Способ определения травмобезопасности бронешлема при взрыве боеприпаса
METHOD OF DETERMINING INJURY SAFETY OF ARMORED HELMET IN CASE OF EXPLOSION OF AMMUNITION

Изобретение относится к способам определения травмобезопасности средств индивидуальной бронезащиты, преимущественно бронешлемов для головы, и может быть использовано также для определения травмобезопасности других средств индивидуальной бронезащиты, например бронежилетов.
Бронешлем должен обеспечить травмобезопасность головы владельца, при отсутствии его перфорации как низкоскоростными, так и высокоскоростными поражающими элементами (ПЭ), а также при метательном и непосредственном действиях воздушной ударной волны, формируемых при взрыве боеприпаса. Причем механическое действие низкоскоростного поражающего элемента, например падающего груза, на бронешлем проявляется в виде перемещения последнего в пространстве и вовлечения в движение головы владельца через подтулейное устройство. В данном случае травмобезопасность шлема может быть оценена по величине перегрузки объекта защиты - головы. Механическое действие высокоскоростного поражающего элемента боеприпаса на композитный бронешлем проявляется в виде формирования выпучины со стороны тыльной поверхности шлема при условии его непробития. Выпучина, преодолевая зазор между внутренней поверхностью шлема и наружной поверхностью головы, ударяет по ней так, что даже при отсутствии нарушения целостности костей черепа это приводит к изменению внутричерепного давления. Травмобезопасность бронешлема в этом случае может быть оценена по величине внутричерепного давления. Механическое действие волны взрыва боеприпаса на бронешлем и объект защиты проявляется в виде, как непосредственного действия воздушной ударной волны, так и ее метательного действия. Травмобезопасность бронешлема при воздействии ударной волны может быть также оценена либо по величине внутричерепного давления, либо по величине перегрузки объекта защиты - головы [1].
Известен стандарт NIJStmdard 0106.01 [2], который регламентирует способы испытаний для войсковых бронешлемов с намерением защиты головы владельца от воздействия поражающих элементов боеприпасов. В соответствии с данным стандартом, при испытаниях на тупой удар, при непробитии ПЭ шлема используется сплошной макет головы, выполненный из любого подходящего материала, например магниевого сплава К-1А, с размещенным внутри датчиком ускорения. Макет головы должен быть жестко закреплен на основании, которое может свободно перемещаться в направлении движения ПЭ. Общая масса модели головы и инструментальной сборки должна быть 5,0±0,5 кг (11±1,1 фунта) и статическая сила, направленная параллельно движению ПЭ, необходимая для начала движения сборки, не может превышать 9 Н. Регистрация ускорения позволяет рассчитать величину перегрузки и судить о ее допустимой или недопустимой величине. Так, по требованию выше названного стандарта величина пикового ускорения макета головы не должна превышать 400g.
Недостатком этого способа является то, что при ударах телом по защищенному макету учитывается только величина пикового ускорения (перегрузки) без учета его длительности, что не позволяет получить объективную оценку степени воздействия на объект при ударах. Это вызвано тем, что существующие методы записи и обработки быстро протекающих процессов приводят к появлению расходящихся результатов при использовании, например, различных фильтров для обработки сигналов.
Известен способ [3] определения ударостойкости бронешлемов с использованием жестко закрепленного биомеханического имитатора головы человека БИГ-1 (БИГ-2), при котором наносят удар телом с нормированной энергией по незащищенному имитатору головы, заполненному жидкостью, и удар телом с определенной энергией по защищенному средством индивидуальной защиты (бронешлемом) имитатору головы человека, регистрируют давление в жидкости, обусловленное ударом, и полученные значения пиковых давлений в жидкости используют для сравнения.
Недостатком этого способа является то, что при ударах телом по незащищенному имитатору учитывается только пиковое давление в жидкости без определения импульса давления и его длительности, что не позволяет получить объективную оценку степени воздействия на объект при ударах. Это вызвано тем, что существующие методы записи и обработки быстро протекающих процессов приводят к появлению расходящихся результатов при использовании, например, различных фильтров для обработки сигналов. Кроме того, в этом способе с использованием имитатора БИГ-2 не учитывается остаточная энергия (отскока) ударяющего тела после удара, что также снижает точность полученных результатов.
