БРОНЯ Российский патент 2003 года по МПК F41H5/00 

Изобретение относится к средствам защиты людей, техники от воздействия обычных средств поражения, а более конкретно от снарядов или пуль (далее снаряды), которые имеют проникающее действие за счет своей кинетической энергии.

Известны стальная броня, броня из алюминиевых сплавов, пластмасс, керамических и композиционных материалов по военному энциклопедическому словарю, гл. ред. Н.В.Огарков, М.: Воениздат, 1984 [1].

Аналогом является обыкновенная стальная броня [1], представляющая собой плиту из стали.

Наиболее близким аналогом является броня, известная из патента US 4326468, F 41 Н 5/04, 1982 [2], выполненная в виде перфорированной плиты или нескольких пластин, имеющих множество отверстий.

Недостатком вышеуказанных аналога и прототипа является недостаточная способность обеспечения защиты от обычных средств поражения, вызванная неполным использованием прочностных свойств материала брони.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение защитной способности брони от кинетического воздействия снарядов.

Техническим результатом является получение брони с более высоким уровнем защитных качеств при воздействии на нее снарядов кинетического действия при одинаковой удельной массе на защищаемой площади по сравнению с существующими аналогами.

Указанный технический результат достигается тем, что броня выполнена в виде плиты, по меньшей мере, с одним отверстием, при этом согласно изобретению в отверстие с натягом установлены круг или круги и/или кольцо или кольца.

В этом варианте брони круг и/или кольцо установлены в отверстии друг над другом. Внешний диаметр круга или внутренний диаметр кольца выполнен уменьшающимся от наружной стороны плиты к внутренней, при этом внутренний диаметр отверстия меньше минимального калибра воздействующего по броне снаряда, внутренний диаметр кольца меньше минимального калибра воздействующего по броне снаряда, броня снабжена кольцами или кольцами с кругами, установленными на наружной стороне плиты с натягом между кругами и/или кольцами, установленными с натягом в отверстиях плиты, например, в шахматном порядке.

Согласно изобретению броня снабжена рикошетирующими элементами, расположенными на ее наружной стороне. Рикошетирующие элементы выполнены в виде тел вращения или пирамид. Тела вращения или пирамиды выполнены польми и внутри их размещены шарики, например, из кварца, электрокорунда, двуокиси циркония.

В другом варианте исполнения броня выполнена в виде, по меньшей мере, двух пластин, каждая из которых имеет, по меньшей мере, одно отверстие, при этом согласно изобретению в отверстиях пластин установлены с натягом круги и/или кольца, при этом отверстия одной пластины расположены над промежутками между отверстиями другой пластины.

В этом варианте броня снабжена рикошетирующими элементами, расположенными на ее наружной стороне, рикошетирующие элементы выполнены в виде тел вращения или пирамид, тела вращения или пирамиды выполнены полыми и внутри их размещены шарики, например, из кварца, электрокорунда, двуокиси циркония.

В третьем варианте исполнения броня выполнена в виде пластин, каждая из которых имеет, по меньшей мере, одно отверстие, в отверстиях установлены с натягом круги и/или кольца, при этом пластины соединены между собой гибким или разъемным соединением. В качестве гибких или разъемных соединений используют кольца и/или овалы из различных материалов.

В этом варианте броня снабжена рикошетирующими элементами, расположенньми на ее наружной стороне, рикошетирующие элементы выполнены в виде тел вращения или пирамид, тела вращения или пирамиды выполнены полыми и внутри их размещены шарики, например, из кварца, электрокорунда, двуокиси циркония.

При использовании материала плиты, обладающего текучестью, например металла (стали), предварительное напряжение стенки отверстия или кольца выполнено автофретированием. Круг или кольцо может быть вставлено в отверстие или кольцо с образованием натяга, что также обеспечивает создание предварительных напряжений.

Кольца, стенки которых имеют предварительное напряжение, могут выполняться многослойными, т.е. выполняться из нескольких колец, вставленных друг в друга с образованием предварительных напряжений.

Изобретение поясняется чертежами на фиг.1-30, на которых представлены примеры выполнения предлагаемой брони.

На фиг. 1 показана броня из плиты 1 металла, в котором выполнены отверстия 2 с диаметром, меньшим минимального калибра (диаметра) воздействующего по броне снаряда (расчетного снаряда). Стенки отверстия имеют предварительное напряжение за счет автофретирования. После автофретирования отверстия 2 могут быть заполнены (залиты) этим же металлом или другим материалом, например керамикой.

На фиг.2 - броня с отверстиями 2, в каждое из которых вставлено с натягом кольцо 3 с внутренним диаметром, меньшим минимального калибра воздействующего по броне снаряда. За счет натяга в кольцах и в стенках отверстий созданы предварительные напряжения.

