ЗАЩИТНАЯ КОНСТРУКЦИЯ

Изобретение относится к области защитных конструкций, предназначенных для защиты от воздействия ударной волны, и может быть использована в машиностроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства.
Известна защитная конструкция (см патент США №US 6899009 В2 под названием «Flexible multi shock shield», заявитель CHRISTIANSEN ERIC L, CREWS JEANNE L, THE UNITED STATES OF AMERICA AS REPRESENTED BY THE ADMINISTRATOR OF THE NATIONAL AERONAUTICS AND SPA (NASA), опубл. 31.05.2005), содержащая по меньшей мере, три слоя: внешний защитный, промежуточный энергопоглощающий и опорный слой, причем внешний защитный слой выполнен из твердого упруго - пластичного материала, промежуточный энергопоглощающий слой состоит, по меньшей мере, из двух слоев пеноалюминия, опорный слой выполнен из прочного гибкого материала.
Основным недостатком известной конструкции является большие затраты на изготовление, так как слои каждого материала изготавливаются отдельно, сборка защитной конструкции требует промежуточных слоев из амортизирующей гибкой ткани. Такие слои требуют дополнительных затрат на соединение и специальных связующих составов или креплений, например, таких как общий кожух.
Известна защитная конструкция (см патент США №US 3834881 под названием «FOAMED METAL ARTICLE», заявитель «Ethyl Corporation», опубл. 10.09.1974), содержащая по меньшей мере, три слоя: внешний защитный, промежуточный энергопоглощающий и опорный слой, причем внешний защитный слой выполнен из твердого упруго-пластичного материала, промежуточный энергопоглощающий слой состоит, по меньшей мере, из двух плит пеноалюминия расположенных в два слоя, опорный слой выполнен из пластично деформируемого материала. Причем между плитами пеноалюминия размещены тонкие алюминиевые листы, которые позволяют при ударе равномерно распределить нагрузку по сечению защитной конструкции, расположенному в плоскости действия силы ударной нагрузки. Основным недостатком известной конструкции является сложность технологии изготовления, так как соединение в конструкцию плит и листов требует дополнительных трудозатрат и материалов и приводит к усложнению технологического процесса изготовления.
Известна также защитная конструкция (см патент США №US 6698331 «Use of metal foams in armor systems», заявитель FRAUNHOFER USA INC, опубл. 02.03.2004), содержащая по меньшей мере, три слоя: внешний защитный, промежуточный энергопоглощающий и опорный слой, причем внешний защитный слой выполнен из твердого упруго-пластичного материала, промежуточный энергопоглощающий слой состоит, по меньшей мере, из двух плит пеноалюминия расположенных в два слоя, опорный слой выполнен из пластично деформируемого материала. Известная защитная конструкция имеет наибольшее количество сходных признаков и аналогичную область использования и по этой причине выбрана нами в качестве ближайшего аналога (прототипа). Основным недостатком известной конструкции, является выполнение плит пеноалюминия с одинаковыми свойствами и плотностью по толщине плиты, что приводит к их работе как одного единого слоя пеноалюминия, что снижает энерго поглощающие свойства и ударно-волновую поглотительной способность защитной конструкции в целом, потому что изотропный пеноалюминий имеет меньший коэффициент затухания ударной волны, и это приводит большему ее пути до затухания. Соединение плит сваркой или пайкой не может значительно изменить указанных свойств из-за малой толщины указанного слоя, сопоставимого с толщинами стенок между ячейками вспененного алюминия. Затраты на изготовление и соединение плит возрастают, а свойства по ударно-волновой поглотительной способности защитной конструкции практически не изменяются.
Задачей предложения является повышение технологичности производства и ударно-волновой поглотительной способности защитной конструкции, при уменьшении затрат на ее изготовление.
