БРОНЕЗАЩИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1997 года по МПК F41H1/02 F41H5/04 

Изобретение относится к области оружия и боеприпасов, в частности к броневым конструкциям, которые могут быть применены в индивидуальных и транспортных средствах защиты от воздействия пуль стрелковых систем.

Известен защитный экран [1] предназначенный для защиты человека от поражения пулей или снарядом. Экран содержит слои арамидной ткани, локально склеенные между собой, причем в зонах склейки образуется жесткая зона в виде полос (границ) по определенному периметру. На слои арамидной ткани прикрепляются керамические пластины, при этом по периметру они опираются на жесткую зону. К керамической пластине может приклеиваться подложка. В этом случае керамическая пластина опирается на жесткие зоны через подложку. Кроме того, экран может иметь предохраняющую от травм прокладку. Такое исполнение экрана позволяет прежде всего
1) смягчить "гидроудар" на человека при воздействии пуль, при этом удар распределяется по жесткой зоне и передается на тело человека не по острым кромкам керамической пластины, а через указанные зоны по всему периметру;
2) при воздействии пули улучшаются защитные свойства экрана, заключающиеся в том, что слои ткани, ограниченные жесткой зоной по периметру, работают на улавливании осколков пули и керамики более эффективно, чем без этой зоны, жесткая зона позволяет каждому слою ткани деформироваться (тянуться) в отдельности, а без жесткой зоны все слои ткани работают как одно целое, при этом ее деформационные свойства ухудшаются, ткань не реализует в полной мере свои потенциальные возможности.

Окончательно удар гасится предохраняющей прокладкой.

Недостатком защитного экрана является то, что гидроудар все-таки локализуется, хотя и в меньшей степени, чем без жестких зон. При этом человеку (даже без пробития экрана) могут быть нанесены значительные травмы. Кроме того, керамический слой имеет недостаточную опору с тыльной стороны (не по всей поверхности), а только в зонах по периметру, что ухудшает его защитные свойства, при этом он более подвержен хрупкому разрушению.

Известна также броневая плита [2] содержащая лицевой слой из керамики, приклеенной к подложке из композиционного материала. Для повышения защитных свойств бронеплиты поверхность керамики обработана на толщину 0,07.1,27 мм, при этом сошлифовываются поверхностные концентраторы напряжений (поры и т.д. ), которые способствуют хрупкому разрушению керамики. При обстреле бронеплита работает обычным образом:
керамический слой разрушает пулю;
подложка затормаживает и улавливает осколки разрушенных пули и керамики.

За прототип выбрано броневое устройство [3] состоящее из слоев металла и минерала.

Расположение слоев в плите:
лицевой слой выполнен из металла;
прилегающий к лицевому слой выполнен из минерала;
за слоем из минерала расположен металлический слой (подложка).

При обстреле в начальный момент взаимодействия пули с броней в лицевом металлическом слое удар перераспределяется с небольшой контактной зоны на большую область, граничащую с минералом, что способствует повышению ее защитных свойств. Однако эффект от заявленного устройства проявляется только в узкой области при воздействии пули строго по нормали к слоям брони. Следует указать на недостатки такой брони. Известно, что взаимодействие пули с высокотвердым минералом (керамикой) (особенно при небольших отклонениях пули от нормали к поверхности брони) способствует ее еще большему отклонению от первоначальной траектории полета, вплоть до рикошета, при этом стойкость брони увеличивается (а пробивная способность пули ухудшается). В описываемой бронеплите лицевой металлический слой способствует стабилизации траектории пули при его пробитии (протыкании) брони, что в конечном счете улучшает пробивные свойства пули, а бронезащитные характеристики плиты ухудшаются.

Основные задачи, которые должен решать бронезащитный элемент, следующие:
1) не пробивается при поражении бронебойно-зажигательными 7,62 мм пулями Б32 массой 7,9.10,4 г со скоростью до 750 м/с;
2) поверхностная плотность бронезащитного элемента должна быть не более 40 кг/м², а толщина не более 15.20 мм.

Сущность предложенного бронезащитного элемента, содержащего керамический слой подложки, заключается в том, что по краям керамического слоя установлены шарниры, а жесткость подложки меняется от центра к краям, наименьшая в центре, наибольшая в зоне шарниров.