На фиг.3 - броня с отверстиями 2, в каждое из которых вставлен с натягом круг 4, за счет чего в самом круге и в стенке отверстия созданы предварительные напряжения.

На фиг.4 представлена броня с отверстиями 2, в которые вставлены составные кольца 5, при этом каждое кольцо имеет предварительные напряжения. Предварительное напряжение выполнено за счет надевания внешнего кольца в нагретом состоянии на внутреннее кольцо или надевания их друг на друга под прессом (расклинивании) и последующей вставки составного кольца в отверстие 2 нагретой плиты 1 или под прессом в отверстие 2 (расклинивании). Внутренний диаметр самого внутреннего кольца меньше калибра расчетного снаряда. Расстояние между отверстиями может быть любым. При нулевом расстоянии броня будет выглядеть, как показано на фиг.5. При этом составные кольца надеты на внутренний круг. В этом случае для обеспечения сплошности броня изготавливается заливкой промежутков между кольцами 5, например, металлом. Кольца (круги) могут быть выполнены из различных материалов, например металлокерамики.

На фиг.6 показано поперечное сечение брони с отверстиями 6, стенки которых имеют предварительное напряжение и их внутренний диаметр уменьшается в направлении от наружной стороны плиты к внутренней. На фиг.7 - поперечное сечение брони с коническими отверстиями 7. На фиг.8 - поперечное сечение брони с отверстиями, в которые вставлены с натягом кольца и круги, что создает предварительное напряжение в стенках отверстий и в самих элементах. На фиг. 9 - поперечное сечение брони с отверстиями, в которые вставлены с натягом конусы, что создает предварительное напряжение в стенках отверстий и в конусах.

На фиг. 10 показана броня, выполненная в виде пластин в форме круга 8, каждая из которых имеет по меньшей мере по одному отверстию, или кольцу, или кругу, или кругу с кольцом с предварительными напряжениями. При этом пластины 8 соединены между собой неразъемными жесткими или гибкими связями 9, например, в виде проволоки из металла или нитей из различных натуральных или искусственных материалов. Связи 9 могут соединять торцевые стенки пластин, или наружные, или внутренние стороны пластин. Кольца могут быть соединены между собой другими кольцами или овалами (петлями) из различных материалов, например из кордной нити.

Гибкие связи 9 могут быть выполнены из гибко соединенных колец, каждое из которых несет на себе пластину, или в виде материала подслоя 10 (фиг.11) из жесткого (металла) или эластомерного материала, или промежуточного слоя 11 (фиг.12) из эластомерного материала.

На фиг. 13, 14, 15 представлены варианты брони из двух слоев пластин, соединенных друг с другом (сварка, клейка, различные соединения или под действием собственной силы тяжести), при этом пластины установлены с перекрытием промежутков между ними, например, в шахматном порядке. На фиг.13, 14 - из пластин одинакового размера, на фиг.15 - из пластин разного размера. Развитием этих вариантов является броня, выполненная, по меньшей мере, из двух слоев с элементами с предварительньм напряжением, при этом элементы с предварительным напряжением одного слоя установлены над промежутками между элементами с предварительным напряжением другого слоя.

На фиг. 16 представлена броня из отдельных пластин 12 с элементами с предварительным напряжением, периферические части которых перекрыты соседними пластинами при их наличии.

На фиг.17 показана броня в виде плиты 1 с элементами 13 (круги, кольца, отверстия) с предварительньм напряжением, с наружной стороны которой между элементами 13 выполнены рикошетирующие элементы 14 в виде полусферы. Полусферы могут быть выполнены полыми с размещением внутри их объема шариков, например, из кварца, электрокорунда, двуокиси циркония.

На фиг. 18 показаны поперечные сечения альтернатив брони. На фиг.18а и 18б представлены поперечные сечения брони с кругами 4 в кольцах 16 и кольцами 15, которые имеют предварительные напряжения и установлены между кругами 4 и кольцами 3, выполненными в плите 1. На фиг.18а кольца 15 на плите 1 выполнены с отверстиями 2, в которых предварительное напряжение выполнено автофретированием, а круги 4 вставлены с натягом в наружные кольца 16, образовав единый круг. На фиг.18б кольца 3 вставлены с натягом в наружные кольца 16. Круги 4 и кольца 3 в плите 1 на фиг.18а и 18б вставлены с натягом в соответствующие отверстия 2. На фиг. 18в представлено поперечное сечение брони с кругами 4 в кольцах 16 между кругами 4 и кольцами 3. На фиг.18г кольца 15 на плите 1 выполнены с отверстиями 2, в которых предварительное напряжение выполнено автофретированием. На фиг.18д кольца 3 вставлены с натягом в наружные кольца 16. На фиг.18е представлено поперечное сечение брони с кругами 4 и кольцами 3 в кольцах 16 между кругами 4, на фиг.18ж - поперечное сечение брони с кругами 4 и кольцами 3 в кольцах 16 между кольцами 3, на фиг.18з - поперечное сечение брони с кругами 4 в кольцах 16 между кругами 4, на фиг. 18и - с кольцами 3 в кольцах 16 между кольцами 3, на фиг.18к - с кругами 4 в кольцах 16 между кольцами 3, на фиг.18л - с кольцами 3 в кольцах 16 между кругами 4. При использовании всех вариантов достигается одинаковый технический результат: повышение защитной способности брони от кинетического воздействия снарядов за счет прикрытия (усиления дополнительными элементами с рикошетирующими функциями) наиболее уязвимых мест плиты 1 между кругами 4 и/или кольцами 3, в которых созданы предварительные растягивающие напряжения, благоприятствующие прониканию воздействующего по броне снаряда.