Указанная задача решается тем, что защитная конструкция содержит, по меньшей мере, три слоя: внешний защитный, промежуточный энергопоглощающий и опорный слой. Внешний защитный слой выполнен из твердого упруго-пластичного материала. Этот слой, как и в известных конструкциях, создает условия для равномерного распределения энергии давления ударной волны по поверхности и объему пеноалюминиевых плит, особенно это важно для первой плиты. Также этот слой предотвращает термохимическое воздействие горячих газов от воспламенившихся взрывчатых веществ (ВВ) на пеноалюминий, проникновение горячих и сжатых в ударной волне газов в полости ячеек пеноалюминия, возникновение трещин в них и их разрыв от давления газов, что может приводить к стремительному распространению трещин по ослабленным сечениям ячеек промежуточного энергопоглощающего слоя, к его слишком быстрому разрушению и к фрагментации с разлетом его осколков в разные стороны. После прохождения ударной волны, идет волна пониженного давления, которая при наличии трещин во внешнем защитном слое создает обратную волну, которая (при достаточной энергии сжатых ударной волной в трещинах и ячейках газов) раскрывает каждую трещину, образовавшуюся во внешнем защитном слое, и создает в нем разрывы в виде «лепестков тюльпана» или разрывает его на части, а ячейки промежуточного энергопоглощающего слоя - на отдельные осколки. Промежуточный энергопоглощающий слой состоит, по меньшей мере, из двух плит пеноалюминия расположенных в два слоя. Опорный слой выполнен из прочного упругого материала. Причем в промежуточном энергопоглощающем слое плиты выполнены из закаленного и искусственно состаренного пеноалюминия с переменной плотностью по толщине, при этом наибольшая плотность пеноалюминия достигается у внешних поверхностей каждой плиты. Указанные отличительные признаки совместно с известными позволяют повысить ударно-волновую поглотительной способность защитной конструкции и уменьшить затраты на ее изготовление. Это достигается из-за создания анизотропной среды с периодически меняющимися свойствами по пути распространения ударной волны, вследствие этого, кроме рассеивания энергии при деформации ячеек вспененного алюминия под ее действием происходит периодическое частичное отражение ударной волны от более плотного как бы шероховатого монолитного слоя, получаемого в местах соединения плит и наибольшей плотности у их поверхностей, как от шуморассеивающего покрытия. При уплотнении пеноалюминия до плотности монолитного металла указанные ранее плотные поверхности плит начинают работать как основной слой, который воспринимает нагрузку от давления ударной волны, амортизирует и гасит ее за счет упругой или пластической деформации. Если воздействие ударной волны велико, то далее начинает работать вспененный алюминий следующей плиты, как уже описывалось ранее, то есть процесс поглощения энергии ударной волны повторяется, а его эффективность возрастает в сравнении с однородным пеноалюминием. Снижение затрат на изготовление плит и повышение технологичности производства достигается вследствие использования технологического процесса, в котором при нагреве прекурсора выше точки плавления алюминия или его сплава происходит ценообразование (как в обычном процессе) (при этом возможна передержка для частичного закрытия ячеек пены на внешней поверхности), то есть в одном процессе без дополнительных затрат труда и времени на перемещение в другое технологическое оборудование или на установку, или на нанесение необходимого слоя материала на пеноалюминий из него получается плита переменной плотности по толщине. При закалке (быстром охлаждении) пеноалюминия, предотвращается дальнейшее распространение этого процесса в глубину плиты, последующее искусственное старение устраняет излишнюю хрупкость материала и повышает его прочность.
Защитная конструкция, в которой внешний защитный слой выполнен из материала, стойкого к истиранию, позволяет повысить стойкость конструкции к разрушению пеноалюминия при воздействии абразивных сред, например, при взаимодействии с каменистыми грунтами.
Использование в защитной конструкции в качестве всего опорного слоя (то есть взамен опорного слоя) или его части, например, путем совместного применения опорного слоя, выполненного в виде накладки, и штатной бронеплиты защитного сооружения или транспортного средства или частичного включения указанной бронеплиты в состав опорного слоя защитной конструкции, например, путем установки защитной конструкции на ее части, позволяет снизить затраты и повысить ее ударно-волновую поглотительную способность, при этом так же повышается технологичность установки защитной конструкции, а затраты снижаются за счет устранения операций по демонтажу штатных бронеплит.
