СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БРОНЕБОЙНОЙ ПУЛИ

Изобретение относится к боеприпасам стрелкового оружия, а именно к бронебойным пулям с высоким пробивающим действием и предназначенным для поражения бронированной военной техники.

Уровень техники

Материал

Графен - углеродная пленка толщиной в один атом, был получен в 2004 году группой Андре Гейма из Манчестерского университета. Графен можно представить себе как двумерный "срез" кристаллической гексагональной решетки графита. Одноатомная толщина частицы является физическим пределом минимальности толщины, кроме того, по утверждению Changgu Lee1, Xiaoding Wei1, Jeffrey W. Kysar and James Hone [3] и Andre Geim [2] (и других авторов), графены являются самыми прочными частицами в природе, то есть они являются физическим пределом прочности. Они обладают максимальным (среди известных веществ) пределом прочности на разрыв или сжатие (модуль Юнга достигает до 1-го терапаскаля), что соответствует теоретическому пределу прочности в природе. Графены представляют собой углеродные пластинки одноатомной толщины размерами от 0,1 до 2 мм, а значит, являются самыми тонкими и острыми «лезвиями» в природе [2].

Известна заявка на изобретение «Графеновая пемза, способы ее изготовления, активации и идентификации» [5].

Согласно заявке, графеновая пемза - это искусственная композиция - кластеры в виде пачек плоскопараллельных графенов, связанных между собой по одному из торцов. Графеновые кластеры можно представить себе как очень маленькую книгу с раздвинутыми параллельно графеновыми листами на 15 - 200 нм, скрепленными корешком.

Известен материал «Графеновый ламинат», впервые упомянутый в заявке [6] как композитный материал в виде параллельных слоев плоских графенов, связанных твердым материалом по плоскостям.

Использование графенов

Известна заявка на изобретение «Графеновый режущий элемент для стеклореза» [6].

Согласно заявке, графеновый режущий элемент для стеклореза изготавливают с использованием графенов, легко получаемых, например, из оксида графита, полученного по методу Хаммерса [1] и их производных, закрепляемых в держатке.

Пуля

Известна конструкция 7,62 мм патрона стрелкового оружия образца 1943 года, содержащего гильзу с капсюлем, пороховой заряд и пулю, состоящую из оболочки, сердечника и свинцовой рубашки. Рубашка имеет форму стаканчика. Сердечник выполнен с цилиндрической ведущей частью и передней частью в виде усеченного конуса, при этом диаметр меньшего основания конуса сердечника равен 0,43 калибра пули. Сердечник изготавливается из конструкционной стали и предназначен для поражения только живой силы противника, не обладающей средствами защиты [4].

Известна «Пуля для патронов стрелкового оружия» [7].

Согласно патенту, пуля к патрону 5,45 мм содержит оболочку с размещенными в ней свинцовой рубашкой и сердечником, имеющим притупленную головную часть. Сердечник изготовлен из конструкционной стали и выполнен с цилиндрической ведущей частью, головная часть сердечника выполнена длиной не менее 1,4 калибра и имеет оживальную форму с диаметром притупления, не превышающим 0,35 калибра пули. Хвостовая часть сердечника имеет форму усеченного конуса. Свинцовая рубашка имеет форму стаканчика.

К недостаткам известной пули можно отнести малую эффективность при поражении живой силы противника, находящейся за укрытием, а также живой силы противника, оснащенной средствами индивидуальной защиты (бронежилетами) на средних и дальних дистанциях.

Известна «Пистолетная пуля» [8].

Согласно патенту, пуля обеспечивает пробитие противоосколочного бронежилета 6Б2, войлока и доски 25 мм за ним на дальности до 50м.

Недостатками этой пули являются большое аэродинамическое сопротивление из-за наличия тупоконечной формы выступающей части сердечника в головной части пули из-за уступа в месте сопряжения оболочки с сердечником, что приводит к возникновению тормозящих сил в воздухе, а значит, к потере скорости пули, относительно низкий процент пробития жилетов 6Б2 на дистанции более 50м из-за тупоконечной формы стального сердечника, который при встрече с преградой может потерять устойчивость и не поразить цель.

Известна «Пуля для патронов стрелкового оружия» [9].