На фиг. 19-24 представлены варианты рикошетирующих элементов, устанавливаемых на наружной стороне плиты или пластин между кругами 4 и/или кольцами 3 и/или кольцами 3 с кругами 4. На фиг.19 представлен конус, на фиг.20 - тело вращения, образованное выпуклой параболой, на фиг.21 - тело вращения, образованное вогнутой параболой, на фиг.22 - тело вращения, образованное параболой 3-го порядка, на фиг. 23 - тело вращения, образованное прямой (конус в верхней части) и выпуклой параболой (в нижней части), на фиг.24 - пирамида.

Броня при воздействии снаряда функционирует следующим образом (на примере брони, показанной на фиг.1). Снаряд, попадающий в отверстие 2, выполненное в броне, действует аналогично клину, т.е. начинает разрывать отверстие в броне. Предварительные напряжения в стенке отверстия суммируются с напряжениями, возникающими от действия снаряда так, что во внутренних слоях брони, прилегающих к стенкам отверстия, имеет место частичная разгрузка. Материал брони не получит пластических деформаций, если давление от снаряда не превысит давления, равного сумме предела упругости отверстия и напряжения предварительного обжатия. При превышении этой суммы начнутся пластические деформации, энергия снаряда будет расходоваться на создание пластических деформаций и доведение материала внутренних стенок отверстия до предела прочности и начальному разрыву стенок отверстия. С разрывом отверстия в броне произойдет перераспределение напряжений - увеличение зоны напряженного состояния, рост пластических деформаций, доведение материала целых внутренних стенок "нового" отверстия до предела прочности и дальнейший разрыв отверстия. Данный процесс будет продолжаться до совпадения размеров "нового" отверстия с калибром снаряда. Далее снаряд будет двигаться, преодолевая только силу трения о стенки нового отверстия. При хрупком материале (не имеющем площадки текучести) разрыв отверстия будет происходить аналогичным образом, только без образования пластических деформаций.

Броня, показанная на фиг.4, при воздействии снаряда функционирует следующим образом. Снаряд, попадающий в отверстие составного кольца 5, выполненное в броне, действует аналогично клину, т.е. начинает разрывать отверстие в броне. Предварительные напряжения в стенке отверстия суммируются с напряжениями, возникающими от действия снаряда так, что во внутренних слоях брони, прилегающих к стенкам отверстия, имеет место частичная разгрузка. Материал брони не получит пластических деформаций, если давление от снаряда не превысит давления, равного сумме предела упругости самого внутреннего кольца и напряжения предварительного обжатия. При превышении этой суммы начнутся пластические деформации, энергия снаряда будет расходоваться на создание пластических деформаций и доведение материала внутренних стенок самого внутреннего кольца до предела прочности и начальному разрыву стенок этого кольца. С разрывом самого внутреннего кольца в броне произойдет перераспределение напряжений - увеличение зоны напряженного состояния, рост пластических деформаций другого кольца, доведение материала внутренних стенок этого кольца до предела прочности и дальнейший его разрыв. Данный процесс будет повторяться на каждом новом кольце. При совпадении расклинивающих напряжений от снаряда, потерявшего часть своей энергии, с напряжениями, при которых обеспечивается прочность материала брони с учетом созданных заранее предварительных напряжений, разрушение брони и проникание снаряда прекратится.

На фиг. 25, 26, 28, 30 представлены исходные напряженные состояния (эпюры) отверстий, колец, кругов, изображенных на фиг.1-3, 5 соответственно, а на фиг.27, 29 - напряженные состояния (эпюры) колец и кругов, изображенных на фиг.2, 3 соответственно, при прохождении через них снаряда.

Максимальное расстояние между центрами отверстий целесообразно выбирать из условия выполнения отношения b/а<4, где а - радиус отверстия (внутренний радиус кольца), b - радиус окружности, до которой распространяются предварительные напряжения. Минимальное расстояние между отверстиями определяется прочностью материала брони. На фиг.25 показана эпюра предварительных напряжений при b/а≈2.