Известен также способ определения защитных свойств средств индивидуальной бронезащиты объекта [4], прототип, при котором наносят удар телом с нормированной энергией по незащищенному имитатору объекта, заполненному жидкостью, и удар телом с определенной энергией по защищенному средством индивидуальной защиты (бронешлемом) имитатору объекта, регистрируют давление в жидкости, обусловленное ударом, и сравнивают полученные результаты, дополнительно регистрируют положительный импульс давления в жидкости I и длительность положительного импульса t, рассчитывают отношение положительного импульса давления к длительности импульса I/t для каждого удара, и полученные значения используют для сравнения.
Недостатками этого способа является то, что, во-первых, существующие методы записи и обработки быстро протекающих процессов также приводят к появлению расходящихся результатов при использовании, например, различных фильтров для обработки сигналов. Во-вторых, для реализации удара телом с нормированной энергией по незащищенному имитатору объекта, заполненному жидкостью, используют маятниковый копер, см. фиг. 1 [4], а для реализации удара телом с нормированной энергией по защищенному имитатору объекта, заполненному жидкостью, используют пули патронов стрелкового оружия, причем масса и скорость ударника копра существенно отличаются от массы и скорости поражающих элементов боеприпасов. По сути, речь идет о корректности сопоставления результатов низкоскоростного и высокоскоростного ударов поражающими элементами большой и малой массы соответственно. В третьих, это жесткое крепление как незащищенного, так и защищенного шлемом имитатора головы, что не соответствует реальным условиям получения травмы.
Для выяснения роли выпучины и подтулейного устройства в передаче энергии воздействующего высокоскоростного поражающего элемента через шлем на объект защиты при условии его непробития был проведен тест с исключением жесткой фиксации шлема путем подвешивания его на резиновых стропах. Фрагменты видеорегистраций формирования максимальной выпучины «подвешенного» композитного шлема и его перемещение в плоскости кадра представлены на фиг. 1. Анализ видеорегистраций показал, что общее перемещение «подвешенного» шлема начинается после формирования максимальной выпучины в шлеме, т.е. через 1,5-2,0 мс. Максимальная относительная величина перемещения шлема в целом, на примере купольной зоны шлема, достигала 15-17% (от размера шлема), а время ее нарастания составляло около 26 мс. Полученные данные свидетельствуют о том, что травма объекта защиты при непробитии ПЭ боеприпаса защитного шлема наносится за счет удара выпучины шлема, а подтулейное устройство компенсирует только общее перемещение шлема и головы в пространстве [5]. Удар выпучины шлема по имитатору объекта защиты приведет к изменению величины внутричерепного давления, а общее перемещение имитатора в пространстве может быть охарактеризовано изменением величины результирующего ускорения (перегрузки).
2
Для уяснения параметров вмятины в незащищенном шлемом баллистическом имитаторе головы при низкоскоростном ударе падающего груза большой массы был проведен тест на маятниковом копре. Фрагменты видеорегистраций формирования максимальной вмятины и последующее движение баллистического имитатора показаны на фиг. 2. При удельной энергии удара бойка диаметром 13 мм, равной 40 Дж/см, время нарастания вмятины до своего максимального значения не превышало 13-15 мс. Время совместного движения ударника и имитатора происходило на 15-25 мс, и только движение баллистического имитатора головы по направлению удара, при неподвижном бойке, происходило после 25 мс до 45-50 мс текущего значения времени. Полученные данные свидетельствуют о том, что травма незащищенного шлемом объекта защиты (головы) наносится падающим грузом как за счет образуемой вмятины, так и за счет общего перемещения головы в пространстве. Здесь следует указать на разную продолжительность удара выпучины шлема не более 1,5-2,0 мс и падающего груза большой массы по имитатору головы около 15 мс.
