КОМПОЗИЦИОННАЯ БРОНЕВАЯ ПРЕГРАДА

Полезная модель относится к композиционным броневым защитным материалам, применяемым в различных областях техники, в частности при создании конструкций для защиты от ударных воздействий различных поражающих средств (например, стрелкового оружия), а также защиты механизмов и устройств различных видов объектов.
Известна броня для баллистической защиты от поражающих элементов, состоящая из основной и вспомогательных пластин, между которыми находится сотовидная структура, которая может быть в виде регулярной матрицы, пены или эластомера, выполняющая абсорбирующую удар функцию. Основная пластина брони выполнена из металла, вспомогательная изготавливается из различных видов синтезированной керамики: оксида алюминия, карбида бора и т.п. - и имеет регулярный рельеф, выполненный в виде глухих отверстий. Соединение основной пластины, сотовидной матрицы и вспомогательной пластины осуществляется с помощью клея (патент US №5221807, опубликован 22.06.1993 г.).
Одним из основных недостатков бронированного элемента является ненадежная защита из-за того, что попадание поражающего элемента, особенно подкалиберной пули, в стык между пластинами приводит к интенсивному разрушению их торцевых поверхностей в зоне удара. Это разрушение усиливается за счет влияния краевых эффектов. В конечном результате, увеличивается зазор в стыке между пластинами и, как следствие, пуля пробивает слои бронированного элемента насквозь.
Известна легкая композитная броня, состоящая из цельного плоского металлического матричного блока, имеющего во фронтальном слое множество открытых ячеек заданной формы и размеров. В каждой из этих ячеек расположены керамические элементы, изготовленные из оксида алюминия или карбида кремния. Эти элементы служат для поглощения кинетической энергии воздействующего на броню баллистического снаряда при их разрушении. В зазорах между керамическими элементами и ребрами ячеек матричного блока находится жидкий керамический раствор (цемент), который закрепляет элементы в матрице (патент US №5686689, опубликован 11.11.1997 г.).
К недостаткам этого технического решения можно отнести, в первую очередь то, что попадание пули непосредственно в стык керамических элементов приводит к пробиванию конструкции даже при наличии керамического раствора в стыке с между секциями. Кроме того, соединение секций для исключения зазоров в стыках между секциями переутяжеляет конструкцию в целом.
Наиболее близким техническим решением, которое может быть принято в качестве прототипа, является баллистическая броня, состоящая из множества сложных керамических элементов, имеющих цилиндрическую часть и две сферические или плоские поверхности на концах. Эти керамические элементы, изготовлены из карбида кремния, нитрида кремния, глинозема и т.п., закреплены в регулярной плоскостной сотовидной структуре, изготовленной из металлической ленты, стекловолокна, кевлара или пластмассы. Промежутки между керамическими элементами заполнены синтетической пеной. На тыльной стороне конструкции находится опорный слой из синтетического материала типа кевлар, который поглощает осколки керамических элементов и осколки снаряда (патент ЕР №1363101, кл. F41H 5/04, опубликован 19.11.2003 г.).
Основным недостатком баллистической брони является то, что попадание подкалиберной пули в стык между элементами из керамики приводит к интенсивному разрушению их торцевых поверхностей в зоне удара. Это разрушение также усиливается за счет влияния краевых эффектов. В конечном результате, в стыке между плитами увеличивается зазор, и пуля пробивает слои бронированного элемента насквозь.
Задачей предполагаемой полезной модели является надежная защита охраняемого объекта от воздействия пуль стрелкового оружия.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение защитных свойств броневой преграды к воздействию подкалиберных пуль стрелковых систем путем дестабилизации движения пули за счет изменения профиля стыка торцевых поверхностей элементов из керамики и предложенной стыковки их между собой.
Поставленная цель достигается тем, что в композиционной броневой преграде, состоящей из множества сложных керамических элементов, изготовленных из карбида кремния, нитрида кремния, глинозема и т.п., закрепленных в регулярной плоскостной сотовидной структуре, изготовленной из металлической ленты, стекловолокна, кевлара или пластмассы, керамические элементы выполнены в форме прямой треугольной призмы со сферическим основанием, образуя отклоняюще-дробящий экран с многорядным расположением примыкающих друг к другу боковыми поверхностями керамических элементов.
