Динамическая броня для человека и боевого робота

Изобретение относится к области военной и гражданской техники и предназначено для защиты людей, боевых роботов и транспортных средств от пуль стрелкового оружия и осколков. Также динамическая броня может быть использована для защиты от артиллерийских снарядов, мин, противотанковых ракет, для модернизации защиты используемых в настоящее время вертолетов, судов, банковских автомашин, автомобилей VIP персон.

В результате патентного поиска не удалось выявить устройство динамической брони для защиты человека, в частности шлемы, щиты, бронежилеты, также выявить устройства с использованием взрывчатого вещества без слоев из стали, пригодные для защиты человека и боевого робота. Поэтому далее рассматривается уровень техники в области противопульной, противокумулятивной и противоснарядной брони для защиты военной техники.

Известны принципы конструирования устройств динамической брони для защиты бронированной техники от воздействия кумулятивных зарядов и бронебойных подкалиберных снарядов («Защита танков». В.А. Григорян, Е.Г. Юдин и др. Изд. МГТУ им. Баумана, 2007 г. 130 с.; Воротилин М.С., Дорофеев С.В., Князева Л.П., Чуков А.Н. «Вопросы моделирования и конструирования кумулятивных зарядов». Учебное пособие. Тула: Тул-ГУ, 2003. - 168 с.; Монография. В.А. Григорян, А.Н. Белобородько и др. «Частные вопросы конечной баллистики». Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. Стр. 431-547).

В этих работах рассматривается классификация динамической брони в зависимости от применяемого источника энергии, например взрывная, невзрывная, магнитодинамическая, с содержанием метательных металлических пластин с размещенным между ними взрывчатым веществом. При внедрении кумулятивной струи или бронебойного подкалиберного снаряда в динамическую броню происходит инициирование взрывчатого вещества, приводящее к метанию продуктами детонации металлических пластин, которые при взаимодействии с кумулятивной струей существенно уменьшают ее эффективную длину или разрушают бронебойный подкалиберный снаряд, в результате снижая эффективность их действия по основной броне в целом. Вместо взрывчатого вещества в динамической броне могут быть использованы инертные материалы, например керамика, полиуретан или полиэтилен.

Общим с предлагаемой заявкой, динамическая броня для человека и боевого робота, является применение взрывчатого вещества, полиэтилена и полиуретана. Отличием являются стальные метательные пластины и электрическая составляющая инициирования взрывчатого вещества в виде электрически поляризованной пьезокерамической пластины, служащей источником электрического поля высокой напряженности.

За прототип заявки на изобретение, динамическая броня для человека и боевого робота, взята полезная модель «Активная броня», 2012 г. №126114 RU, предназначенная для защиты от пуль стрелкового оружия и осколков.

В полезной модели предложена активная броня, представляющая собой сотовую многослойную конструкцию из наружного и внутреннего стальных листов, промежуточного легкодеформируемого металлического листового материала и взрывчатой многослойной композиции. Предложенная защита основана на кумулятивном эффекте, создаваемом пулей при соударении с бронеконструкцией.

Данная полезная модель активной брони обладает несовершенствами, которых нет в предлагаемой заявке. Активная защита работает в узком интервале условий взаимодействия поражающего элемента с броней от 0° до 60°. В частности, большой угол обстрела от нормали снижает эффективность защиты до нуля. Стальные листы, использующиеся в полезной модели, делают конструкцию неприемлемой для ношения человеком или боевым роботом. Общим с предлагаемым изобретением является наличие взрывчатого вещества. Отличием является наличие наружных и внутренних листов стали и отсутствие в конструкции динамической защиты, электрической составляющей инициирования взрывчатого вещества в виде электрически поляризованной пьезокерамической пластины, служащей источником электрического поля высокой напряженности. Взамен закаленной стали толщиной не менее 6 мм, в заявке полезной модели используется рабочая поверхность композитной ячейки, имеющей геометрическую форму в виде усеченной пустотелой сферы. Композитная ячейка имеет площадь поверхности сечения в виде усеченной пустотелой сферы размером от 1 см² до 50 см². В композитную ячейку динамической брони для человека и боевого робота закладывается от 0,1 г до 80 г взрывчатого вещества. Рабочая поверхность композитной ячейки в виде усеченной пустотелой сферы имеет конструкцию, состоящую из трех слоев: слой металлического сплава (фигура 1, позиция 4); слой сверх высокомолекулярного полиэтилена (фигура 1, позиция 5); слой полиуретановой композиции, расположенной между ними (фигура 1, позиция 6).

В полиуретановую композицию введены частицы вещества размером менее 100 нм, способствующие активному поглощению энергии взрыва. Внутри композитной ячейки находится капсула с взрывчатым веществом (фигура 1, позиция 2). Под композитными ячейками находится амортизирующий, противоосколочный слой, прилегающий к защищаемому объекту (фигура 1, позиция 3). Композитные ячейки закрыты противоударным, атмосферостойким композитным материалом для защиты от случайных низкоэнергетических ударов и погодных природных факторов (фигура 1, позиция 1).

