ТКАНЕВЫЙ БРОНЕЖИЛЕТ С АНТИШОКОВЫМ УСТРОЙСТВОМ Российский патент 2010 года по МПК F41H1/02 

Изобретение относится к средствам индивидуальной бронезащиты личного состава, в частности к бронированной или пуленепробиваемой одежде, и может быть использовано в военном деле и в специальных подразделениях самостоятельных силовых структур и ведомств.

Известны тканевые бронежилеты (БЖ), основу которых составляют защитные элементы, выполненные в форме груди и спины, которые крепятся на теле при помощи плечевых и поясных ремней, либо при помощи специального чехла с передними (на груди) и задними (на спине) карманами, куда вкладываются защитные элементы (бронепанели) [1]. В комплект поставки некоторых моделей БЖ входят дополнительные элементы, предназначенные для защиты паховой области и верхнего плечевого пояса, которые формируют так называемую периферийную защиту.

Все тканевые БЖ выполнены исключительно из защитной структуры на тканевой основе. Конструкция тканевого БЖ состоит из нескольких слоев арамидной ткани, конструктивно собранных в единый защитный экран (бронепанель). Количество слоев в бронепанели может колебаться от 7 до 30 и более, что определяется созданием требуемого уровня защиты. Определенные проблемы при использовании тканевых БЖ связаны со снижением заброневого действия при непробитии. С этой целью используются дополнительные демпфирующие материалы в виде пакетов или пластин, размещенных с внутренней стороны БЖ, прилегающих непосредственно к телу военнослужащего.

По состоянию на сегодняшний день в Вооруженных Силах РФ находятся на снабжении тканевые БЖ двух поколений: 80-х гг. (серия БЖ 6Б5) и современного - серия БЖ 6Б11.

Из современных штатных БЖ можно выделить противоосколочный 6Б11, полное наименование которого: бронежилет общевойсковой II уровня защиты противоосколочный 6Б11.

Материалом бронепанелей грудной и спинной секций бронежилета 6Б11 являются тканевые пакеты [2].

Указанный бронежилет являются прототипом предлагаемого и имеет следующий основной недостаток, заключающийся в возникновении в организме военнослужащего при непробитии БЖ остаточных изменений, способных привести в дальнейшем даже к летальному исходу. Травматическое воздействие для жестких БЖ удалось исключить путем установки за металлической броней амортизаторов из вспененного полимерного материала, соизмеримого по толщине с высотой тыльной выпуклости защитной пластины от пули. В разработанных в начале 80-х гг. армейских БЖ серии 6Б4 на основе керамических бронематериалов были использованы полугибкие щитки из склеенных тканевых слоев и пенополиуретана. Этим достигалось не только гашение удара, но и распределение его на большую площадь. В последующем за рубежом устройство подобного предназначения получило название антишоковых панелей.

Однако появление в последующем средств индивидуальной бронезащиты из тканей на основе высокопрочных синтетических волокон так называемой «мягкой брони» до предела обострило, казалось бы, уже полностью решенную проблему заброневой контузионной травмы в случае непробития БЖ. «Мягкая броня» в ряде случаев, позволяя значительно снизить массу БЖ, оказывалась неприемлемой из-за недопустимо высокого травматического воздействия на мягкие ткани биологического объекта (БО) при непробитии БЖ. В отличие от жестких бронеэлементов «мягкая броня» не оказывает практически никакого сопротивления энергетическому воздействию в направлении удара пули и, следовательно, не распределяет сообщенную ей энергию удара поражающего элемента (ПЭ) на большую площадь. Основная часть энергии удара сосредоточивается в пределах места контакта ПЭ с БЖ и передается телу. Опыт показал, что для «мягкой брони» описанные выше способы гашения динамического воздействия оказываются неприемлемыми, а повышение ее жесткости, например, за счет прострачивания, склеивания и др., как правило, снижает ее противопульную стойкость.

Технический результат выражается в значительном снижении степени повреждающего воздействия ПЭ через тканевый пакет БЖ в случае его непробития на БО, а также в обеспечении положительной плавучести защищающегося в БЖ.