Согласно патенту, пуля содержит оболочку с размещенными в ней свинцовой рубашкой и сердечником, при этом вершина головной части сердечника имеет заострение высотой, не превышающей 0,7 калибра пули, диаметром основания не более 0,68 калибра пули.

Недостатком этой пули является малая эффективность при поражении бронированной техники.

Это обусловлено тем, что оболочка пули выполнена из стали, а внутренний конус сердечника практически совпадает с конусом головной части сердечника и отсутствует зазор между вершиной сердечника и внутренней поверхностью оболочки. Поэтому при встрече с преградой энергия сердечника в первую очередь затрачивается на разрушение (разрыв) еще не деформированной конусной части стальной оболочки.

Известна «Пистолетная пуля» [10].

Согласно патенту, пуля содержит оболочку, в которой размещен стальной сердечник в рубашке, при этом оболочка выполнена металлической с утонением вершины головной ее части, рубашка выполнена из свинца, а сердечник выполнен каплеобразной формы. Утонение вершины головной части оболочки составляет 0,1-0,5 толщины стенки оболочки, а сердечник от головной части к хвостовой выполнен в виде усеченного конуса с основанием у головной части, диаметр сердечника у головной части выполнен равным внутреннему диаметру цилиндрической части оболочки.

Недостатком этой пули является малая эффективность при поражении бронированной техники. Это обусловлено выполнением сердечника из стали, утоненной в вершине оболочки. Часть кинетической энергии затрачивается на деформацию оболочки.

Известна «Бронебойная пуля» [11].

Согласно патенту, бронебойная пуля содержит оболочку, твердосплавный сердечник и свинцовую рубашку в виде стакана, причем длина пули равна (4.2-4,6) d, расстояние от вершины головной части пули до вершины головной части твердосплавного сердечника равно (0,6-1,0) d, а толщина дна свинцовой рубашки равна (0,3-0,5) d, где d - калибр пули, при этом оболочка выполнена открытой с торца хвостовой части пули и имеет форму усеченного конуса.

Недостатком известного решения также является недостаточная пробивающая способность сердечника металлической брони свыше 5 мм.

При ударе пули о твердую преграду разрушается оболочка, и пробивающее действие обеспечивается сердечником. Испытаниями установлено, что у сердечников, имеющих притупление на головной части, в зависимости от материала оболочки, в которой они размещены, до 15-20% кинетической энергии пули затрачивается на разрушение оболочки.

Кроме того, сердечники, как правило, располагаются в оболочке пули на некотором расстоянии от вершины пули, вследствие чего при встрече с преградой до 5% кинетической энергии затрачивается на смятие вершины пули до начала разрушения оболочки.

Известна «Пуля для патрона стрелкового оружия» [12].

Согласно патенту, пуля содержит оболочку с размещенными в ней свинцовой рубашкой и сердечником, при этом оболочка выполнена из металлокерамического антифрикционного порошкового материала, а головная конусообразная часть оболочки имеет переменную толщину, уменьшающуюся от основания конуса, где толщина конусообразной головки равна толщине цилиндрической части оболочки, до 0,55 толщины на вершине цилиндрической части оболочки. Головка сердечника имеет заостренную вершину и выполнена из твердого сплава, а область между внутренней поверхностью головной части оболочки и поверхностью головной части сердечника заполнена твердой смазкой.

Недостаток этой пули тот же, что и у указанных выше аналогов, например [11] (часть кинетической энергии пули затрачивается на разрушение оболочки), и, как следствие, снижается эффективность при поражении бронированной техники и бронежилетов.

Известна «Бронебойная пуля для стрелкового оружия» [13].

Согласно патенту - бронебойная пуля содержит оболочку с головной конусообразной частью, размещенными в ней свинцовой рубашкой и твердосплавным сердечником с заостренной головной частью. Головная конусообразная часть оболочки выполнена усеченно. Бронебойная пуля содержит наконечник, который закреплен на усеченной части головной оболочки, не нарушая геометрию пули. Не менее 80% длины головной заостренной части твердосплавного сердечника внедрено в материал наконечника. Материалом наконечника заполнен весь объем между внутренней оставшейся поверхностью головной части оболочки и наружной головной частью твердосплавного сердечника. Материалом наконечника является пластичный металл или сплав, служащий твердой смазкой.

