывается по минимальной толщине, это приводит к увеличению веса подложки, а также из-за нарушения сплошности поверхностного волокнистого слоя эта зона не будет в значительной мере поглощать энергию высокоэнергетических тел из-за препятствия продольному распространению волн. Контактируя с подложкой острыми краями, керамика при ударе пули дополнительно прорезает поверхность волокнистого материала, тем самым снижает ее защитные свойства. Подложка имеет острые кромки, которые являются концентраторами напряжений и будут приводить к существенному снижению ее прочностных характеристик.
Поставленная задача снижения весовых характеристик бронезащиты достигается тем, что объемно-комбинированная броня, содержащая высокотвердый слой из керамических элементов, соединенных связующим в монолит, и высокопрочный энергоемкий тыльный слой. При этом керамические элементы выполнены со скошенными краями под углом 15-55° по отношению к плоскости брони. Причем некрайние элементы выполнены со скосами внутрь по двум сопряженным сторонам и со скосами наружу по двум другим сторонам, крайние угловые элементы имеют только два скоса, а две другие стороны изготовлены без скосов. Элементы, расположенные по краю высокотвердого слоя, но не угловые, имеют три стороны со скосами, центральные элементы высокотвердого слоя имеют утолщение в 1,2-1,5 раза больше по сравнению с остальными элементами.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности, эффективности бронезащиты и снижение ее весовых характеристик. Данная конструкция избавлена от недостатка «прослабленной» стыковой зоны и вне зависимости от места попадания пуль, снарядов, осколков их прохождение без значительной потери энергии исключается из-за отсутствия незащищенных керамикой клеевых стыков (Фиг.1).
Поэтому целесообразно использовать равнотолщинную и равноразмерную (ориентировочно 50*50 мм) керамическую часть брони и подложку, а «слабые» места стыков керамических пластин исключить путем введения скосов и выступов на керамических пластинах (Фиг.1). Допускается применение керамических пластин размером от 20*20 мм до 100*100 мм.
Использование «малоразмерной» керамики обеспечивает высокий уровень живучести за счет уменьшения зоны поражения и весьма важную для практики частичную локальную ремонтопригодность. Для улучшения ремонтопригодности может быть изготовлен набор пластин размером до 20*20 мм. Использование керамических пластин размером меньше чем 20*20 мм будет приводить к пробитию бронепластины, а использование керамических пластин размером более чем 100*100 мм приведет к уменьшению «живучести» при одинаковой толщине пластин.
Введение скосов на керамических пластинах приводит к тому, что при оптимально выбранных углах 15-55° происходит максимальная диссипация энергии в керамической пластине, даже в случае попадания пули в место стыка, что приводит к меньшей скорости вылета керамических осколков и термоупрочненного сердечника после преодоления керамической преграды, что позволяет применять подложку меньшей толщины и соответственно меньшего веса по сравнению с конструкциями без скосов.
Так как потребность в бронепластинах высока количество бронеэлементов, необходимых для удовлетворения потребности вооруженных сил, существенна. Для изготовления бронепластины, размером 300*300 мм потребуется 36 бронеэлементов (Фиг.2). Причем потребуется 10 различных литьевых оснасток для шликерного литья. Бронепластина будет состоять из одного элемента (Фиг.3), одного элемента (Фиг.4), одного элемента (Фиг.5), одного элемента (Фиг.6), четырех элементов (Фиг.7), четырех элементов (Фиг.8), четырех элементов (Фиг.9), четырех элементов (Фиг.10), двенадцати элементов (Фиг.11) и четырех элементов (Фиг.12).
Вероятность попадания пуль в центральную часть бронежилета максимальна, поэтому толщина 4 центральных бронеэлементов (Фиг.12) в 1,2-1,5 раза больше, чем у остальных бронеэлементов.
Если толщина четырех центральных бронеэлементов меньше толщины остальных элементов в 1,2 раза, то это не приводит к значительному увеличению бронестойкости. Если толщина четырех центральных бронеэлементов больше толщины остальных элементов в 1,5 раза, то это приводит к значительному увеличению их веса и к «излишней» бронестойкости.
Если угол скоса больше 55°, то повышается вероятность пробития керамического элемента, так как объем разрушаемой керамики уменьшается, что приводит к меньшей диссипации энергии в керамическом элементе. Если угол скоса меньше 15°, то это будет приводить к увеличению размеров «центральных» элементов и соответственно снижать технологичность их изготовления. Положительный эффект по увеличению бронестойкости будет нивелирован. Фиксация керамических пластинок на подложку из сверхвысокомодульного полиэтилена или к клеенным или прессованным высокомодульным арамидным или кевларовым волокнам может быть осуществлена путем приклеивания керамических пластинок. Экстремум поглощенной энергии в керамической пластине достигается при угле скоса 45°.
Бронепанель может быть выполнена как в плоском варианте (Фиг.13), так и с закругленным радиусом 350-400 мм (Фиг.14). Бронепанель снаружи можно обтянуть технической тканью для уменьшения разлета осколков керамики при попадании пули. Бронежилет можно изготовить по 5, 6 и 6A классу защиты.