Указанный технический результат достигается за счет того, что на внутренней стороне тканевого пакета БЖ 1 размещается антишоковое устройство (фиг.1), состоящее из амортизатора 2, выполненного из поролона, и подложки 3 (фиг.2). Подложка 3 выполнена в виде секций - компенсаторов удара 4, представляющих собой камеры из прорезиненной ткани ТСВМ с поролоном 5 внутри и облицованных пакетом 6 из склеенных слоев арамидной ткани ТСВМ (компенсаторы удара 4 наклеиваются на пакеты 6).

На фиг.1 изображена конструктивная схема построения тканевого бронежилета с антишоковым устройством; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3, 4 - расчетная схема процесса взаимодействия поражающего элемента с тканевым пакетом бронежилета; на фиг.5 - схема процесса взаимодействия элементов системы «поражающий элемент - тканевый пакет бронежилета - биологический объект».

Амортизатор 2 (фиг.2) никакой защитной роли не играет, а обеспечивает удаление тканевого пакета БЖ 1 от подложки 3 с целью реализации прогиба тканевого пакета БЖ 1 во время внедрения в него ПЭ, способствуя тем самым поглощению его кинетической энергии. Толщина его выбирается из условия где - конечное перемещение лицевой поверхности тканевого пакета БЖ в точке попадания в него ПЭ за время проникания ПЭ в тканевый пакет БЖ в направлении, нормальном к БО. По данным расчета (см. табл.3) толщина амортизатора 2 для существующих БЖ должна быть больше на величину его предельного сжатия (20% от толщины поролона) и должна составлять не менее 1,12 толщины тканевого пакета БЖ 1, т.е. в_ам=1,12в_тп.

Пакет 6 (фиг.2) представляет собой сборку из шести слоев ткани той же основы, что и основная защита БЖ (арамидная ткань ТСВМ), склеенных между собой для обеспечения жесткости, за исключением зоны сгиба из двухслойной той же ткани, обеспечивающей гибкость пакета слоев с зазором l (см. фиг.1) между ними в половину дуги при изгибе на 90°, что составляет l=1,88 мм. Размеры пакета 6 (b) в виде квадратов (см. фиг.1) выбираются из условия - не менее максимального характерного размера основания каверны временной полости (L или d_вх), образуемой в мягких тканях БО при непробитии тканевого БЖ, что по данным экспериментальных и теоретических исследований при непробитии современных тканевых БЖ составляет в=100 мм (см. табл.1, 2). Увеличение размера квадрата ячейки пакета 6 (фиг.1, 2) и размера компенсатора удара 4 приводит к уменьшению гибкости БЖ.

В каждом компенсаторе удара 4 имеется одно или несколько герметично закрытых отверстий, обеспечивающих истечение воздуха из компенсатора удара 4 (дросселирование) при сохранении внутри него постоянного давления воздуха, т.е. Р₂=const, при котором отверстия вскрываются или открываются от воздействия поражающего элемента на тканевый пакет БЖ.

Поскольку температурный режим эксплуатации БЖ предусматривает интервал -50…+50°С, то давление воздуха в компенсаторе удара 4 (фиг.2) при температуре -50°С должно соответствовать нормальному (Р₀=1·10⁵ Па). Так как компенсатор удара 4 закрыт герметично, то давление воздуха в нем будет зависеть от температуры окружающей среды и будет не меньше атмосферного, т.е. Р₁≥Р₀. При погружении в воду в БЖ, при прочих равных условиях, дополнительная выталкивающая сила (Архимедова сила) будет равна F_пд=(в_пп+в_ку)S_зρ_вg, где в_пп, в_ку - толщина пакета пластин и компенсатора удара соответственно; S_з - площадь защиты БЖ (площадь поверхности подложки); ρ_в - плотность воды; g - ускорение свободного падения.

Принцип работы БЖ с антишоковым устройством при обеспечении защитных свойств заключается в следующем.

При попадании ПЭ в тканевый пакет БЖ 1 (фиг.1, 2) последний вовлекается в движение и по мере развития каверны вместе с поражающим элементом воздействует минимум как на один пакет 6 (см. фиг.2), который находится впереди компенсаторов удара 4.

