Результат интеллектуальной деятельности: Бронезащитная преграда

Изобретение относится к броневым конструкциям, которые могут быть применены в индивидуальных и транспортных средствах для защиты от воздействия пуль стрелкового оружия и высокоэнергетических осколков поля боя, а также в атомной и других отраслях промышленности для применения в качестве средств пассивной защиты изделий.

Известна конструкция броневой панели для защиты объектов от поражения пулями и осколками (патент РФ №2187061, F41H 1/02, 5/04, опубл. 10.08.2002), содержащая одинаковые гофрированные слои, между которыми расположен сыпучий, термостойкий, малоплотный, твердый наполнитель, а сами слои в местах контакта выступов соединены с возможностью относительного смещения в плоскости контакта.

Недостатком данной конструкции является:

- броневая панель обеспечивает необходимую эффективность защиты не выше 5а класса по ГОСТ Р 50744-95, ГОСТ Р 50963-96 и осколков с малой скоростью и массой, так как для разрушения термоупрочненного сердечника используется первый гофрированный слой, имеющий большую твердость, и последующий сыпучий наполнитель. Известно, что материалы, обладающие большой жесткостью, подвержены хрупкому разрушению, в связи с этим при пробитии первого слоя произойдет его разрушение и разброс сыпучего наполнителя, таким образом, высокоэнергетическая пуля и осколок продолжат пробитие последующего стального слоя беспрепятственно;

- трудоемкость обеспечения эффективной защиты объектов со сложной профильной формой.

Известна защитная пластина для защиты человека или конструкции от ударов пуль, осколков, колющих и режущих предметов (патент РФ №2009441, F41H 1/02, опубл. 15.03.1994), состоящая из гофрированных слоев, скрепленных деталями крепления, при этом смежные слои размещены со смещением их гофр относительно друг друга на расстояние 0,05-0,25 длины волны гофра, а зазоры между смежными слоями заполнены коротковолнистым материалом.

Недостатками такой брони являются:

- защитная преграда решает задачу защиты не выше 5 класса по ГОСТ Р 50744-95, ГОСТ Р 50963-96, так как гашение кинетической энергии удара происходит в основном за счет трения соприкасающихся частей гофр смежных слоев, что не всегда бывает достаточно для обеспечения необходимых защитных свойств;

- трудоемкость обеспечения эффективной защиты объектов со сложной профильной формой и сложность в изготовлении самой защитной преграды с определенным смещением гофрированных листов относительно друг друга для обеспечения эффективной защиты.

Известна пассивная многослойная бронезащита, которая может быть использована при изготовлении средств бронезащиты, в частности броневых конструкций для защиты от осколков и пуль стрелкового оружия (патент РФ №2413919, F41H 1/00, опубл. 10.03.2011). Бронезащита от пуль со стальным сердечником включает защитные экраны, выполненные из металлических сеток с величиной ячеек от половины до одного калибра пули. При этом сетки выполнены из проволоки с твердостью не менее твердости сердечника пули. Пассивная многослойная бронезащита содержит последовательно распложенные слои (плоские, гофрированные) и наполнитель.

Недостатками данной бронезащиты являются то, что она обеспечивает эффективную защиту только от малоэнергетических пуль калибра 5,45 мм, 9 мм и им подобных, так как ее работа построена на погашении энергии и изменении направления движения поражающего элемента за счет возможности сдвига гофрированных слоев. Для обеспечения защиты от пуль большего калибра с термоупрочненным сердечником и высокоэнергетических осколков поля боя необходимо в качестве лицевого слоя использовать материал с твердостью, превышающей твердость поражающего элемента.

Наиболее близким аналогом является бронезащитная преграда, которая может быть использована в средствах индивидуальной защиты, защиты приборов, транспортных и стационарных устройств от воздействий пуль стрелкового оружия, осколков поля боя (патент РФ №149093, F41H 5/04, опубл. 20.12.2014). Бронезащита от пуль со стальным сердечником включает фронтальный керамический слой, подложку и облицовку для фиксации фронтального керамического слоя, подложка выполнена из материала с пределом прочности при растяжении 0,4×10⁹-2,5×10⁹ Па. Толщина подложки составляет 0,4-0,9 от толщины фронтального керамического слоя.