Промежутки между керамическими элементами заполнены полимерным клеем. На тыльной стороне конструкции находится опорный слой из синтетического материала типа кевлар, который поглощает осколки керамических элементов и осколки снаряда.
Скосы боковых поверхностей каждой пары элементов из керамики выполнены во взаимно противоположных направлениях, при этом длина каждого скоса выбрана такой, что при стыковке элементов из керамики с противоположными направлениями скосов образуются фронтальные и тыльные зазоры глубиной 0,2…0,4 и шириной 0,04…0,15 от толщины элементов из керамики. Суммарная длина на состыкованных элементах из керамики, образующаяся на продолжении линии скоса, составляет не менее 0,7 от толщины элементов из керамики.
Общими существенными признаками известного устройства и заявляемого технического решения является наличие броневой преграды, содержащей ряд, чередующийся бронированных слоев, один из которых выполнен в виде керамического отклоняющедробящего экрана.
Общий вид предлагаемой полезной модели представлен в соответствии с фиг. 1 (представлена структура композиционной броневой преграды) и на фиг. 2 - керамический элемент.
Броневая преграда, включает отклоняюще-дробящий экран 1, закрепленный в регулярной плоскостной структуре на металлической или композиционной подложке 2, с помощью полимерного клея, а отклоняюще-дробящий экран 1 образован многослойным расположением примыкающих друг к другу керамических элементов 3, выполненных в форме прямой треугольной призмы со сферическим основанием, прилегающих боковыми поверхностями 4 друг с другом и скрепленных полимерным клеем, при этом преграда может быть закреплена в пакет жестко связанных между собой винтовым соединением преград, а в качестве металлической или композиционной подложки 2 использован броневой слой.
Прилегающие боковые поверхности керамических элементов 3 имеют зазор между собой, составляющий меньше 0,03 диаметра пули, дробящее-отклоняющий экран 1 с фронтальной стороны закрыт наружной броневой преградой 5. Керамические элементы 3 скреплены с наружной броневой преградой 5, с боковой поверхностью 4 соседних прилегающих керамических элементов 3, а также между собой в слое и в местах примыкания их поверхностей один к другому с помощью полимерного клея, а наружная броневая преграда 5 выполнена из стали 2П(98) толщиной 2 мм.
Отклоняющий эффект на фронтальной поверхности отклоняюще-дробящего экрана 1 достигается за счет образования первоначального угла рикошета боковыми поверхностями 4 и сферическими основаниями керамических элементов 3.
Металлическая или композиционная подложка 2 может выполняться как однослойной, так и многослойной, может быть изготовлена из дополнительно размещенных слоев АМГ6-М 6, стали 2П(98), что позволяет более эффективно варьировать жесткостью и нерегулярностью поведения подложки и более эффективно затормаживать разрушенную пулю и осколки керамических элементов 3 за счет расслоения при ударе и последующей деформации каждого отдельного слоя с максимальной реализацией их прочностных свойств.
Условия фрагментации сердечника создаются первоначально в области контакта пули с наружной броневой преградой 5, где преобладают зоны с одномерным сжатием, а затем, при наклонном проникновении в последующий слой керамических элементов 3, в области с большими сдвиговыми напряжениями. Фрагментация пули происходит за счет образования максимальных касательных напряжений при ударе сердечника пули под углом. При этом разрушение носит разрывной характер за счет преобладающего влияния растягивающих напряжений. В зависимости от задач, которые может выполнять броневая преграда, она может компоноваться в пакет, жестко связанных между собой винтовым соединением однотипных броневых преград, отнесенных одна к другой по глубине на заданное расстояние, например, после броневой преграды может быть установлена энергопоглощающая пластина 6, выполненная, например, из алюминиевого сплава АМГ6-М толщиной 8 мм, а также тыльная броневая плита 7, выполненная из стали 2П(98) толщиной 2 мм.