Вовлеченный в движение пакет 6 воздействует на компенсатор удара 4, сжимая адиабатически воздух, находящийся в нем до некоторого давления Р₂, при котором вскрываются или открываются дросселирующие одно или несколько отверстий, обеспечивающих истечение воздуха из компенсатора удара 4 при сохранении давления воздуха внутри компенсатора удара постоянным и равным Р₂ до предельного его расхода при полном торможении воздействующих элементов (ПЭ, тканевого пакета БЖ 1 и пакета 6 подложки). Давления воздуха в компенсаторе удара Р₂ и диаметр или площадь дросселирующего одного или несколько отверстий определяются соответствующим термодинамическим расчетом.

Для оценки технического результата вначале определим параметры взаимодействия ПЭ с БО в штатном тканевом БЖ при условии его непробития.

Процесс взаимодействия элементов системы «ПЭ - тканевый БЖ - БО» условно разделим на два этапа: первый - этап вовлечения в движение тканевого пакета в зоне воздействия на него ПЭ. Данный этап взаимодействия заканчивается моментом времени, когда скорости ПЭ и тканевого пакета БЖ в зоне удара сравняются, т.е. скорость проникания ПЭ в тканевый пакет будет равна нулю. На данном этапе силу сопротивления мягких тканей БО можно не учитывать в силу ее малости по сравнению с силой сопротивления тканевого пакета БЖ внедрению ПЭ; второй - это этап торможения мягкими тканями БО тканевого пакета БЖ и ПЭ, которые двигаются совместно.

Эта задача относится к теории ударного действия ПЭ по подвижной преграде, воздействующей на упругую несжимаемую среду, и решалась при следующих допущениях:

- ПЭ 7 (фиг.3, 4) взаимодействует с тканевым пакетом БЖ 1 по нормали и в процессе внедрения не деформируется (где на фиг.3, 4 0₁x₁y₁z₁ и 0xyz инерциальная и неинерциальная системы отсчета соответственно);

- вся энергия ПЭ затрачивается на преодоление силы сопротивления тканевого пакета БЖ и на вовлечение его в движение;

- прецессия и нутация ПЭ отсутствуют;

- скорость внедрения ПЭ в тканевый пакет БЖ (V_в) мала (V_в=V_э-V_тп, где V_э - скорость движения ПЭ, V_тп - скорость движения тканевого пакета БЖ в зоне контакта с ним ПЭ), поэтому можно считать, что на ПЭ действует только прочностная составляющая силы сопротивления тканевого пакета, величина которой принимается постоянной;

- во время проникания ПЭ в тканевый пакет БЖ мягкие ткани БО практически не оказывают сопротивления образованию выпучины тканевого пакета БЖ по направлению движения ПЭ;

- развитие деформации тканевого пакета БЖ происходит в виде сферической поверхности от центра удара ПЭ в него;

- толщина тканевого пакета БЖ не изменяется в процессе его вдавливания в мягкие ткани БО, т.к. разрывное удлинение волокон тканей отечественного и зарубежного производства не превышает 5%;

- давление в мягких тканях БО определяется только динамическим воздействием на них.

Используя уравнение движения ПЭ при внедрении в тканевый пакет БЖ, определим силу сопротивления тканевого пакета БЖ внедрению ПЭ при условии его расположения на жестком основании

где m_э - масса ПЭ;

- предельная скорость непробития тканевого пакета БЖ при условии его расположения на жестком основании;

в_тп - толщина тканевого пакета БЖ.

Предельная скорость непробития тканевого пакета БЖ при условии его расположения на жестком основании () определяется экспериментально или рассчитывается через удельный единичный импульс [3].

Определим параметры взаимодействия элементов системы «ПЭ - тканевый пакет БЖ» для условий свободного положения тканевого пакета (первый этап решения задачи).

Для этого воспользуемся системой уравнений:

- уравнением движения ПЭ в неинерциальной системе отсчета по оси OZ (см. фиг.3):

где V_тп - скорость движения тканевого пакета БЖ в точке удара по нему ПЭ в направлении его действия;

- уравнением движения тканевого пакета БЖ в точке попадания в него ПЭ в направлении оси OZ:

где m_тп - масса тканевого пакета БЖ, вовлеченного в движение.