Материал брони не получит пластических деформаций, если только давление от воздействия снаряда не превысит давления предварительного обжатия. Предварительное напряжение приводит к уменьшению эквивалентного напряжения. При выполнении оптимальных условий для брони с отверстиями, выполненными автофретированием или в которые вставлено с натягом кольцо, согласно [3] эквивалентное напряжение уменьшается в 2b/(b+a) раз. Уменьшение эквивалентных напряжений приводит к повышению защитной способности брони от кинетического воздействия снарядов.

Данное техническое решение позволяет:
создать броню (преграду) с более высоким уровнем защитных качеств при воздействии на нее снарядов кинетического действия при одинаковой удельной массе на защищаемой площади по сравнению с существующими аналогами;
создать броню из существующих технологичных и недорогих материалов;
сохранить положительные качества брони пассивного действия (простота, надежность, долговечность).

Источники информации
1. Военный энциклопедический словарь. Гл. ред. Н.В.Огарков. - М.: Воениздат, 1984.

2. Патент США 4326468, F 41 Н 5/04 от 27.04.82.

3. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - 8-е изд., М.: Наука, 1979.

Изобретение относится к средствам защиты людей, техники от воздействия обычных средств поражения, а более конкретно от снарядов или пуль. Броня выполнена в виде плиты, по меньшей мере, с одним отверстием или в виде пластин, каждая из которых имеет, по меньшей мере, одно отверстие. В эти отверстия с натягом установлены круг или круги и/или кольцо или кольца. Предложены различные варианты расположения пластин. На наружной стороне плиты или пластин между элементами, установленными с натягом в отверстия, расположены рикошетирующие элементы в виде тел вращения или пирамид. При использовании изобретения обеспечивается более высокий уровень защиты при воздействии на броню снарядов кинетического действия. 3 с. и 15 з.п. ф-лы, 30 ил.

1. Броня, выполненная в виде плиты, по меньшей мере, с одним отверстием, отличающаяся тем, что в отверстие с натягом установлены круг или круги и/или кольцо или кольца.2. Броня по п.1, отличающаяся тем, что круги и/или кольца установлены в отверстии друг над другом.3. Броня по п.2, отличающаяся тем, что внешний диаметр круга или внутренний диаметр кольца уменьшается от наружной стороны плиты к внутренней.4. Броня по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что внутренний диаметр отверстия меньше минимального калибра воздействующего по броне снаряда.5. Броня по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что внутренний диаметр кольца меньше минимального калибра воздействующего по броне снаряда.6. Броня по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что она снабжена кольцами или кругами с кольцами, установленными с натягом на наружной стороне плиты, между кругами и/или кольцами, установленными с натягом в отверстиях плиты.7. Броня по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что она снабжена рикошетирующими элементами, расположенными на ее наружной стороне.8. Броня по п.7, отличающаяся тем, что рикошетирующие элементы выполнены в виде тел вращения или пирамид.9. Броня по п.8, отличающаяся тем, что тела вращения или пирамиды выполнены полыми и внутри их размещены шарики из кварца, электрокорунда, двуокиси циркония.10. Броня, выполненная в виде, по меньшей мере, двух пластин, каждая из которых имеет, по меньшей мере, одно отверстие, отличающаяся тем, что в отверстиях пластин установлены с натягом круги и/или кольца, при этом отверстия одной пластины расположены над промежутками между отверстиями другой пластины.11. Броня по п.10, отличающаяся тем, что она снабжена рикошетирующими элементами, расположенными на ее наружной стороне.12. Броня по п.11, отличающаяся тем, что рикошетирующие элементы выполнены в виде тел вращения или пирамид.13. Броня по п.12, отличающаяся тем, что тела вращения или пирамиды выполнены полыми и внутри их размещены шарики из кварца, электрокорунда, двуокиси циркония.14. Броня, выполненная в виде пластин, каждая из которых имеет, по меньшей мере, одно отверстие, отличающаяся тем, что в отверстиях установлены с натягом круги и/или кольца, при этом пластины соединены между собой гибким или разъемным соединением.15. Броня по п.14, отличающаяся тем, что в качестве гибких или разъемных соединений использованы кольца и/или овальные кольца.16. Броня по п.15, отличающаяся тем, что она снабжена рикошетирующими элементами, расположенными на ее наружной стороне.17. Броня по п.16, отличающаяся тем, что рикошетирующие элементы выполнены в виде тел вращения или пирамид.18. Броня по п.17, отличающаяся тем, что тела вращения или пирамиды выполнены полыми и внутри их размещены шарики из кварца, электрокорунда, двуокиси циркония.