БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ ИМИТАТОР ТОРСА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ БРОНЕЖИЛЕТА

Полезная модель относится к устройствам для испытания средств индивидуальной защиты человека, в частности к баллистическим испытательным стендам предназначенных для оценки защитных свойств бронежилета (БЖ) при воздействии высокоскоростных поражающих элементов (ПЭ), вторичных низкоскоростных осколков (фрагментов) и воздушной ударной волны (ВУВ) взрыва боеприпаса.
Полезная модель предназначена для определения защитных свойств (травмобезопасности) бронежилета при условии кондиционного воздействия на него пули или осколка боеприпаса и формировании заброневой контузионной травмы [1], а также ВУВ взрыва.
В США по стандарту «Ballistic Resistance of Personal Body Armor, NIJ Standart - 0101.06», 2008 г., заброневая травма при непробитии бронежилета поражающим элементом боеприпаса определяется по глубине отпечатка на блоке пластилина марки Roma#l. Пластилин расположен внутри деревянного ящика с размерами 61×61×14 см. Определение заброневой травмы проводится без анти травматических вставок, которые перед испытаниями изымаются из структуры бронежилета. Полученный фрагмент бронежилета вдавливают в пластилин, исключая воздушные зазоры. После выстрела и установление того, что воздействие является кондиционным, глубину полученного отпечатка измеряют лучом лазера. Допустимая глубина отпечатка не должна превышать 44 мм.
Аналогичный способ и соответственно устройство (ящик наполненный пластилином) описаны в стандарте Германии - «TECHNISCHE RICHTLINIE SCHUTZWESTEN», редакция 2008 г., и Великобритании «HOSDB Body Armour Standards For UK Police», редакция 2007 г. Кроме того, данное устройство и способ оценки заброневой травмы регламентированы в документе [2].
Известен патент US 6769286 B2 «Инструментированная модель торса» [3] для измерения результата высокоскоростного или низкоскоростного воздействия ударника, которая включает:
- имитаторы костей ребер и грудины, тканей окружающих смоделированные кости, смоделированные слои жира и кожи, желатиновые слои между ними, а также смоделированные внутренние органы;
- массив (сетку) датчиков (акселерометры, датчики силы и преобразователи перемещения), которые могут быть расположены либо в желатиновых слоях, либо прилеплены к костной или мягкой ткани, либо к (в) внутренним органам и предназначены для измерения воздействий от удара на перечисленные имитаторы.
Корпус торса предложено изготавливать, в том числе из полиуретана, а внутренние ткани и органы из силикона с заполнением полостей желатином.
Патент US 20060191544 A1 - «Торакальная модель торса» [4] отличается от «Инструментированной модели торса», во-первых, использованием баллистического желатина с антисептиком для изготовления внутренних органов и мягких тканей торса, во-вторых, при моделировании легкого в желатин добавляли микросферы Expancel DE и, в третьих, датчики располагают оптимально путем применения анализа главных компонент (РСА - Principal Component Analysis) в сердце, легких и позвоночнике.
К недостаткам данных моделей торса следует отнести:
а) сложность и дороговизна изготовления модели торса, которая сама по себе является имитатором, а не анатомическим аналогом, за счет включения имитаторов костей ребер, позвоночника, грудины, имитаторов отдельных, а не всех внутренних органов, имитаторы тканей, окружающих смоделированные кости и органы без соединительных тканей, связок, хрящей, вен, артерий и т.п.
б) неопределенность местоположения датчиков (ускорения, силы и перемещения) в имитаторе торса даже с оптимальным расположением в сердце, легких и позвоночнике на основе анализа главных компонент (РСА - Principal Component Analysis) не обеспечит репродуктивность и требуемую достоверность получаемых регистраций для их последующей обработки и анализа.
в) модель торса неподвижна (зафиксирована), что не соответствует действительности.