Действие броневой преграды заключается в следующем: пуля внедряется в наружную броневую преграду 5, пробивает ее и вступает в контакт с одним из нескольких керамических элементов 3, перемещая конкретный керамический элемент 3 настолько, насколько позволяет слой полимерного клея и прочность керамического элемента 3. Стальной сердечник бронебойной пули начинает разрушать керамику и одновременно разрушается сам. Сломанный сердечник продолжает разрушение керамических элементов за счет своей кинетической энергии. Наклон боковых поверхностей 4 керамических элементов 3, направленный в сторону обстрела, обеспечивает дестабилизацию пули при проникновении в керамический элемент 3. Разрушению всего блока препятствует податливость слоя керамических элементов 3, как в направлении действия пули, так и в перпендикулярном направлении, за счет перемещения соседних керамических элементов 3 в слое полимерного клея. Крупные осколки керамических элементов 3 удерживаются наружной броневой преградой 5, что обеспечивает сохранение защитных свойств в непосредственной близости от точки попадания.
Толщина листа наружной броневой преграды 5 менее 1,0 мм недостаточна для удержания осколков пули и керамики при воздействии пули крупного калибра, а более 3 мм - приводит к неоправданному утяжелению конструкции и увеличению материалоемкости.
При встрече с керамическим элементом 3 пуля начинает разрушаться и отклоняться от первоначальной траектории полета. При этом большая часть ее энергии расходуется на приведение в колебательное движение соседних керамических элементов 3, что в принципе напоминает "бильярдный эффект". Керамический элемент 3 разрушается, гасит энергию ударной и звуковой волны, что предотвращает разрушение соседних керамических элементов 3. В результате этого "ослабленная", полуразрушенная пуля и образовавшиеся при этом осколки дестабилизируются на боковых поверхностях керамических элементов 3 или на их вершинах, что достигается за счет образования первоначального угла рикошета, образованного боковыми поверхностями 4 керамического элемента 3, выполненного в форме прямой треугольной призмы со сферическим основанием и задерживаются металлической или композиционной подложкой 2.
При возможном проникновении поражающего элемента через керамические элементы 3 и металлическую или композиционную подложку 2 происходит дальнейшее разрушение сердечника поражающего элемента и его фрагментация на отдельные мелкие осколки, задерживающиеся внутри броневой преграды с дальнейшей дестабилизацией траектории поражающего элемента. Металлическая или композиционная подложка 2 окончательно гасит кинетическую энергию осколков пули и керамики, задерживая их внутри броневой преграды.
При достижении поражающим элементом энергопоглощающей пластины 6, выполненной из материала АМГ6-М толщиной 8 мм, окончательно гасится его кинетическая энергия, благодаря наличию упругодеформированного эффекта, тыльная броневая плита 7, выполненная из стали 2П(98) толщиной 2 мм, обеспечивает гарантированное не пробитие броневой преграды.
Ослабленная в процессе увязания в слоях защиты пуля легко улавливается металлической или композиционной подложкой 2. Защитный эффект здесь достигается не за счет упрочнения брони, а в результате рассеивания энергии бронебойного сердечника в плоскости наружной броневой преграды 5 и отклонения его от первоначальной траектории движения керамическими элементами 3.
Ремонтопригодность композиционной броневой преграды повышается за счет того, что замена поврежденных элементов производится блоками с использованием стандартного инструмента, в том числе и замена керамических элементов 3.