Недостаток этой пули тот же, что и у многих других аналогов - сердечник располагается в оболочке пули, вследствие чего при встрече с преградой часть кинетической энергии затрачивается на разрушение этой оболочки.

Известен «Бронебойный патрон стрелкового оружия» [14].

Согласно патенту, бронебойный патрон содержит капсулированную гильзу, пороховой заряд и пулю с бронебойным сердечником. Сердечник выполнен в виде цилиндра с головной криволинейной поверхностью. На головной криволинейной поверхности сердечника выполнены две равномерно распределенные по периметру лыски. Лыски образуют в пересечении с головной криволинейной поверхностью сердечника или друг с другом режущие кромки.

Недостаток этого бронебойного патрона заключается в том, что режущие кромки, образованные в пересечении лысок, состоят из того же материала что и сердечник пули, и о каком либо увеличении их режущих свойств не заявлено. А заявленное выполнение лысок на головной поверхности сердечника пули, как механической обработкой, так и штамповкой, указывает на не максимальную механическую прочность материала, выбранного для изготовления сердечника.

Известна «Пуля» [15].

Согласно патенту, пуля содержит оболочку из меди или медного сплава, с закрытой задней цилиндрической частью в виде стакана, и передней частью плавно сужающейся вблизи открытого переднего конца. Задний сердечник выполнен из более плотного материала, такого как свинец, или из другого относительно плотного металла или металлического сплава, такого как олово, вольфрам, железо или их сплавы. Переднее ядро изготовлено по технологиям порошковой металлургии. Когда пуля попадает в цель, открытый передний конец оболочки открывается, отпуская передний сердечник и ядро.

К недостаткам известной пули можно отнести сложность конструкции и, как следствие, сложность её изготовления, не максимальную твёрдость и остроту поражающих элементов. А также то, что при ударе о поверхность брони под острым углом возможно смещение сердечников относительно друг друга, что приведёт к смещению центра тяжести пули в момент рикошета, а это запрещено международными конвенциями.

Известна полезная модель «Пуля (варианты)» [16], принятая за прототип.

Согласно полезной модели, пуля, содержащая оболочку в виде стакана, рубашку и сердечник, головная часть которого имеет оживальную поверхность, сопряженно переходящую в коническую поверхность, при этом на головной части сердечника, выступающей за открытый торец оболочки, выполнены две симметричные грани, пересекающиеся на переднем конце с образованием острой режущей кромки, длина которой равна (0,2-07) d, где d - калибр пули. Грани, образующие режущую кромку, выполнены плоскими или вогнутыми. На гранях сердечника выполнены продольные желобки, образующие переднюю вогнутую режущую кромку. На обоих краях режущей кромки выполнено притупление, равное (0,05...0,12) d, где d - калибр пули. На головной части сердечника нанесено покрытие, обладающее антифрикционными свойствами. Сердечник выполнен из стали или твердого сплава. На головной части сердечника, выступающей за открытый торец оболочки, может быть выполнено три и более граней, пересекающихся на переднем конце с образованием острой вершинки и боковых режущих кромок.

Недостаток этой пули тот же, что и у аналога [14], режущие кромки, образованные в пересечении граней, состоят из того же материала, что и сердечник пули, и о каком-либо увеличении их режущих свойств не заявлено, не максимальная механическая прочность материала, выбранного для изготовления сердечника, и, как следствие, не максимальная режущая способность режущих кромок сердечника.

Целью настоящего изобретения является устранение недостатков аналогов и прототипа путем создания нового способа повышения бронебойного действия пули с использованием для повышения режущих свойств наконечника пули графенов, легко получаемых различными способами, очевидными из общего уровня техники (например, из оксида графита полученного по методу Хаммерса [1]), и их производных.

