Обтекатель воздушной ударной волны для бронешлема с ременным подтулейным устройством

Полезная модель относится к устройствам средств индивидуальной бронезащиты человека, в частности к устройству (общевойсковых или баллистических) бронешлемов, предназначенных для защиты головы владельца от воздействия высокоскоростных поражающих элементов боеприпасов, вторичных осколков и воздушной ударной волны взрыва.
Из существующего уровня развития техники известен бронешлем, содержащий корпус, изготовленный из скрепленных слоев баллистической ткани, внутри которого размещена система подвески (подтулейного устройства) из ремней купольной части и двух опорных ремней - ремня жесткого, прикрепленного к корпусу винтами, и ремня размерного, имеющего текстильную ворсовую застежку для регулирования длины и установленного на шлевках ремня жесткого, отличающийся тем, что размерный ремень снабжен лентой, пришитой к нему снаружи строчками через интервалы, при этом ремни купольной части пришиты к жесткому ремню строчками с образованием на концах шлевок, которые пропущены через интервалы, образованные швами в ленте, и пришиты к ремням купольной части строчками с образованием шлевок, в которые пропущен размерный ремень. Установка на ремне размерном снаружи ленты с образованием интервалов, в которые установлены шлевки, скрепляющие ремень размерный с ремнем жестким, позволили исключить из конструкции металлический крепеж и, как следствие, снизить массу и исключить травмирование головы при ударе (RU 2250432 С1, опубл. 20.04.2005). Достоинством данного технического решения является исключение из конструкции подтулейного устройства (системы подвески) металлического крепежа, что и привело к исключению травмирования головы об этот металлический крепеж (при низкоскоростном ударе вторичных осколков). Одновременно недостатком данного технического решения является сохранение травмирования головы от воздействия высокоскоростных поражающих элементов боеприпасов при непробитии ими корпуса шлема и величине воздушного зазора между головой и внутренней поверхностью шлема менее 20 мм [1].
Известен также защитный бронешлем, содержащий корпус, изготовленный из скрепленных связующим слоев баллистической ткани, внутри которого размещена система подвески (подтулейного устройства) из ремней купольной части, венца и опорного кольца, отличающийся тем, что опорное кольцо выполнено из двух ремней: опорного ремня, прикрепленного к корпусу винтами, снабженного шлевками и упругой струной, соединенной в кольцо; и размерного ремня, который через шлевки установлен в опорный ремень, при этом ремни купольной части нижними концами закреплены на корпусе винтами опорного ремня, а верхними концами - с венцом, причем по периметру края корпуса в структуре баллистической ткани в районе торца дополнительно выполнен пояс отвержденного связующего (РФ 2238507, опубл. 20.10.2004). Достоинством данного технического решения является выполнение опорного кольца из двух ремней и установка внутри опорного ремня упругой струны, которая позволяет увеличить демпфирующие свойства корпуса за счет того, что часть энергии удара воспринимается струной. При этом и данное техническое решение имеет тот же недостаток - сохранение травмирования головы от воздействия высокоскоростных поражающих элементов боеприпасов при непробитии ими корпуса бронешлема и величине воздушного зазора между головой и внутренней поверхностью бронешлема менее 20 мм [1].
Следует обратить внимание на то, что устройство общевойскового бронешлема и его элемента - подтулейного устройства в приведенных выше технических решениях никак не связано с воздействием ударной волны взрыва. В лучшем случае речь может идти об ударостойкости бронешлема при ударе падающего груза (вторичных осколков) [2]. Вместе с этим в работах [3, 4] показано, что в современных вооруженных конфликтах доля травмы головного мозга от воздушной ударной волны взрыва составляет 92,9% от всех ранений (в т.ч. пулями и осколками).
Основной особенностью воздействия воздушной ударной волны на голову владельца, использующего защитный бронешлем с традиционным ременным подтулейным устройством (системой подвески), является эффект дифракции (затекания) ударной волны в подпространство между головой и внутренней поверхностью бронешлема [5]. Затекание воздушной ударной волны приводит к кумуляции ударной волны - возрастанию пиковых давлений на противоположной стороне к инциденту взрыва поверхности головы, в 5…6 раз и более превышающих избыточное давление в падающей ударной волне взрыва. Это объясняют геометрией головы и бронешлема и соответствующей ориентацией к инциденту взрыва.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является исключение кумуляции воздушной ударной волны на противоположной стороне к инциденту взрыва поверхности головы и уменьшение величины поверхностного давления на голову, в случае дифракции падающей воздушной ударной волны под бронешлем с ременным подтулейным устройством. Данная задача решается за счет того, что дополнительно между головой и внутренней поверхностью бронешлема с ременным подтулейным устройством располагают обтекатель воздушной ударной волны, например в виде усеченного конуса или сплошного тороида вращения, из энергодиссипирующего материала, на площади, перекрывающей зону кумуляции воздушной ударной волны на противоположной стороне к инциденту взрыва поверхности головы, при фронтальной ориентации бронешлема. Основным отличием описываемого обтекателя от амбушюров (подушечек) систем подвески известных зарубежных бронешлемов, таких как АСН или MICH, является его установка под углом кумуляции воздушной ударной волны 140-155° при фронтальной ориентации бронешлема к инциденту взрыва.
Установка обтекателя ударной волны только в данном местоположении для других ориентаций бронешлема, например боком или тыльной стороной к инциденту взрыва, также приведет к снижению уровня кумуляции и уменьшению величины поверхностного давления на голову. Причем это не исключает, при необходимости, дополнительную установку еще трех обтекателей воздушной ударной волны для каждой базовой ориентации бронешлема (фронт, правый бок, левый бок и тыл) или использование единого для всех ориентаций бронешлема обтекателя, например, в форме тороида также из энергодиссипирующего материала.