Основным недостатком данной бронезащиты являются ее большая масса, так как толщина металлической подложки составляет до 90% от толщины керамического слоя. Как известно, для эффективного разрушения пули калибра 12,7 мм толщина керамического слоя должна быть не менее 10 мм, в связи с этим поверхностная плотность без учета облицовки составит более 90 кг/м².

Задачей изобретения является разработка надежной, с незначительным тыльным прогибом, пассивной многослойной брони от воздействия пуль до калибра 12,7 мм и высокоэнергетических осколков поля боя с поверхностной плотностью не более 80 кг/м².

Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение защитных свойств пассивной многослойной брони с сохранением ее массогабаритных характеристик и уменьшением величины тыльного прогиба для исключения удара по защищаемому элементу прибора.

Технический результат достигается тем, что бронезащитная преграда содержит гофрированный слой, выполненный из рессорно-пружинной стали, и фронтальный слой из керамического материала. На тыльную сторону гофрированного слоя устанавливается слой из неметаллического материала. Между гофрированным слоем и керамическим введен по крайней мере один слой подложки, выполненный из материала с пределом прочности при растяжении от 0,1×10⁹ до 1,1×10⁹ Па. Керамический слой заневолен наружной облицовкой из материала с пределом прочности при растяжении более ≥50 МПа, толщиной 0,5-1,5 мм.

Гофрированный слой изготавливается из рессорно-пружинной стали (ГОСТ 14959-79). Толщина гофрированного слоя s и высота h определяется линейной зависимостью от кинетической энергии поражающего элемента, представленной на фиг. 1 .

Увеличение высоты и толщины гофрированного слоя относительно расчетного значения приводит к уменьшению прогиба тыльного слоя, при этом масса и толщина бронезащитной преграды превысит известные аналоги, а уменьшение приводит к пробитию бронезащитной преграды (дополнительного отбора энергии подложкой и гофрированным слоем не происходит).

Слой из неметаллического материала может быть выполнен из пенопласта, слюды, резины или других неметаллических материалов, обладающих твердостью от 30 до 150 МПа, позволяющих на начальном этапе пробития удерживать гофрированный слой в момент начала его движения с последующей потерей устойчивости. Твердость слоя из неметаллического материала, установленного с тыльной стороны гофрированного слоя, подобрана на основании расчетно-экспериментальных исследований по воздействию поражающего элемента на бронезащитную преграду. При твердости слоя из неметаллического материала меньше 30 МПа происходит мгновенное распрямление гофры и пробитие гофрированного и неметаллического слоя, при твердости больше 150 МПа неметаллический слой работает как наковальня (происходит пробитие гофрированного слоя с последующим пробитием неметаллического слоя), при этом дополнительного отбора энергии гофрированным слоем не происходит.

Подложка между керамическим и гофрированным слоем может быть выполнена однослойной или двухслойной. Для защиты от пуль калибром до 7,62 мм подложка выполняется однослойной из алюминиевого сплава. Для защиты от пуль калибром более 7,62 мм и высокоэнергетических осколков подложка выполняется двухслойной из алюминиевого сплава и стали или однослойной из стали.

Боковые кромки всех слоев охвачены наружной облицовкой.

Все элементы брони между собой могут быть скреплены с помощью клея.