В качестве прототипа рассмотрим стенд для определения защитных свойств бронежилета, патент RU 2397468, [5]. Стенд содержит горизонтально расположенную и заполненную жидкостью цилиндрическую емкость с размещенной с фронтальной стороны (резиновой) мембраной, установленный перед цилиндрической емкостью со стороны мембраны ударный механизм с линией удара, расположенной по оси цилиндрической емкости, и расположенный в цилиндрической емкости датчик давления сферической формы с центром на линии удара. А также стенд содержит расширительную емкость с источником давления, соединенную через вентиль с цилиндрической емкостью. Калибровку стенда выполняют ударами падающего груза маятникового копра с заданной энергией удара и регистрацией импульса давления в жидкости. Далее устанавливают на направляющие стенда бронежилет и производят по нему удар поражающим элементом боеприпаса, также с регистрацией импульса давления в жидкости, который и сравнивают с импульсом, полученным при калибровке стенда.
К недостаткам данного стенда следует отнести: калибровка ударом маятникового копра соответствует только случаю низкоскоростного удара вторичного осколка; низкая репродуктивность результатов испытаний, несмотря на введенную расширительную емкость с источником давления; предложенный способ обработки импульсов давления при ударах по защищенной БЖ и незащищенной мембране стенда (например, по способу патент №RU 2254544, [6]) требует переработки.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является реализация совместного применения в одном подвижном имитаторе торса, выполненного в соответствии с антропометрическими параметрами человека, отдельно грудной и брюшной секций, разделенных эластичной перегородкой и заполненных жидкостью, с установленным блоком акселерометра и пьезоэлектрического датчика, либо в эластичной перегородке, либо в каждой секции отдельно, либо в эластичной перегородке и в каждой секции отдельно, что существенно повышает информативность выполняемых баллистических испытаний бронежилетов и позволяет определить параметры процесса формирования повреждения (заброневой контузионной травмы) как при условии не пробития бронежилета поражающим элементом боеприпаса, удара падающего груза (вторичных осколков), так и при воздействии воздушной ударной волны взрыва.
Сущность полезной модели поясняется эскизом (рисунок 1), где показан баллистический имитатор торса с размещением блока акселерометра и пьезоэлектрического датчика 1 в эластичной перегородке 7 (рисунок 1а) или двух аналогичных блоков в верхней части грудной секции 2 и нижней части брюшной секции 8 (рисунок 1б), заполненных жидкостью 6. Заполнение жидкостью каждой секции осуществляется либо через отверстие в блоке 1, либо через отверстие в блоке 9. В грудной секции 2 дополнительно размещен имитатор правого и левого легкого 3, представляющий собой пузырь (или два пузыря) из тонкой эластичной пленки (например, полиэтилена) заполненный гранулами из твердого материала (с добавлением пенообразователя, например, Expancel Microspheres, [9]) и воздухом. Масса, плотность и объем имитатора могут быть отрегулированы, в пределах средних значений для легкого человека, путем подачи воздуха через патрубок 5 и ниппель 4. Дополнительно в эластичной перегородке 7 могут быть расположены два (четыре, или более) разнонаправленных обратных клапана, позволяющих перемещаться жидкости и выравнивать давление в грудной и брюшной секциях, в том числе, при ударных воздействиях.
Баллистический имитатор торса (БИТ), для проведения испытаний на травмобезопасность (ударостойкость) бронежилета следует устанавливать на мини-сани (по аналогии со стандартом NIJ Standard-0106.01), двигающиеся по направлению удара, либо использовать специально разработанный амортизатор перемещения торса в пространстве.
Для определения защитных свойств бронежилета при условии его непробития поражающим элементом боеприпаса, ударах падающего груза (вторичных осколков) и воздействии воздушной ударной волны можно воспользоваться способом оценки травмобезопасности бронешлема при взрыве боеприпаса изложенным в патенте RU 2644901 С1 [10].
Полезную модель - баллистический имитатор торса используют следующим образом.