При ударе падающего груза по защищенному шлемом имитатору головы, с исключением жесткой фиксации последнего в пространстве, следует ожидать, что образование в нем вмятины будет маловероятно. Продолжительность удара будет достаточной для общего перемещения шлема и его компенсации подтулейным устройством. Травма объекту защиты в данном случае будет нанесена за счет изменения величины результирующего ускорения (перегрузки).
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение достоверности и совместимости результатов оценки травмобезопасности бронешлема (бронежилета) при ударе поражающего элемента и условии его непробития или механическом действии ударной волны взрыва за счет, во-первых, одновременной регистрации изменения во времени величины ускорения (перегрузки) и величины внутриполостного давления жестко не зафиксированного в пространстве защищенного шлемом (бронежилетом) имитатора головы (торса), во-вторых, расчета максимальных из среднедействующих значений как величины ускорения (перегрузки) , так и величины внутриполостного давления  для заданных интервалов времени оценки Δt, в-третьих, построения на основе полученной совокупности данных кривых (реже ломаных) функций максимальных из среднедействующих значений как величины ускорения (перегрузки) , так и величины внутриполостного давления  от величины интервала времени оценки Δt, которые и используют для сравнения либо с соответствующими нормированными по степени тяжести нанесения вреда здоровью объекту защиты кривыми, либо с аналогичными кривыми, установленными для штатного (ранее использованного) бронешлема (бронежилета) с известной степенью тяжести зашлемной травмы.
1
2
3
n
Сущность предлагаемого изобретения поясняется графическими материалами, так на фиг. 3 изображен схематично стенд для осуществления предлагаемого способа, а на фиг. 4 даны пояснения метода «обхода по контуру зарегистрированного сигнала», который используется при расчете максимальных из среднедействующих значений, как величины перегрузки (ускорения), так и величины внутриполостного давления для заданных значений интервала времени оценки Δt, Δt, Δt, …, Δt.
Стенд для осуществления предлагаемого способа (фиг. 3) содержит баллистический имитатор головы человека 3, состоящий из эллипсоидной оболочки 4 с внутренним объемом, соответствующим среднему объему полости черепа, и заполненной жидкостью, и основания 6, установленного с помощью пружин 7 на подвижные сани 8. Внутри жидкости в оболочке 4 установлен преобразователь давления 2, а в центре основания 6 установлен трехосевой акселерометр, оба датчика соединены с регистрирующей аппаратурой, [6].
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
1
2
3
n
На первом этапе используют штатный (либо заданный для сравнения) бронешлем (бронежилет), который размещают на баллистическом имитаторе головы (торсе) человека 3. Производят механический удар (один или несколько) по регламентированной локализации сборки «штатный шлем - имитатор головы (торса)» одним из поражающих факторов боеприпаса. Причем баллистический имитатор головы (торса) жестко не зафиксирован, что позволяет ему перемещаться в пространстве. В качестве поражающих факторов боеприпаса используют механическое действие либо низкоскоростного поражающего элемента, в виде падающего груза, либо высокоскоростного поражающего элемента боеприпаса, в виде пули или осколка, либо ударной волны взрыва, в виде воздушной ударной волны, полученной при взрыве заряда взрывчатого вещества или на ударной трубе. На каждом ударе (выстреле) одновременно регистрируют изменение во времени величины ускорения (перегрузки) и величины внутриполостного давления имитатора головы (торса). Далее рассчитывают максимальные из среднедействующих значений как величины ускорения (перегрузки), так и величины внутриполостного давления для заданных интервалов времени оценки Δt, Δt, Δt, …, Δt. На основе полученной совокупности данных строят кривые (реже ломаные) функций максимальных из среднедействующих значений как величины ускорения (перегрузки) , так и величины внутриполостного давления  от величины интервала времени оценки Δt.