Масса тканевого пакета БЖ, вовлекаемого в движение ПЭ, изменяется во времени и при условии, что скорости его продеформированной части в радиальных направлениях от точки удара равны, можно определить как для сферической поверхности, образованной из объема тканевого пакета БЖ, охваченного деформацией, масса которого равна

где z_л - координата перемещения лицевой поверхности тканевого пакета БЖ по оси OZ в точке удара ПЭ или радиус продеформированной поверхности БЖ;

ρ_тп - плотность материала тканевого пакета БЖ.

Решая совместно уравнения (2), (3), можно определить предельную скорость непробития тканевого пакета БЖ при его свободном положении в пространстве

где ;

- конечное перемещение лицевой поверхности тканевого пакета БЖ в точке попадания в него ПЭ за время проникания ПЭ в тканевый пакет БЖ в направлении оси OZ.

Анализ выражения (5) показывает, что предельная скорость непробития пакета БЖ в свободном состоянии больше, чем при размещении на жестком основании, и тем больше, чем легче материал тканевого пакета БЖ и меньше его масса, вовлекаемая в движение.

Оценим параметры движения тканевого пакета БЖ при условии его непробития ПЭ.

Вначале определим время, соответствующее моменту прекращения внедрения ПЭ в тканевый пакет БЖ (t_к) (V_в=0, V_э=V_тп).

Подставив уравнение (3) в (2), разделив переменные и проинтегрировав выражение, получим

где V_c - скорость встречи ПЭ с тканевым пакетом БЖ.

Параметры движения тканевого пакета БЖ для момента времени t_к (время внедрения ПЭ в тканевый пакет БЖ) можно определить, воспользовавшись уравнениями (1), (3), (6). Скорость тканевого пакета в зоне удара в него ПЭ будет равна

Найдем перемещения (прогиб) лицевой поверхности тканевого пакета БЖ в точке удара по нему ПЭ за время t_к (). Для этого воспользуемся уравнением (3)

где

Разделив переменные и проинтегрировав данное уравнение, получим

Подставив выражения (1), (7) в уравнение (8), получим

где .

Максимальное перемещение лицевой поверхности тканевого пакета БЖ за время внедрения в него ПЭ будет соответствовать скорости

Уравнение (9) можно преобразовать к виду:

где

Уравнение (10) является кубическим. Решение данного уравнения осуществляется с применением формулы Кардано.

Тогда координата при перемещении тыльной поверхности тканевого пакета БЖ в точке удара ПЭ с учетом допущения семь будет равна

Для оценки степени поражения биологического объекта в тканевом БЖ рассмотрим второй этап взаимодействия элементов системы «ПЭ - тканевый пакет БЖ - БО» - это этап торможения ПЭ и вовлеченного в движение тканевого пакета БЖ мягкими тканями БО.

Решение задачи осуществлялось при следующих допущениях:

- из составляющих силы сопротивления мягких тканей БО учитывается только инерционная;

- потерями энергии при взаимодействии элементов системы «ПЭ - тканевый пакет БЖ - БО» на трения и нагрев пренебрегаем.

Схема процесса взаимодействия элементов системы «ПЭ - тканевый пакет БЖ - БО» представлена на фиг.5.

Уравнение движения тканевого пакета БЖ 1 с ПЭ 7 при торможении мягкими тканями БО 8 имеет вид:

где - давление в мягких тканях БО при воздействии на него ПЭ и тканевого пакета БЖ (см. фиг.5);

ρ_мт - плотность мягких тканей БО;

- текущая площадь контакта тканевого пакета БЖ с мягкими тканями БО в проекции на плоскость, нормальную к оси OZ;

а - текущее значение величины хорды выпучины тканевого пакета БЖ в виде шарового сегмента (см. фиг.5).

Найдем максимальную глубину каверны в мягких тканях при торможении подвижной системы «ПЭ - тканевый пакет БЖ». Для этого воспользуемся уравнением (12), которое можно преобразовать к виду

Разделив переменные и проинтегрировав выражение (13), получим

где - окончательное перемещение (прогиб) тыльной поверхности тканевого пакета БЖ в точке удара по нему ПЭ.