Динамическая броня для человека и боевого робота состоит из прямолинейной или криволинейной поверхности, содержащей композитные ячейки одинакового или разного размера. Композитные ячейки динамической брони для человека и боевого робота большой площади находятся на плоских поверхностях защищаемого объекта, композитные ячейки малой площади находятся на искривленных поверхностях защищаемого объекта. Чем больше кривизна поверхности, тем меньше размер ячейки. Например, на защитном шлеме головы ячейки меньшего размера, чем на поверхности защиты спины. Каждая композитная ячейка изготавливается из материала, способного отражать, поглощать и преобразовывать энергию взрыва, в частности ударную волну, фугасную составляющую и бризантную составляющую энергии взрыва. Слой металлического сплава соединяется с полиуретановой композицией, и полиуретановая композиция соединяется со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом клеевым методом. Композитная ячейка с геометрической формой усеченной пустотелой сферы способна формировать и направлять суммарный вектор ударной волны взрыва в противоположную сторону от защищаемой поверхности человека и боевого робота. Геометрическая форма композитной ячейки исключает возможность концентрации энергии ударной волны и других поражающих факторов взрыва на отдельной части ячейки. Выбор материала композитной ячейки выполнен по подтвержденным испытаниям противоминного днища транспортного средства (патент на полезную модель 2010 г. RU №115459. «Защита для людей, перевозимых внутри транспортного средства, от поражения осколочно-фугасным взрывным устройством»).

Конструкция композитной ячейки обеспечивает поглощение кинетической энергии взрыва и ее преобразование в энергию тепла, межслоевого сдвига, растяжения, сжатия. Основными требованиями композитной ячейки, предлагаемыми для контроля в технологических процессах изготовления являются: живучесть, твердость, поверхностная плотность, химическая стойкость, жесткость, активное поглощение энергии взрыва, минимальный вес, объемное расслоение, динамический прогиб. Стенки композитной ячейки - это боевая поверхность. Они должны обеспечить геометрическую устойчивость, термическую стойкость, стойкость к поражающим факторам взрыва, эксплуатационную статическую жесткость конструкции.

По сравнению с разработанными ранее системами предлагаемое решение проблемы снижения ударно-волнового воздействия на объекты имеет следующие особенности и преимущества. Композитные материалы в силу своей многокомпонентности обеспечивают более интенсивную диссипацию энергии. Добавки в полиуретановую композицию веществ размером менее 100 нм, являющихся активными поглотителями энергии, делают полиуретановую композицию более эффективной за счет трансформации энергии ударной волны в другие формы энергии.

Теоретическими и прикладными основами создания конструкции композитной ячейки являются следующие работы: Государственный научный центр Российской Федерации федеральное государственное унитарное предприятие ''Центральный научно-исследовательский институт химии и механики'' (ГНЦ РФ ФГУП ''ЦНИИХМ'') Ю.А. Мазнина, И.И. Бучнев, И.С. Ламзина, М.В. Мелентьев. «Локализация влияния поражающего фактора ударной волны на объекты различного назначения посредством защитных устройств из эффективных энергодиссипирующих материалов»; Гельфанд Б.Е., Сильников М.В. Фугасное действие взрывов: монография / СПб. Астерион, 2007. Стр. 166-182.

В работах дано математическое обоснование эффективного поглощения ударной волны взрыва при помощи многослойных экранов, состоящих из металла и полиуретановой композиции с добавкой ингредиентов размером менее 100 нм. В композитной ячейке динамической брони для человека и боевого робота находится капсула взрывчатого вещества (фигура 1 позиция 2). Корпус капсулы взрывчатого вещества служит для долговременного хранения взрывчатого вещества, изготавливается из инертного материала, не вступающего в реакцию с взрывчатым веществом (фигура 2, позиция 7). Взрывчатое вещество (фигура 2 позиция 9) сверху закрыто пластиной из поляризованной пьезоэлектрической керамики (фигура 2 позиция 8), предназначенной для повышения вероятности детонации от удара атакующей пули.

Для корректного сравнения различных видов взрывчатых веществ применяются следующие допуски.