После изготовления и сборки каждую секцию БИТ тарируют нормированными по величине кинетической энергии ударами ПЭ, например стальным шаром, как это показано на Фигуре 2. Регистрируют показания акселерометра и пьезоэлектрического датчика - реализуют способ оценки травмобезопасности [9] и получают нормированные кривые перегрузки и внутриполостного давления, которые и используют для сравнения.
Экипируют БИТ бронежилетом заданного класса защиты, выбирают оружие и патрон, дистанцию выстрела и локализацию удара. Выполняют выстрелы отдельно по грудной и брюшной секции. На каждом выстреле регистрируют показания акселерометра и пьезоэлектрического датчика, например, как это показано на Фигуре 3. Далее реализуют способ оценки травмобезопасности, изложенный в патенте RU 2644901 С1 [9] и рассчитывают кривые перегрузки и внутриполостного давления, которые и используют для сравнения. Кроме этого, можно выполнить сравнение кривых перегрузки и внутриполостного давления штатного бронежилета, травмобезопасность которого проверена в условиях боевой эксплуатации, с кривыми перегрузки и внутриполостного давления полученными для перспективного бронежилета.
Тарирование БИТ нормированной по величине пикового избыточного давления и продолжительности фазы сжатия воздушной ударной волны реализуют в ударной трубе, позволяющей по своим габаритным размерам размещение торса на участке движение плоской УВ (волны Маха). Для установления связи параметров ВУВ с вероятностью летального исхода или выживания объекта защиты, а, следовательно, и нормированных кривых перегрузки и внутриполостного давления, можно использовать известные модифицированные кривые Боуэна [10, 11].
Таким образом, полезная модель обеспечивает единство количественной оценки параметров процесса формирования заброневого повреждения объекта защиты при не пробитии бронежилета различными высокоскоростными поражающими элементами, ударах вторичных осколков и воздействии воздушной ударной волны взрыва боеприпаса.
Источники информации
1. ГОСТ Р 50744-95. Бронеодежда. Классификация и общие технические требования. С изм. №1, 2, 3 и 4. Госстандарт России: М.: Изд. стандартов. 1995-2017. - 21 с.
2. Testing of Body Armor Materials: Phase III. The National Academies Press 500 Fifth Street, NW Keck 360 Washington, DC 20001 - http://www.nap.edu
3. Biermann et al. United States Patent №: US 6769286 B2: Instrumented torso model. Date of Patent: Aug. 3, 2004 - 6 p.
4. Simmonds et al. United States Patent № US 20060191544 A1: Instrumented thoracic model. Date of Patent: Aug. 31, 2006 - 18 p.
5. Патент RU 2397468. Стенд для определения защитных свойств бронежилета / П.В. Трофимов, В.И. Мельников, В.В. Дворников, Т.С. Романова, С.М. Логаткин, Е.П. Тырнов, - заявл. 2008 г., опубл. 2010 г.
6. Патент на полезную модель №148811. Баллистический имитатор головы для определения защитных свойств шлемов / А.А. Котосов, М.В. Тюрин и др. - заявл. 31.03.2014 г., опубл. 14.11.2014 г.
7. Патент RU 2649740 С2. Способ для определения защитных свойств средств индивидуальной защиты при непробитии высокоскоростными поражающими элементами / А.А. Котосов, М.В. Тюрин и др. - заявл. 24.08.2016, опубл. 01.03.2018 г.
8. https://expancel.akzonobel.com
9. Патент RU 2644901 С1. Способ определения травмобезопасности бронешлема при взрыве боеприпаса / А.А. Котосов, Д.Ю. Ковалев и др. - заявл. 11.01.2017, опубл. 14.02.2018 г.
10. Bass, C.R., "Injury biomechanics of blast: known and unknown," DSRC Mitigation of blast injury: modeling and simulation workshop, DARPA - Defense Sciences Research Council, Arlington, Virginia, April 2005.
11. И.Е. Жуков, А.А. Котосов, A.B. Миляев. Механизмы и критерии травмы дыхательной системы / журнал «Вопросы оборонной техники» сер. 16 вып. 11-12, 2015, с. 53-58.