Уравнение (14) можно преобразовать к виду:

где ;

.

Решение данного кубического уравнения (15) также осуществляется с применением формулы Кардано.

Диаметр выпучины тканевого пакета БЖ по его тыльной поверхности в момент останова его мягкими тканями БО или входной диаметр каверны в них будет равен

Согласно допущению семь высота выпучины тыльной поверхности тканевого пакета БЖ или глубина каверны в мягких тканях БО (см. фиг.5) будет равна

Окончательно объем каверны в мягких тканях БО, образуемый при торможении ими ПЭ, и тканевого пакета БЖ будет равен

Через параметры каверны в мягких тканях БО можно определить степень контузии (СК) БО.

Размеры временной полости определяются следующими характеристиками: глубиной (Н или h), основанием (L или d_вх), площадью (S) и объемом (W). При экспериментально-теоретическом методе определения первые три параметра легко устанавливаются непосредственно по рентгенограмме, а последний - объем - является расчетной величиной, определяемый как объем эллипсоида вращения по следующей формуле [1].

Значимость всех перечисленных параметров временной полости от величины энергии пули для тканевых БЖ представлена в табл.1, 2.

Результаты анализа экспериментальных и расчетных данных свидетельствуют, что параметры временной полости в значительной степени определяются именно кинетической энергией пули. Как оказалось, размеры ее основания колеблются незначительно при изменении величины энергии пули [1]. В последующем была получена эмпирическая зависимость, связывающая степень тяжести контузионных повреждений (СК) с глубиной (Н) и площадью (S) временной полости (ВП) [1].

Таблица 2 Расчетные значения параметров временной полости и степени поражения (контузии) в зависимости от энергетики ПЭ (БЖ 6Б5.001) Поражающий элемент Масса пули, г Скорость встречи пули с БЖ, V_с, м/с Параметры ВП СК_{эксп [1]} СК_теор Относительная ошибка в определении СК, δ_СК, % Вероятность контузионного поражения, Р_КП h, см d_вх, см W, см³ Пуля ПМ 9-мм 5,95 300 3,59 8,25 120,3 2,85 2,68 5,96 0,61 280 3,55 8,17 116,6 2,71 2,66 1,85 0,60 266 3,52 8,12 114,1 2,43 2,65 9,05 0,59 Пуля М1911А1 11,43-мм 15,20 240 4,91 10,90 290,9 3,07 3,09 0,65 0,82

Используя опытные данные работы [1], авторами предлагаемого изобретения была получена другая эмпирическая зависимость для определения контузионного поражения БО в виде

Условия применимости зависимости (21) - 110≤W≤300 см³.

На основании анализа опытных данных работ [1, 4] и результатов расчета установлено, что при объеме временно пульсирующей полости W<110 см³ СК<2,0, а при W>300 см³ СК>3,1.

Зависимость размеров временной полости от величины кинетической энергии ПЭ достаточно убедительно свидетельствует о том, что параметры временной полости непосредственно характеризуют интенсивность ударного воздействия при непробитии БЖ, а если быть еще точнее - являются показателями именно той части кинетической энергии, которая передается за преграду не подлежащие мягкие ткани БО.

В настоящее время большинство как отечественных, так и зарубежных исследователей однозначно связывают тяжесть заброневой контузионной травмы при непробитии БЖ именно с феноменом образования временной полости, а приведенные выше эмпирические зависимости можно взять за основу при оценке травмобезопасности в БЖ при обстреле.

Рассмотренная математическая модель по расчету параметров взаимодействия элементов системы «ПЭ - тканевый БЖ - БО» позволяет вполне удовлетворительно их прогнозировать расчетным способом. Так, относительная ошибка расчета глубины временной полости в мягких тканях БО (h) и ее диаметра у основания (d_вх) не превышает 20%. Результаты расчета параметров взаимодействия элементов системы «ПЭ - тканевый БЖ - БО» приведены в табл.3.