Поставленная изобретением задача достигается тем, что для заострения пули в целом, или её режущих кромок, или бронебойного сердечника используют графены или их производные. Графеновый элемент (единичный графен, графеновая пемза [5] или графеновый ламинат [6]) механически ориентируют так, чтобы листы графенов располагались плоскостями по ходу движения пули, и в этом положении закрепляют в пропил или углубление на выбранном месте пули или бронебойного сердечника. Для заострения режущих кромок пули или режущих кромок бронебойного сердечника используют единичные графены (размером до 2 мм), закрепляя графены штучно или рядами в пропил на поверхности пули или её режущей кромке так, чтобы графен / графены выступали из упомянутого пропила. Для заострения наконечника пули или бронебойного сердечника используют графен, свернувшийся в незамкнутую нанотрубку («кулечек»), закрепляя такой графен на переднем конце пули или бронебойного сердечника так, чтобы конус графена, свернувшегося в незамкнутую нанотрубку («кулечек»), выступал из упомянутого переднего конца своей острой частью. Для заострения наконечника пули или бронебойного сердечника используют графеновый кластер в виде пачки плоскопараллельных графенов, связанных между собой по одному из торцов (графеновая пемза) [5], закрепляя такой кластер в углублении на переднем конце пули или бронебойного сердечника, так чтобы плоскопараллельные графены кластера выступали из упомянутого углубления. Для заострения режущих кромок пули или бронебойного сердечника используют композитный материал в виде параллельных слоев плоских графенов, связанных твердым материалом по плоскостям (графеновый ламинат) [6], закрепляя фрагменты графенового ламината аналогично единичному графену - в пропил на поверхности пули или её режущей кромке, или бронебойного сердечника, но с учётом большего размера (свыше 2 мм) упомянутых фрагментов. Закрепление графенового элемента на выбранном месте пули или бронебойного сердечника производят вклеиванием его в указанное место полимерным клеем или впаиванием его в указанное место металлическим припоем, а процесс впаивания при температуре свыше 750 градусов Цельсия проводят в вакууме или инертном газе - для исключения структурной деградации графенового элемента. Для закрепления графенового элемента используют клей или припой, сопоставимые по прочности с материалом пули или бронебойного сердечника. Графеновый ламинат особенно удобен тем, что лист графенового ламината разрезают на фрагменты необходимого размера и формы, выбранный фрагмент механически ориентируют и закрепляют на выбранном месте пули или бронебойного сердечника. Например, фрагмент графенового ламината при температуре его размягчения изгибают на конус и закрепляют на переднем конце пули или бронебойного сердечника в качестве его наконечника. Бронебойный сердечник полностью или частично изготавливают из графенового ламината, например, стальной бронебойный сердечник оборачивают листом графенового ламината при температуре его размягчения, что увеличивает прочность и пробивающую способность бронебойного сердечника.

Пуля, заострённая графеновым элементом, обладает большой пробивающей способностью потому, что в момент её удара о преграду (например, броню) пуля врезается в упомянутую преграду “лезвиями” в виде графеновых листов одноатомной толщины, ориентированных плоскостями по ходу движения пули. Графеновые листы очень тонкие, толщина каждого графена составляет всего один атом, поэтому лишь малая часть кинетической энергии пули затрачивается на то, чтобы графены врезались в поверхность преграды. При этом вся оставшаяся кинетическая энергия пули затрачивается на разрушение материала преграды. Графеновые листы очень прочные (модуль Юнга достигает до 1-го терапаскаля), что соответствует теоретическому пределу прочности в природе, поэтому кинетической энергии пули недостаточно для их деформации. Будучи прочно закреплёнными в пропил или углубление на поверхности пули или бронебойного сердечника, графеновые листы механически являются неотъемлемой частью пули или бронебойного сердечника, при этом, выступая из поверхности, придают большую пробивающую способность упомянутому поражающему элементу. Графеновый элемент, закреплённый, выступая из поверхности пули или бронебойного сердечника графеновыми листами, в первое мгновение удара о преграду создаёт первичные разрушения в материале преграды и на мгновение закрепляет пулю на поверхности преграды подобно дротику, при этом значительно снижая эффект рикошета. В следующее мгновение под действием кинетической энергии пуля или бронебойный сердечник продолжает проникновение в толщу уже первично повреждённого материала преграды, при этом графеновый элемент действует подобно острию копья или подобно ножу, если он закреплён на боковой поверхности пули или бронебойного сердечника. Графеновый элемент, закреплённый в пропил или углубление на поверхности пули или бронебойного сердечника, выступает из упомянутой поверхности не более чем наполовину своего размера - для исключения возможности его выворачивания из поверхности в момент удара. Графеновый элемент, закреплённый на поверхности пули или бронебойного сердечника, выступает из упомянутой поверхности в пределах калибра - для исключения возможности повреждения поверхности оружейного ствола.