1
2
3
n
На втором этапе используют проектируемый (или заданный) бронешлем (бронежилет), который также размещают на имитаторе головы (торса) человека 3. Производят механический удар (один или несколько) по регламентированной локализации сборки «проектируемый шлем - имитатор головы (торса)» одним из поражающих факторов боеприпаса, аналогичный удару по сборке «штатный шлем - имитатор головы (торса)». На каждом ударе (выстреле) одновременно регистрируют изменение во времени величины ускорения (перегрузки) и величины внутриполостного давления имитатора головы (торса). Далее рассчитывают максимальные из среднедействующих значений как величины ускорения (перегрузки), так и величины внутриполостного давления для заданных интервалов времени оценки Δt, Δt, Δt, …, Δt. На основе полученной совокупности данных строят кривые (реже ломаные) функций максимальных из среднедействующих значений как величины ускорения (перегрузки) , так и величины внутриполостного давления  от величины интервала времени оценки Δt, которые и используют для сравнения с аналогичными функциями, установленными для штатного бронешлема (бронежилета).
Результат сравнения травмобезопасности штатного и проектируемого бронешлема (бронежилета) отдельно для каждого из поражающих факторов боеприпаса регламентирует положение на графике кривой той или иной функции максимальных из среднедействующих значений величины перегрузки и величины внутриполостного давления от величины интервала времени оценки Δt. Чем выше расположена кривая функции, тем хуже травмобезопасность бронешлема (бронежилета).
От качественной оценки травмобезопасности бронешлема (бронежилета) можно перейти к нормированной оценке, если для каждой степени тяжести нанесения вреда здоровью владельца шлема (бронежилета) установлены нормированные функции максимальных из среднедействующих значений величины перегрузки и величины внутриполостного давления от величины интервала времени оценки для каждого из выше перечисленных поражающих факторов боеприпасов. В этом случае результат оценки травмобезопасности бронешлема (бронежилета) будет регламентирован также положением рассчитанных кривых относительно нормированных кривых, что может быть изложено как «травмобезопасность бронешлема (бронежилета) либо не выше, либо не ниже заданной степени тяжести нанесения вреда здоровью владельца».
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить достоверность и совместимость результатов испытаний бронешлемов (бронежилетов) на имитаторе головы (торса) с обоснованием ожидаемой (прогнозируемой) степени тяжести зашлемной (заброневой) травмы при условии его непробития как низкоскоростным поражающим элементом (падающим грузом), так и высокоскоростным поражающим элементом боеприпаса, а также при механическом действии воздушной ударной волны.
Источники информации
1. Разработка стенда для оценки контузионной травмы головы при непробитии общевойскового шлема / И.И. Грачев, А.А. Котосов, Д.Ю. Ковалев, М.В. Тюрин; под общ. ред. А.А. Котосова. - Пенза: ПАИИ, 2013. - 308 с.
2. Standard for Ballistic Helmets (NIJ Standard-0106.01), U.S. Department of Justice, National Institute of Justice, Washington D.C., December 1981.
3. Патент (полезная модель) 7537. Модель головы человека биомеханическая. / А.В. Морозкин, Д.К. Швайков, Ю.Г. Ивлиев, НИИстали, заявл. 97110792 от 04.07.97, опубл. 16.08.98.
4. Патент RU 2254544 С2. Способ определения защитных свойств средств индивидуальной защиты. / П.В. Трофимов, В.А. Знахурко, Т.С. Романова, В.Г. Михеев, С.М. Логаткин, Е.П. Тырнов. - заявл. 25.03.2003, опубл. 20.09. 2004.
5. Использование высокоскоростной видеорегистрации для оценки параметров тыльной деформации при непробитии шлема поражающим элементом / Жуков И.Е., Котосов А.А., Миляев А.В. Сборник докладов ХIV международной научно-практической конференции: Новейшие тенденции в области конструирования и применения баллистических материалов и средств защиты (15-18 сентября 2015 г.) Ялта (Крым, Россия).
6. Баллистический имитатор головы для определения защитных свойств шлемов / Жуков И.Е., Котосов А.А., Миляев А.В., Ковалёв Д.Ю. журнал «Вопросы оборонной техники», сер. 16, вып. 3-4, 2015, с. 50-55.