Таблица 3 Значения параметров взаимодействия элементов системы «ПЭ - тканевый БЖ - БО» для условий непробития БЖ 6Б5-11 и 6Б11 Определяемые параметры БЖ 6Б5-11 (в_тп=5,75 мм) БЖ 6Б11 (в_тп=7,00 мм) Поражающий элемент Поражающий элемент Пуля ПМ 9-мм (V_c=283 м/с) Стальной шарик массой 1 г (V_c=560 м/с) Пуля ПМ 9-мм 7Н16 (V_c=300 м/с) Стальной шарик массой 1 г (V_c=550 м/с) Конечное перемещение лицевой поверхности тканевого пакета БЖ за время проникания ПЭ, 5,15 4,04 5,91 4,37 Масса тканевого пакета, вовлеченного в движение за время проникания ПЭ, г 0,687 0,422 1,098 0,601 Предельная скорость непробития БЖ на жестком основании, , м/c 125 398 161 429

Продолжение табл.3 Определяемые параметры БЖ 6Б5-11 (в_тп=5,75 мм) БЖ 6Б11 (в_тп=7,00 мм) Поражающий элемент Поражающий элемент Пуля ПМ 9-мм (V_с=283 м/с) Стальной шарик массой 1 г (V_c=560 м/с) Пуля ПМ 9-мм 7Н16 (V_c=300 м/с) Стальной шарик массой 1 г (V_c=550 м/с) Прогиб тыльной поверхности тканевого пакета Z_ОКт, мм 41,53 26,31 42,71 27,70 Высота выпучины тыльной поверхности тканевого пакета БЖ (глубин каверны в мягких тканях БО), h, мм 35,78 20,56 35,71 20,70 Входной диаметр каверны, d_вx, мм 82,26 51,35 84,26 53,60 Объем каверны в мягких тканях БО, W, см³ 119,06 25,83 123,41 28,00 Степень контузионного поражения БО, СК 2,67 2,07 2,68 2,10

Далее оценим технический результат предлагаемого антишокового устройства БЖ. Вначале оценим защитные свойства предлагаемого БЖ по сравнению со штатным по пулестойкости. Оценку защитных свойств произведем для БЖ 6Б5-11, в котором тканевый пакет выполнен из 30 слоев ткани ТСВМ-ДЖ (в_тп=5,75 мм, ρ_тп=1430 ). Масса БЖ 6Б5-11 составляет 3,7 кг, а общая площадь защиты - 50 дм². Для изготовления компенсатора удара можно использовать арамидную ткань ТСВМ или аналог с плотностью ρ_m=1440 и толщиной в_m=0,3 мм.

Найдем массу предлагаемого антишокового устройства без учета массы амортизатора 2 и упругого наполнителя 5 компенсаторов удара (фиг.1, 2).

где m_пп - масса пакета пластин;

m_ку - масса компенсаторов удара;

в_пп, - толщина пакета пластин и тканевой основы компенсаторов удара соответственно;

ρ_пп, - плотность материала пакета пластин и тканевой основы компенсаторов удара соответственно.

Тогда общая масса предлагаемого БЖ с антишоковым устройством составит 4,99 кг, что не превышает массу штатного БЖ 6Б11, принятого на снабжение в последние годы (масса БЖ 6Б11 составляет 5 кг).

При поражении предлагаемой конструкции БЖ пулями стрелкового оружия и осколками боеприпасов его защиту необходимо рассматривать как многослойную, состоящую из тканевого пакета и пакета 6 (см. фиг.2) перед компенсаторами удара 4.

В данном случае предельная скорость сквозного непробития защиты при условии сохранения массы и формы ударника может быть определена по зависимости

где - предельная скорость непробития пакета.

Предельную скорость непробития пакета пулями пистолета Макарова можно определить по зависимости [5]

где - предельная скорость непробития жестко закрепленного пакета;

m_n - масса пластины пакета;

(m_n=в_ппρ_ппS_пп=1,2·10^-3·1430·0,10²=17,16·10^-3 кг).

Предельную скорость непробития жестко закрепленного пакета можно определить через удельный единичный импульс (i_в), который для ткани ТСВМ-ДЖ составляет в среднем (подсчитан через по данным табл.3)

или ,

где S_м - площадь миделевого сечения пули совместно с тканевым пакетом,

d_тп - диаметр выпучины по тыльной поверхности тканевого пакета.