Такое техническое решение позволяет при попадании пули в броневую преграду в зону отклоняюще-дробящего экрана, осуществлять ее дестабилизацию и разрушение. Подложка получает незначительные повреждения без сквозного пробития. Для обеспечения необходимых равнопрочных защитных свойств броневой преграды, прежде всего при попадании пули в зазоры между бронеэлементами торцевые поверхности фасонных элементов из керамики выполнены сложного профиля, наиболее важным является то, что боковая часть этого профиля выполнена со скосом определенной длины и скосы каждой пары элементов из керамики выполнены во взаимно противоположных направлениях. При стыковке элементов из керамики образуются фронтальные и тыльные зазоры, смещенные друг относительно друга. Стойкость к воздействию подкалиберных пуль стрелкового оружия при попадании пули во фронтальный зазор достигается за счет того, что при этом происходит дестабилизация пули при ее контакте с боковыми поверхностями элементов из керамики. Пуля отклоняется от первоначального направления движения, начинает разворачиваться, процесс ее разрушения усиливается. Подложки броневой преграды достигает незначительная часть пули, примерно 0,2…0,3 от ее начальной длины. В случае попадания пули в зону фронтального зазора вначале происходит постепенное, но интенсивное, ее разрушение с потерей устойчивости. Далее пуля теряет свою устойчивость и разворачивается. При взаимодействии с подложкой происходит ее интенсивное торможение. Подложка получает незначительное локальное повреждение без сквозного пробития. Конструкция броневой преграды выполнена таким образом, что стыки между соседними бронеэлементами не являются слабым звеном, а наоборот, становятся полезными с точки зрения реализации процессов дестабилизации движения пули, поворота и усиления ее разрушения при внедрении в защитные слои. Угол наклона скоса торцевых поверхностей элементов из керамики выбран из условия реализации рикошета подкалиберной пули и непробития броневой защиты.
Глубина и ширина фронтального и тыльного зазоров, образующихся при стыковке соседних элементов из керамики, зависят от длины скосов боковых поверхностей прямой треугольной призмы со сферическим основанием с взаимно противоположными направлениями. При этом суммарная длина соприкасающихся поверхностей элементов из керамики должна составлять не менее 0,7 от толщины элементов из керамики. Если же эти соотношения не сохраняются, защитные и эксплуатационные свойства броневой защиты снижаются.
В то же время ширина зазора должна быть заведомо меньше миделя подкалиберной пули, чтобы не происходило свободное проникание пули в конструкцию и, следовательно, пробитие броневой защиты. Кроме того, ширина зазоров в стыках должна быть не меньше величины тепловых зазоров между элементами из керамики для того, чтобы сохранялась конструкционная прочность броневой защиты в эксплуатации при температурных перепадах. Выбранная ширина зазоров 0,04…0,15 от толщины элементов из керамики удовлетворяет указанным требованиям.
Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает надежную защиту охраняемого объекта от воздействия подкалиберных пуль стрелкового оружия за счет профиля торцевых поверхностей элементов из керамики и стыковки их между собой.
На тыльной стороне конструкции может находиться опорный слой из арамидного материала типа кевлар, который поглощает осколки керамических элементов и осколки снаряда.
Блокирующие свойства броневой преграды обеспечиваются организацией косого удара при встрече поражающего элемента с внешней поверхностью отклоняюще-дробящего экрана, выполненного из соприкасающихся керамических прямых треугольных призм со сферическим основанием и последующими разрушениями в отклоняюще-дробящем экране, броневой плите и энергопоглощающих преградах с полным гашением их скорости в слоях преграды.
Данное конструктивное решение и оптимальные характеристики керамики получены на основании большого числа экспериментов. В предложенной керамической броневой преграде повышается эффективность работы керамического материала, который дестабилизирует пулю и поглощает энергию сердечника пули за счет сочетания свойств, характерных только для реакционно-связанных материалов, таких как высокая микротвердость, практически нулевая пористость, внутренние микронапряжения.
Промышленная применимость заявляемой броневой преграды подтверждается опытными испытаниями, которые показали, что применение предложенной броневой преграды обеспечивает не поражение при обстреле 12,7 мм бронебойными пулями Б-32 при дальности стрельбы 100 м.
Технический результат, полученный при использовании полезной модели, выражается в обеспечении защиты объекта от попадания нескольких бронебойных пуль Б-32 калибра 7,62 мм СВД, летящих со скоростями до 840 м/с, при расстоянии между попаданиями в объекте не менее 100 мм, что соответствует 6а классу ГОСТ Р 50744-95, ГОСТ Р 50963-96.
Таким образом, предложенная композиционная броневая преграда позволяет обеспечить высокие защитные свойства объектов от бронебойных пуль стрелкового оружия, в том числе крупнокалиберных, за счет повышения стойкости, живучести и ремонтопригодности многослойных броневых преград с керамическими материалами.