Стойкость к воздействию бронебойно-зажигательных пуль стрелкового оружия и высокоэнергетических осколков поля боя и, как следствие, повышение надежности заявляемой пассивной многослойной брони достигаются за счет того, что при воздействии пули или осколка на заневоленную с помощью облицовки керамическую пластину происходит эффективное воздействие на поражающий элемент и его разрушение. Помимо разрушения поражающего элемента происходит перераспределение энергии на большую площадь за счет образующего конуса разрушения в керамической пластине. Кроме того, за счет бокового ограничения керамической пластины облицовкой или соседними бронезащитными элементами уменьшается (либо исключается) разгрузка (краевые эффекты) в керамическом слое. Образующиеся вторичные осколки улавливаются подложкой (из материала с пределом прочности при растяжении от 0,1×10⁹ до 1,1×10⁹ Па) и гофрированным слоем (из рессорно-пружинной стали). В начальный момент пробития подложка удерживает керамический слой и за счет своей пластичности обжимает гофры гофрированного слоя и тем самым отбирает энергию поражающего элемента. Слой из неметаллического материала с твердостью от 30 до 150 МПа, установленный с тыльной стороны гофрированного слоя, позволяет на начальном этапе воздействия удерживать гофрированный слой с последующей потерей устойчивости в момент начала движения гофрированного слоя. В момент времени, когда энергия разрушенного поражающего элемента, действующая на гофрированный слой, превысит жесткость гофр, гофрированный слой начнет свое движение с отбором энергии на распрямление гофр. При уменьшении энергии поражающего элемента за счет жесткости гофр происходит обратное движение гофрированного слоя и полное торможение поражающего элемента фрагментами керамического элемента, которые начинают двигаться к центру воздействия. Наличие подложки между керамическим и гофрированным слоем позволяет останавливать крупнокалиберные пули стрелкового оружия и высокоэнергетические осколки поля боя за счет варьирования предела текучести при растяжении материала подложки. Толщина гофрированного слоя и высота гофр определяется по вышеуказанной зависимости.

Экспериментальные исследования показали, что при использовании облицовки с пределом прочности при растяжении менее 50 МПа и толщиной менее 0,5 мм не происходит дополнительного воздействия на поражающий элемент за счет запасенной энергии заневоленным керамическим слоем. При использовании толщины облицовки более 1,5 мм приводит к увеличению массы и толщины брони без значительного повышения бронестойкости.

На фиг. 1 представлена линейная зависимость отношения толщины s к высоте h гофры от кинетической энергии поражающего элемента.

На фиг. 2 изображена пассивная многослойная броня, где 1 - фронтальный керамический слой, 2 - подложка, 3 - гофрированный слой, 4 - дополнительный тыльный слой из неметаллического материала, 5 - облицовка, s - толщина гофрированного слоя, h - высота гофр гофрированного слоя.

Для отработки конструкции была изготовлена пассивная многослойная броня для защиты от бронебойно-зажигательной пули калибра 12,7 мм и облегченная бронезащита для защиты от бронебойно-зажигательной пули калибра 7,62 мм.

1. Для защиты от бронебойно-зажигательной пули калибра 12,7 мм керамический слой 1 выполнен из карбида бора толщиной 11 мм. Подложка 2 выполнена из стали 20 толщиной 2 мм (предел прочности при растяжении 0,5×10⁹ Па). Гофрированный слой 3 выполнен из рессорно-пружинной стали 60С2 толщиной 3 мм и высотой гофр 3,5 мм. Дополнительный тыльный слой выполнен из фторопласта толщиной 2 мм (твердость 60 МПа). Облицовка 5 для фиксации керамического слоя 1 выполнена из стали 12Х18Н10Т толщиной 0,8 мм (предел прочности при растяжении 0,7×10⁹ Па). Поверхностная плотность брони составляет 79 кг/м².

2. Для защиты от пули Б-32 калибра 7,62 мм фронтальный керамический слой 1 выполнен из карбида бора толщиной 8 мм. Подложка 2 выполнена из алюминиевого сплава АМг6 толщиной 1,5 мм (предел прочности при растяжении 0,3×10⁹ Па). Гофрированный слой 3 выполнен из рессорно-пружинной стали 60С2 толщиной 1,5 мм и высотой гофр 2,2 мм. Дополнительный тыльный слой выполнен из резины СКТФ минимальной толщиной 2 мм (твердость 75 МПа). Облицовка 5 для фиксации керамического слоя 1 выполнена из композиционного материала на основе стеклоткани и эпоксидного связующего толщиной 1 мм (предел прочности при растяжении 0,3×10⁹ Па). Поверхностная плотность брони составляет 41 кг/м².

Заявляемая конструкция позволяет решить поставленную задачу по разработке надежной пассивной многослойной брони от воздействия бронебойно-зажигательных пуль стрелкового оружия, высокоэнергетических осколков поля боя и получить новый технический результат, заключающийся в повышении бронестойкости, а также в уменьшении величины прогиба подложки для исключения удара по защищаемому объекту. Проведенные испытания на моделях подтвердили заявляемый технический результат.