м.

Тогда

Окончательно предельная скорость непробития защиты предлагаемой конструкции БЖ пулями ПМ составит

что соответствует дальности 100% непробития примерно 5 м (для штатного БЖ 6Б5-11 дальность 100% непробития составляет 10 м, а для БЖ 6Б11 - 5 м).

Далее найдем снижение степени контузии личного состава подразделений силовых структур в тканевых БЖ при использовании в антишоковом устройстве подложки в виде компенсаторов удара (КУ) с дросселированием воздуха и без него. Допустим, что температурный интервал использования предлагаемого БЖ от -50 до +50°С.

При поражении предлагаемой конструкции БЖ пулями стрелкового оружия и осколками боеприпасов максимальные напряжения на поверхности мягких тканей БО будут соответствовать избыточному давлению воздуха в компенсаторах удара.

Допустим, что ПЭ воздействует через тканевый пакет БЖ в геометрический центр пакета 6 (см. фиг.2), к которому приклеены КУ.

Вначале найдем начальную скорость движения подвижной системы (), состоящей из ПЭ, тканевого пакета БЖ, пакета и лицевой тканевой поверхности КУ, воспользовавшись законом сохранения количества движения при взаимодействии.

где - масса лицевой тканевой поверхности КУ

Процесс торможения ПЭ и подвижных элементов БЖ разделим на две стадии. I стадия - торможение ПЭ и движущихся элементов БЖ осуществляется при закрытых отверстиях КУ (рассматривается адиабатический процесс сжатия воздуха в КУ).

Уравнение движения подвижной системы БЖ в данном случае имеет вид:

где

V_пс - скорость движения ПЭ и подвижной системы БЖ;

ΔР(х) - избыточное давление воздуха в КУ в зависимости от степени его сжатия;

S_ку - площадь КУ, численно равная площади его фронтальной проекции.

где Р₂(х) - давление воздуха в КУ в зависимости от степени его сжатия;

Р₀ - давление воздуха в окружающей среде (можно брать равным нормальному).

Давление воздуха в КУ с изменением объема воздуха при адиабатическом сжатии определяется выражением [6]

или

где - первоначальное давление воздуха в КУ в зависимости от температуры окружающей среды;

- давление воздуха в закрытом КУ при температуре Т₀=-50°С, которое равно нормальному Р₀=1·10⁵ Па;

W₂ - текущий объем воздуха в КУ при торможении им ПЭ и движущихся элементов БЖ;

W₁ - первоначальный объем воздуха в КУ при давлении ρ₁;

к - показатель адиабаты (для воздуха к=1,4).

Давление воздуха в КУ при температуре окружающей среды Т₁ (ρ₁=ρ₀, W₁=const, процесс изохорный) равно

Текущий объем воздуха в КУ будет равен

где х - деформация КУ.

Из уравнений (27), (28) и (30) получим

где ψ - коэффициент учета объема упругого наполнителя в КУ (ψ≤1).

Для поролона ψ=0,8, а при его отсутствии ψ=1;

в_ку - толщина КУ.

Найдем величину деформации КУ (), а через нее и степень сжатия воздуха в нем для момента достижения давления воздуха в КУ, равного Р₂, при котором дросселирующие отверстия вскрываются или открываются.

Для случая адиабатического сжатия воздуха в КУ согласно уравнению (28) имеем

Найдем скорость движения ПЭ и вовлеченных в движение элементов БЖ для момента времени, когда давление воздуха в КУ достигает P₂ при допущении, что инерционная масса вовлекаемого в движение воздуха и упругого наполнителя КУ мала и ею можно пренебречь. Для этого воспользуемся уравнением (26) и с учетом зависимости (31) после интегрирования получим

где - скорость ПЭ и вовлеченных в движение элементов БЖ для момента времени, когда давление воздуха в КУ достигает Р₂, а ;

Отсюда

Подставив уравнение (32) в (34), получим

II стадия - торможение ПЭ и вовлеченных в движение элементов БЖ происходит при работе дросселирующего устройства КУ (Р₂=const, ΔР₂=Р₂-Р₀). Уравнение движения ПЭ и вовлеченных в движение элементов БЖ при воздействии на КУ имеет вид:

Разделив переменные и проинтегрировав выражение (36), получим

где х_к - конечное перемещение тканевого пакета БЖ или максимальная степень деформации КУ при его торможении.