Защитная конструкция, в которой общая толщина промежуточного энергопоглощающего слоя от 5 до 20 раз больше толщины опорного слоя и/или штатной бронеплиты защитного сооружения или транспортного средства, является оптимальным диапазоном для достижения максимального повышения ударно-волновой поглотительной способности при оптимизации затрат, так как каждое защитное сооружение или транспортное средство имеет заданную поглотительную способность к минно-взрывному воздействию. Меньшая толщина промежуточного энергопоглощающего слоя недостаточно повысит указанные свойства, большая (чем в указанном верхнем пределе) - приведет к излишнему увеличению веса и материальных затрат, что установлено опытным путем. Количество плит в промежуточном энергопоглощающем слое выбирается из условия предполагаемой интенсивности (вероятного многократного воздействия) и мощности используемых минно взрывных средств.
Защитная конструкция, в которой толщина внешнего защитного слоя составляет от 0,1 до 1,0 толщины опорного слоя и/или штатной бронеплиты защитного сооружения или транспортного средства, также выбирается из условия расчетной или экспериментально полученной поглотительной способности воздействия ударной волны для указанных объектов.
Защитная конструкция, в которой слои и плиты защитной конструкции соединены между собой жестко, позволяет повысить эксплуатационную надежность установленной на объекте или автономно используемой защитной конструкции, так как это предотвращает смещение плит и слоев при эксплуатации и нарушение их совместной работы при ударно-волновом воздействии.
Защитная конструкция, в которой слои и плиты соединены крепежными элементами, позволяет повысить эксплуатационную надежность наиболее распространенными, а следовательно и доступными средствам, что снижает затраты на переоснащение объектов и повышает технологичность ее изготовления и ремонта.
Защитная конструкция, в которой слои и плиты соединены пайкой дает возможность надежно соединить слои при серийном изготовлении и повысить надежность соединения при эксплуатации и улучшить его ремонтопригодность, что повышает технологичность ее изготовления и ремонта.
Защитная конструкция, в которой слои и плиты соединены клеем позволяет повысить технологичность изготовления при первичном производстве и дооборудовании защитными конструкциями разных типов бронетехники.
Защитная конструкция, в которой слои и плиты соединены перемешивающей сваркой трением дает возможность соединять между собой тонкостенные и толстостенные слои из разнородных металлических материалов без местного изменения их свойств.
Другие известные способы и устройства для соединения слоев и плит в защитной конструкции могут быть использованы с получением ранее известных свойств и технических результатов.
На рисунке показано поперечное сечение защитной конструкции.
Защитная конструкция содержит по меньшей мере, три слоя: внешний защитный, промежуточный энергопоглощающий и опорный слой.
Внешний защитный слой 1 выполнен из твердого упруго-пластичного материала, например, из стали типа 50Г.
Промежуточный энергопоглощающий слой 2 состоит, по меньшей мере, из двух плит 3 и 4 пеноалюминия расположенных в два слоя.
Опорный слой 5 выполнен из прочного упруго-пластичного материала, например, из конструкционной стали типа 2П.
Плиты 3 и 4 выполнены из закаленного и искусственно состаренного пеноалюминия или из сплава марки Д16 или АВ87 с переменной плотностью по толщине, при этом наибольшая плотность достигается у внешних поверхностей каждой плиты. Наиболее плотный слой алюминия на поверхности каждой плиты показан на приведенном рисунке условно и обозначен соответственно позициями 6, 7, 8 и 9.
В условиях ударно-взрывного воздействия защитная конструкция работает следующим образом.
Внешний защитный слой 1, как ранее описывалось, создает условия для равномерного распределения энергии давления ударной волны по поверхности и объему пеноалюминиевых плит и защищает их от термохимического воздействия горячих газов воспламенившихся ВВ и газов, сжатых в ударной волне, что особенно важно для первой плиты. Под воздействием ударной волны пеноалюминий прогибается, его ячейки разрушаются, что замедляет ее распространение вглубь защитной конструкции и частично гасит ее энергию.