Кроме того, керамический слой может иметь остаточные напряжения, что при определенных условиях их распределения повышает его ударную стойкость. Подложка может выполняться как однослойной, так и многослойной. Выполнение подложки из нескольких слоев (возможно и из различных материалов) дает возможность
1) более эффективно (в более широких пределах) варьировать жесткостью подложки;
2) более эффективно затормаживать разрушенную пулю и осколки от разрушенного керамического слоя за счет расслоения при ударе и последующей деформации каждого отдельного слоя с большей реализацией их прочностных свойств.

Керамический слой и подложка могут быть заключены в вязкую на удар оболочку, что позволяет повысить живучесть бронезащитного элемента в целом за счет того, что после обстрела бронезащитный элемент сохраняет до определенного предела конструкционную прочность не разлетается на отдельные фрагменты.

Бронезащитный элемент может быть установлен на мягкую демпфирующую подкладку, которая позволяет смягчить "гидроудар" на человека.

Высокая стойкость бронезащитного элемента при его обстреле бронебойно-зажигательными 7,62 мм пулями Б32 массой 7,9.10,4 г со скоростью до 750 м/с достигается за счет того, что в начальный момент воздействия пули на керамический слой центральная часть подложки, имеющая наименьшую жесткость, воспринимает удар и вовлекается в движение, при этом передавая часть усилий на более жесткую часть подложки ближе к ее краям, которые, проворачиваясь на шарнирах, передают указанные усилия на керамику. При этом керамический слой со стороны торцев испытывает дополнительные усилия сжатия, тем самым улучшая свои защитные свойства за счет исключения разгрузки (краевых эффектов), бокового поджатия. Наличие шарниров в зоне наибольшей жесткости подложки позволяет предотвратить ее преждевременное разрушение, особенно в начальный момент взаимодействия пули с бронезащитным элементом, путем некоторого проворота подложки на них. В случае же жесткого скрепления (без шарниров) подложка, как правило, сразу же разрушается, вовремя не отреагировав на удар, не успев прогнуться и реализовать свои деформационные свойства в силу быстродействия удара. Пуля в свою очередь испытывает дополнительный заклинивающий эффект. За счет использования энергии удара на разрушение и заклинивание пули достигаются более высокие защитные свойства бронезащитного элемента. Далее, по мере продвижения пули и осколков от разрушения подложка, проворачиваясь на шарнирах, отслеживает движение пули и осколков, при этом их затормаживает. Кроме того, шарнирное закрепление и высокая жесткость подложки в зоне шарниров позволяют обеспечивать для подложки хорошие условия для расслоения (в случае слоистого исполнения) и более полной реализации при этом прочностных (деформационных) свойств каждого слоя подложки в отдельности.

Новый технический результат бронезащитного элемента выражается в уменьшении толщины керамического слоя и подложки бронезащитного элемента, что позволило увеличить его стойкость при обстреле бронебойно-зажигательными 7,62 мм пулями Б32 массой 7,9.10,4 г со скоростью до 750 м/с, и не достигается ни в одном из известных авторам источников.

На рис. 1 изображен общий вид бронезащитного элемента, на рис. 2 показано взаимодействие пули с бронезащитным элементом, где
1 керамический слой;
2 подложка;
3 шарниры;
4 вязкая на удар оболочка;
5 мягкая подкладка;
6 пуля.

Бронезащита имеет следующую конструкцию (рис. 1).

Керамический слой 1 выполнен из карбида бора или карбида кремния или корунда, прилегающая к нему подложка 2 может выполняться в нескольких альтернативных вариантах из:
1) композита (типа органопластика на основе ткани ТСВМ (Кевлар) или
2) металла (алюминия, стали), или
3) комбинации вышеперечисленных материалов (градиентная, слоистая подложка).

По краям керамического слоя установлены шарниры 3.

Лицевой керамический слой 1 и подложка 2 заключены в вязкую на удар оболочку 4 из композита или металла (сталь, алюминий) толщиной 0,5.2 мм, образуя при этом компактный блок.

Бронезащита установлена на мягкую подкладку 5, изготовленную на основе или поролона, или слоев ткани, например ТСВМ, или из комбинации этих материалов.