Удельная энергия взрывного разложения вещества 4184 Дж/г. Энергия атакующих пуль стрелкового оружия условно принята от 300 Дж до 30000 Дж. В каждой композитной ячейке динамической брони для человека и боевого робота используется от 0,1 г до 80 г взрывчатого вещества. В зависимости от заданного в техническом задании на изготовление динамической брони, типа атакующей пули, прогнозируемое выделение энергии взрывчатого вещества от 418,4 Дж до 33472 Дж. Количество выделенной энергии при взрыве является достаточным для нейтрализации атакующей пули. Однако это количество взрывчатого вещества может быть меньше критического, необходимого для надежного возбуждения детонации взрыва от удара атакующей пули. Для обеспечения штатного срабатывания динамической брони для человека и боевого робота, т.е. детонацию и взрыв, взрывчатое вещество в капсуле после удара атакующей пули подвергается воздействию электрического поля за счет пьезоэффекта. В результате, при ударе пули будет реализовываться полноценная детонация малого количества взрывчатого вещества, находящегося в одной ячейке. Пуля будет разрушена и отклонена продуктами взрыва, а воздействие ударной волны на человека и боевого робота будет не опасным. Эффект существенного увеличения чувствительности к удару пули некоторых взрывчатых веществ в электрическом поле называется эффектом сенсибилизации при электромеханическом воздействии. Источником электрического поля высокой напряженности служит поляризованная пьезокерамическая пластина, находящаяся в контакте с взрывчатым веществом и электрически поляризующаяся под действием удара пули. Сущность электромеханического инициирования взрыва заключается в одновременном действии на заряд взрывчатого вещества механического импульса и электрического поля. Электрическое поле генерируется деформируемой при ударе пластиной из поляризованной пьезоэлектрической керамики. Напряженность электрического поля в слое взрывчатого вещества определяется соотношением толщин слоев пластины пьезокерамики и взрывчатого вещества, а также соотношением их диэлектрических проницаемостей. Выявленная зависимость позволяет регулировать критическое давление инициирования взрывчатого вещества, а соответственно, и его чувствительность к удару, в зависимости от степени поляризации пьезокерамики. В результате испытаний с пьезокерамикой установлено, что в условиях электромеханического воздействия чувствительность всех исследованных взрывчатых веществ существенно возрастает.

В таблице 1 приведены результаты испытания веществ.

Таблица 1. Результаты испытаний веществ

Минимальная энергия инициирования при электромеханическом воздействии для большинства испытанных взрывчатых веществ лежит в интервале 0,4÷0,27 Дж и сравнима с энергией для инициирующих взрывчатых веществ, таких как ТНРС, тетразен. Увеличение чувствительности ведет также и к уменьшению критической толщины инициирования взрывчатых веществ. Так, например, критическая толщина инициирования PETN при испытаниях составляет h_кр=0,1 мм, что соответствует массе предварительно подпрессованного заряда 14 мг. При электромеханическом воздействии электрического поля взрывчатое превращение происходит при толщине заряда 0,06 мм или массе 7 мг. Дальнейшее уменьшение толщины заряда приводит лишь к горению взрывчатых веществ. Давление инициирования в экспериментах составляло 480 МПа. Механизм увеличения чувствительности к удару при воздействии электрического поля связывается с уменьшением периода индукции взрывчатого превращения. Например, при добавлении в состав гексогена твердых добавок период индукции снижается с 540 мкс до 230 мкс, a PETN с 460 мкс до 120 мкс. При электромеханическом воздействии также происходит уменьшение периода индукции RDX с 540 мкс до 120 мкс.

Экспериментально определенный период индукции PETN составил около 80 мкс против 240 мкс без электрического поля при стандартных испытаниях, что сравнимо с периодом индукции азида свинца около 60 мкс.

В таблице 2 представлены расчетно-экспериментальные значения разложения PETN.

Таблица 2. Характеристика разложения PETN в зависимости от толщины заряда

Из результатов экспериментов следует, что внешнее электрическое поле, генерируемое пьезокерамикой, приводит к уменьшению критической толщины прессованного слоя PETN в 2 раза. Таким образом, становится возможным инициирование тонких пленок взрывчатых веществ толщиной порядка 60 мкм. Устройство для инициирования различных взрывчатых веществ, подвергнутых воздействию электрического поля, позволяет создать новую систему защиты для людей, боевых роботов и транспортных объектов малой грузоподъемности, например, легковых патрульных автомобилей полиции, легкой колесной бронированной техники МВД, армейской плавающей бронированной техники, аэротранспортабельной техники ВДВ, самоходных артиллерийских и ракетных установок, боевых блоков баллистических ракет, жилых помещений космических станций от ударов космического мусора и микрометеоритов.

Динамическая броня для человека и боевого робота с минимально необходимым содержанием в композитной ячейке взрывчатого вещества способна надежно защищать объекты от атакующих пуль и осколков без ущерба для защищаемого объекта от ударной волны и других поражающих факторов взрыва. Удельный вес взрывчатого вещества в несколько раз меньше, чем металлов и броневой керамики, поэтому динамическая броня для человека и боевого робота легче, чем аналогичная броня с применением стали, титана и броневой керамики. Например вес современных устройств защиты человека от 7,62-мм бронебойной пули Б-32 с применением боевой керамики - 50 кг/м². Вес динамической брони для человека и боевого робота аналогичного класса защиты 25 кг/м₂. Современная керамическая защита транспортных средств от поражения из 12,7-мм снайперской винтовки или пулемета весит 120 кг/м². Вес аналогичной динамической брони 70 кг/м². Стоимость динамической брони в 4 раза меньше, чем керамической.