Анизотропная среда промежуточного энергопоглощающего слоя 2 с периодически меняющейся плотностью пеноалюминия по толщине плит 3 и 4, расположенных по пути распространения ударной волны, нарушает единый фронт ее распространения, вследствие рассеивания ее энергии при дальнейшей деформации защитного слоя 1 и ячеек вспененного алюминия плит 3 и 4. При этом происходит периодическое частичное обратное отражение и рассеивание энергии ударной волны от более плотного как бы шероховатого плотного слоя внутренней поверхности плиты, получаемого вследствие неоднородности возникающей при изготовлении сопряженных между собой ячеек алюминиевой пены в месте их соединения между собой и плотных поверхностей 6, 7, 8 и 9 плит 3 и 4, а также слоев 1 и 5, и частичного отражения и рассевания ударной волны как от шуморассеивающего покрытия. При последовательном уплотнении пеноалюминия в каждой из плит 3 и 4 до плотности монолитного металла указанные ранее плотные поверхности 6, 7, 8 и 9 плит 3 и 4 начинают работать как опорный или защитный слой, который воспринимает нагрузку от давления ударной волны, амортизирует и частично гасит ее за счет их упругой или пластической деформации и более равномерно перераспределяет нагрузку от давления ударной волны по площади и объему защитной конструкции. Если воздействие ударной волны велико для одной пеноалюминиевой плиты, а она уже уплотнена до плотности монолитного алюминия или его сплава, далее начинает работать вспененный алюминий следующей плиты как уже описывалось ранее, то есть процесс поглощения энергии ударной волны и предотвращения проникновения горячих химически активных газов в глубь пеноалюминиевой плиты повторяется, а эффективность противодействия ударной волне и воздействию взрыва возрастает в сравнении с однородным пеноалюминием, при этом трещины, возникшие в материале первой плиты, не развиваются дальше границы поверхности первой. При этом следует отметить, что общая толщина двух плотных поверхностей сопряженных пеноалюминиевых плит равна или сопоставима с толщиной внешнего защитного слоя.
Остаточную энергию ударной волны защитная конструкция гасит за счет упругих деформаций и колебаний опорного слоя 5.
При превышении энергии ударной волны над прочностью защитной конструкции более равномерное распределение давления ударной волны позволяет значительно повысить ее поглотительную способность в целом.
В качестве примера практического применения можно привести результаты сравнительных испытаний, рассмотренные в статье авторов изобретения «Пеноалюминий как перспективный энергопоглощающий материал бронезащиты» из научно-технического сборника «Вопросы оборонной техники» Серия 15 «Композиционные неметаллические материалы в машиностроении» выпуск 1(160)-2(162) стр.3-5, опубл. апрель 2011 г.
В примере выполнения, где приведены результаты эксперимента с подрывом заряда взрывчатого вещества (ВВ) под днищем корпуса БТР-80, показано, что без защитной конструкции с пеноалюминием, но с ее массовым эквивалентом в виде дополнительного восьмимиллиметрового стального листа, установленного на расстоянии равном общей толщине защитной конструкции, корпус имеет неприемлемые повреждения с трещиной по шву и стрелой прогиба 140-150 мм, а при использовании защитной конструкции состоящей из внешнего защитного слоя в виде трехмиллиметрового стального листа из стали типа 50Г и 55 мм пеноалюминия из сплава марки Д16 или АВ87 стальной корпус из стали типа 2П толщиной 15 мм имеет не фатальные повреждения с прогибом днища 115 мм.
Использование двух и более плит пеноалюминия еще больше повышает ударно волновую поглотительной способность защитной конструкции, что подтверждено экспериментами.
Испытания показали, что защитная конструкция по изобретению обеспечивает решение поставленной задачи и достижение технического результата в части повышения ударно-волновой поглотительной способности защитной конструкции.