Композитный материал из графенов (графеновый ламинат)

Ламинированный графен - композитный материал, состоящий из полимера или металлического сплава, с равномерно распределенными плоскопараллельными графенами [6]. Обладает высокой твердостью и прочностью на сжатие в плоскости графенов и высокой прочностью на изгиб в перпендикулярной плоскости, при этом лист графенового ламината представляет собой пластину произвольной площади. Расположенные плоскопараллельно графены связаны между собой исключительно вышеупомянутыми материалами, обладающими гораздо меньшей твердостью, чем графены, и непосредственных межграфеновых спайностей нет.

В описании заявки [6] подробно изложен способ разрезания пластины графенового ламината путём приложения локального давления по линии реза, при этом по линии реза происходит разрушение менее твёрдого материала пластины, что приводит к её контролируемому разделению.

Исходя из вышесказанного, изгиб пластины графенового ламината заключается в термическом размягчении упомянутых связующих материалов пластины и приложении изгибающего усилия, при этом после нормализации температуры прочностные свойства пластины полностью восстанавливаются.

Способ осуществляется следующим образом.

На выбранном месте поверхности пули или бронебойного сердечника выполняют пропил или углубление в соответствии с типом графенового элемента. Графеновый элемент закрепляют в упомянутый пропил или углубление путём вклеивания его полимерным клеем или впаивания его металлическим припоем - в случае впаивания при температуре свыше 750 градусов Цельсия проводят в вакууме или инертном газе - для исключения структурной деградации графенового элемента. Графеновый элемент закрепляют выступающим из поверхности не более чем на половину его максимального размера, например, на переднем конце бронебойного сердечника или почти не выступающим, например, на конической части пули. Для осуществления данного способа используют полимерный клей или припой, обладающий хорошей адгезией к углероду. Поскольку жидкий полимерный клей и расплавленный припой, имеющие хорошую адгезию к углероду, в данном случае ведут себя практически одинаково - к ним уместно применить термин «связующее». Графеновый элемент закрепляют, ориентируя его плоскостями графеновых листов по ходу движения пули. В процессе закрепления графенового элемента еще жидкое связующее под действием сил смачивания «набегает» на плоскости графенового листа / листов и после застывания прочно удерживает его в заданном положении. Графеновый элемент удерживают в заданном положении до полного застывания связующего. Графеновый элемент закрепляют при помощи микроинструмента.

По первому варианту технического решения в пропил на поверхности пули или бронебойного сердечника в качестве графенового элемента закрепляют единичный графен / графены. Положение графена / графенов выбирают так, чтобы графен / графены были направлены плоскостями по ходу движения пули - с учётом её возможного вращения и их «лезвия», выступающие из связующего, создавали высокое ударное или режущее воздействие на пробиваемую поверхность.

По второму варианту технического решения в углублении на переднем конце пули или бронебойного сердечника в качестве графенового элемента закрепляют графен свернувшийся в «кулечек» (незамкнутую нанотрубку). Положение графена, свернувшегося в «кулечек», выбирают так, чтобы биссектриса конуса «кулечка» была направлена по ходу движения пули и, выступая из связующего, вершина конуса, являлась точкой, создающей высокое ударное воздействие на пробиваемую поверхность.

По третьему варианту технического решения на переднем конце пули или бронебойного сердечника в качестве графенового элемента закрепляют единичный кластер графеновой пемзы (пачку плоскопараллельных графенов, связанных между собой по одному из торцов) [5]. Положение кластера графеновой пемзы выбирают так, чтобы графеновые листы были направлены плоскостями по ходу движения пули, создавая высокое ударное воздействие на пробиваемую поверхность.

По четвертому варианту технического решения на выбранном месте пули или бронебойного сердечника в качестве графенового элемента закрепляют фрагмент графенового ламината (композитного материала, состоящего из полимера или металлического сплава с равномерно распределенными плоскопараллельными графенами) [6]. Положение фрагмента графенового ламината выбирают аналогично третьему варианту.

По пятому варианту технического решения фрагмент графенового ламината при температуре его размягчения изгибают на конус и закрепляют на переднем конце пули или бронебойного сердечника в качестве его наконечника.