Обтекатель воздушной ударной волны может быть выполнен из энергодиссипирующего материала, например из пены D3O, и может обеспечивать не только обтекание по контуру воздушной ударной волны, но и препятствовать росту выпучины на внутренней поверхности корпуса бронешлема, при непробитии высокоскоростными поражающими элементами боеприпасов, и снижать энергию удара выпучины по голове (объекту защиты).
Обтекатель воздушной ударной волны должен быть выполнен в размерах, обеспечивающих его поджатие к внутренней поверхности бронешлема и наружной поверхности головы, с исключением воздушного зазора при надетом на голову бронешлеме.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где показан общий вид ременного подтулейного устройства с обтекателем воздушной ударной волны (фиг.1 и 2).
Бронешлем (фиг. 1 и 2) содержит корпус 1, изготовленный из скрепленных связующим 2 слоев баллистической ткани 3, внутри которого размещена система подвески из ремней купольной части 4 и опорного кольца 5. Опорное кольцо 5 выполнено из двух ремней: опорного ремня 6, прикрепленного к корпусу винтами 7, снабженного шлевками 8, и размерного ремня 10, который через шлевки 8 установлен в опорный ремень 6. Ремни 4 купольной части нижними концами закреплены в корпус 1 винтами 7 опорного ремня 6, а верхними концами соединены венцом из ленты 11. Размерный ремень 10 имеет разъем с ворсовой застежкой 11. Дополнительно между головой и внутренней поверхностью бронешлема на месте кумуляции воздушной ударной волны под углом 140-155° располагают обтекатель 9, например в виде усеченного конуса или сплошного тороида вращения, из энергодиссипирующего материала, на площади, перекрывающей зону кумуляции ударной волны на противоположной стороне к инциденту взрыва поверхности головы, при фронтальной ориентации бронешлема.
Работает устройство следующим образом. При воздействии воздушной ударной волны взрыва, независимо от ориентации бронешлема (и головы соответственно) происходит дифракция (затекание) ударной волны в подпространство между головой и внутренней поверхностью бронешлема, при этом кумуляции ударной волны на стороне, противоположной стороне инцидента взрыва (что определяется геометрией головы и бронешлема), не происходит потому, что ударная волна вынуждена огибать установленный обтекатель. Исключение кумуляции ударной волны на противоположной стороне к инциденту взрыва поверхности головы и приводит к уменьшению величины поверхностного давления на голову.
Вышеизложенные тезисы можно проиллюстрировать следующими комментариями.
На фиг. 3 из работы [6] показаны результаты численного моделирования воздействия падающей ударной волны взрыва с величиной пикового избыточного давления 0,23 МПа на макет головы в бронешлеме с ременным подтулейным устройством для различных ориентаций инцидента.
max
max
max
max
max
На фиг. 4 из работы [6] показано отношение P/P* (нормированное максимальное избыточное давление) для подпространства голова-бронешлем как функция размера зазора для различных интенсивностей пикового давления инцидента P* взрыва. При уменьшении зазора давление в подпространстве зазора увеличивается. Соответственно отношение P/P* увеличивается по мере того, как размер зазора уменьшается до некоторого критического значения. После этого краевые эффекты становятся доминирующими и отношение P/P* уменьшается. Следует также отметить, что отношение P/P* увеличивается тогда, когда интенсивность пикового давления инцидента P* увеличивается. Численное моделирование для проверенного диапазона нагрузок (тестирования) указывает на угол θ, в локализации которого поверхностное давление достигает максимального значения P, равного 140-155°.
Таким образом, предлагаемый обтекатель позволяет исключить кумуляцию воздушной ударной волны на противоположной стороне к инциденту взрыва поверхности головы и уменьшить величину поверхностного давления на голову, в случае дифракции падающей ударной волны под бронешлем с ременным подтулейным устройством.
Источники информации
1. Композитные, текстильные и комбинированные бронематериалы. Т. 2. Современные защитные структуры и средства индивидуальной бронезащиты / Харченко Е.Ф - М.: ЦНИИСМ, 2014, с. 208-228.
2. Котосов А.А., Логаткин С.М., Зигунов С.П. Критерии и методы оценки эффективности поражающих элементов боеприпасов при непробитии общевойскового шлема./Под общей ред. А.А. Котосова. - Пенза: ПАИИ, 2007. - 195 с.
3. Войновский А.Е., Махновский А.И., Шабалин А.Ю. и др. Совершенствование медико-статистического учета боевых санитарных потерь / Журнал «Медицинский вестник МВД», 2013,  №2(63).
4. Жуков И.Е., Котосов А.А., Миляев А.В., Серов А.В. Статистика о взрывной травме военнослужащих / Журнал «Вопросы оборонной техники», 2015, сер. 16, вып. 9-10, с. 18-24.
5. Жуков И.Е., Котосов А.А., Миляев А.В., Серов А.В. Ударная волна взрыва и защитные свойства шлема / Журнал «Вопросы оборонной техники», 2015, сер. 16, вып. 9-10, с. 35-43.
6. Ganpule, Shailesh Govind, «Mechanics of blast loading on post-mortem human and surrogate heads in the study of Traumatic Brain Injury (TBI) using experimental and computational approaches)) (2013). Engineering Mechanics Dissertations & Theses. Paper 35. University of Nebraska - Lincoln, http://digitalcommons.unl.edu/engmechdiss/35