Действие бронезащитного элемента заключается в следующем (рис. 2). При воздействии пули на керамический слой 1 центральная часть подложки 2, имеющая наименьшую жесткость, вовлекается в движение и передает усилия на часть подложки 2 с большей жесткостью в зону расположения шарниров 3. Подложка 2 проворачивается в зоне шарниров 3 и перераспределяет усилия удара на торцевые (боковые) поверхности керамического слоя 1. За счет дополнительных усилий со стороны боковых поверхностей керамики 1 пуля 6 заклинивается, что способствует более эффективному ее разрушению и торможению. Кроме того, за счет бокового ограничения уменьшается (исключается) разгрузка (краевые эффекты) в керамическом слое. При дальнейшем движении пули 6 подложка 2, проворачиваясь на шарнирах 3, отслеживает движение пули 6 и осколков разрушенной керамики 1. При этом происходит их торможение. Соединение керамического слоя 1 и подложки 2 шарнирами 3 и более высокая жесткость подложки 2 в зоне шарниров 3 позволяют по мере продвижения пули вовлекать постепенно все больше участки подложки 2 в движение и тем самым способствовать расслоению подложки 2. При этом происходит более полная реализация деформационных свойств подложки 2 (или ее отдельных слоев). Вязкая на удар оболочка 4 повышает живучесть бронезащитного элемента, предохраняя от разлета отдельные части (куски) элемента при обстреле. Кроме того, снижается при этом и осколочность самого элемента, он сохраняет конструкционную целостность (прочность). Окончательно демпфирование удара и снижение "гидроудара" на тело человека осуществляются мягкой подкладкой 5.

Такой бронезащитный элемент не пробивается при поражении бронебойно-зажигательной 7,62 мм пули Б32 массой 7,9.10,4 г со скоростью до 750 м/с. При этом его поверхностная плотность не превышает 40 кг/м², а толщина 15.20 мм.

В качестве подтверждения промышленной применимости рассмотрен пример конкретного выполнения бронезащитного элемента:
керамический слой 1 выполнен из карбида бора толщиной 9 мм;
подложка 2 выполнена из слоев органопластика, причем жесткость в зоне шарниров 3 имеет величину 5 • 10⁵ Н/м, а в центральной ее части 1 • 10⁵ Н/м;
керамический слой 1 и подложка 2 соединены между собой шарнирно (поз. 3);
керамический слой 1 и подложка 2 заключены в оболочку 4 из органопластика толщиной 1 мм;
керамический слой 1 и подложка 2, заключенные в оболочку 4, установлены на мягкую подкладку 5 толщиной 6 мм, изготовленную из слоев органоткани типа ТСВМ.

Толщина бронезащитного элемента без мягкой подкладки 6 составляет 14 мм, с мягкой подкладкой 20 мм.

Бронезащитный элемент не пробивается при воздействии бронебойно-зажигательной 7,62 мм пули Б32 массой 7,9.10,4 г со скоростью до 750 м/с, поверхностная плотность бронезащитного элемента составляет:
без мягкой подкладки 30 кг/м²;
с мягкой подкладкой 37 кг/м².

Были изготовлены и испытаны на поражение бронеэлементы по заявляемой конструкции, получены положительные результаты.

Конструкция бронезащитного элемента позволяет решить поставленную задачу и получить новый технический результат в виде уменьшения массы и толщины элемента с повышенными защитными свойствами при обстреле бронебойно-зажигательными 7,62 мм пулями Б32 массой 7,9.10,4 г со скоростью до 750 м/с. Толщина бронезащитного элемента не более 15.20 мм и поверхностная плотность не более 40 кг/м².

Использование: броневые конструкции в индивидуальных и транспортных средствах защиты от воздействия пуль стрелкового оружия. Сущность изобретения: в бронезащитном элементе, содержащем керамический слой 1 на подложке 2, по краям керамического слоя 1 установлены шарниры 3, а жесткость подложки 2 меняется от центра к краям, наименьшая - в центре, наибольшая - в зоне шарниров 2. При таком выполнении в начальный момент воздействия пули на керамический слой 1 центральная часть подложки 2 вовлекается в движение, при этом передавая часть усилий на более жесткую часть подложки, ближе к ее краям, которые, поворачиваясь на шарнирах 3, передают указанные усилия на керамику, исключая преждевременное разрушение подложки 2. Керамический слой 1 может иметь остаточные напряжения, а подложка 2 может быть слоистой. Керамический слой 1 и подложка 2 могут быть заключены в вязкую на удар тонкую оболочку 4, а подложка 2 может быть установлена на мягкую подкладку 5. 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Бронезащитный элемент, содержащий керамический слой, установленный на подложку, отличающийся тем, что по краям керамического слоя установлены шарниры, а жесткость подложки меняется от центра к краям: наименьшая в центре, наибольшая в зоне шарниров. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что керамический слой имеет остаточные напряжения. 3. Элемент по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что подложка выполнена слоистой. 4. Элемент по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что керамический слой и подложка заключены в вязкую на удар тонкую оболочку. 5. Элемент по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что подложка с керамическим слоем установлены на мягкую подкладку.