По шестому варианту технического решения бронебойный сердечник полностью или частично изготавливают из графенового ламината, например, стальной бронебойный сердечник оборачивают листом графенового ламината при температуре его размягчения, что увеличивает прочность и пробивающую способность бронебойного сердечника.

Способ не ограничивается вариантами, упомянутыми выше.

Способ не ограничивается калибром оружия.

По всем вариантам технического решения перед закреплением графенового элемента на «дно» пропила или углубления предпочтительно вкладывают графен меньшего размера, расположив его перпендикулярно основному графеновому элементу, для полного исключения возможности врезания графенового листа / листов в материал пули или бронебойного сердечника в момент удара.

Графены, графеновая пемза (кластеры в виде пачек плоскопараллельных графенов, связанных между собой по одному из торцов) [5] или фрагменты графенового ламината (композитного материала, состоящего из полимера или металлического сплава с равномерно распределенными плоскопараллельными графенами) [6] выбраны в качестве режущего элемента для заострения бронебойной пули потому, что они обладают уникальными характеристиками. Графены представляют собой углеродные пластинки одноатомной толщины размерами от 0,1 до 2 мм, а значит, являются самыми тонкими и острыми «лезвиями» в природе [2]. Одноатомная толщина частицы является физическим пределом минимальности толщины, кроме того, по утверждению авторов [2] и [3], графены являются самыми прочными частицами в природе, то есть они являются физическим пределом прочности. Они обладают максимальным (среди известных веществ) пределом прочности на разрыв или сжатие (модуль Юнга достигает до 1-го терапаскаля), что соответствует теоретическому пределу прочности в природе.

Исходя из вышесказанного, недостатки прототипа [16], а именно (режущие кромки образованные в пересечении граней, состоят из того же материала, что и сердечник пули, не максимальная механическая прочность материала, выбранного для изготовления сердечника, не максимальная режущая способность режущих кромок сердечника) устранимы путём закрепления в пропилы на упомянутых режущих кромках рядов штучных графенов или фрагментов графенового ламината.

Бронебойная пуля, заострённая графеновым элементом, работает следующим образом: в момент удара пули о преграду (например, броню) пуля врезается в преграду. При этом графеновый элемент в первое мгновение удара о преграду создаёт первичные разрушения в материале преграды и на мгновение закрепляет пулю на поверхности преграды подобно дротику, при этом значительно снижая эффект рикошета. В следующее мгновение под действием кинетической энергии пуля или бронебойный сердечник продолжает проникновение в толщу уже первично повреждённого материала преграды, при этом графеновый элемент действует подобно острию копья или подобно ножу, если он закреплён на боковой поверхности пули или бронебойного сердечника.

Сопоставительный анализ с предшествующим уровнем техники показал, что в предшествующем уровне техники не заявлено о каком-либо способе увеличения пробивающей способности пули или бронебойного сердечника с использованием графенов. Таким образом, заявленный способ повышения пробивающей способности бронебойной пули соответствует критерию «новизна».

Выбор новых материалов для заострения пули, или её режущих кромок, или бронебойного сердечника, таких как графены или их производные (графен, свернувшийся в «кулечек», графеновая пемза или графеновый ламинат), позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа критерию «изобретательский уровень».

Технический результат заключается в том, что устраняются недостатки аналогов и прототипа, повышается бронебойное действие пули, снижается эффект рикошета - за счёт использования для повышения режущих свойств наконечника пули или бронебойного сердечника, графенов, получаемых различными способами, очевидными из общего уровня техники (например, из оксида графита, полученного по методу Хаммерса [1]), и их производных. Пуля, заострённая графеновым элементом, обладает большой пробивающей способностью, пуля имеет “лезвия” в виде графеновых листов одноатомной толщины. Графеновые листы очень тонкие, толщина каждого графена составляет всего один атом, которые легко врезаются в материал преграды. Графеновые листы очень прочные (модуль Юнга достигает до 1-го терапаскаля), графеновые листы, будучи прочно закреплёнными на поверхности пули, механически являются её неотъемлемой частью, при этом, выступая из поверхности, увеличивают её пробивающую способность.

Таким образом, заявленный способ подходит для заострения бронебойной пули или бронебойного сердечника, как дополнительная производственная операция при изготовлении пули или бронебойного сердечника выбранной конструкции, например аналога [14] или прототипа [16].