Отсюда

Подставив уравнения (32), (35) в выражение (38), получим

где ΔP₂=P₂-P₀; .

Степень воздействия ПЭ на БО в предлагаемом тканевом БЖ зависит от давления воздуха в КУ Р₂ и времени торможения ПЭ и вовлеченных в движение элементов БЖ.

Чем меньше давление воздуха в КУ P₂, тем ниже степень контузии БО. Далее задача по оптимизации параметров антишокового устройства со специальным КУ решается следующим образом:

1) зная параметры средства поражения (ПЭ), характеристики тканевого БЖ и условия соударения, определяем начальную скорость воздействия ПЭ и вовлеченных в движение элементов БЖ на КУ по зависимости

2) задаваясь шагом по избыточному давлению воздуха в КУ (ΔР), определяют P₂ по зависимости (39) при условии, что х_к≤ψв_ку. Затем определяется по зависимости (35) и по зависимости (32).

Найдем диаметр дросселирующего отверстия, через которое происходит истечение воздуха из КУ при торможении тканевого пакета БЖ, обеспечивающего постоянное давление воздуха в нем (P₂=const).

Вначале найдем время торможения тканевого пакета БЖ на II стадии (при P₂=const), которое равно времени дросселирования воздуха из КУ.

Для этого воспользуемся уравнением (36), проинтегрировав которое, получим

Для случая предельного вытеснения воздуха из КУ (W₁=0) время его расхода равно

где ρ₁ - плотность воздуха в КУ при температуре Т₁;

- массовый секундный расход воздуха из КУ.

Приравняв уравнения (41) и (42), получим

Отсюда

Для случая истечения воздуха через отверстие из сосуда с критической скоростью V_кр массовый секундный его расход будет равен [6]

где α - коэффициент расхода воздуха;

d₀ - диаметр отверстия, через которое истекает воздух;

Р₂ - давление воздуха на входе в отверстие (принимается равным давлению воздуха в КУ);

- газовая постоянная;

R_µ - универсальная газовая постоянная,

µ - молекулярная масса газа (воздуха);

Т^* - температура торможения газа (можно принимать равной температуре воздуха на входе в отверстие, т.е. Т^*=Т₂).

Критическая скорость течения газа через отверстие определяется зависимостью [6]

Конечную температуру воздуха в КУ найдем из уравнения его состояния

где для воздуха при нормальных условиях (Р₀=1·10⁵ Па, T₁=293 K)

R=286,6 , ρ₁=1,293 .

Подставив зависимость (32) в зависимость (45), получим

Конечная плотность воздуха при его давлении Р₂ для рассматриваемого процесса равна

Приравняв выражения (43) и (44), получим

Отсюда

Для оценки амортизирующих свойств КУ без дросселирующих отверстий необходимо установить связь между конечным перемещением тканевого пакета БЖ или степенью деформации КУ и давлением воздуха в нем.

Воспользовавшись уравнением (26) и решая его аналогично тому, как при выводе зависимости (33), получим

В данном случае ψ можно брать равным единице, т.е. КУ без упругого наполнителя.

Конечное перемещение тканевого пакета БЖ (х_к) найдем через давление воздуха в КУ, равное P₂ и соответствующее максимальной деформации КУ.

Используя уравнение (28), получим

С учетом того, что W₁=ψS_кув_ку, a W₂=W₁-S_кух_к, уравнение (50) примет вид:

Тогда уравнение (49) примет вид:

Эффективность использования антишокового устройства оценим в сравнении со штатным тканевым БЖ 6Б11 при поражении 9-мм пулями ПМ на дальности 5 м (дальность 100% непробития штатного БЖ 6Б11). Скорость встречи пули с тканевым пакетом БЖ на этой дальности V_c=300 . При этих условиях скорость движения тканевого пакета штатного БЖ 6Б11 в момент прекращения внедрения в него ПЭ составит . На этой дальности БО получает степень контузии чуть меньше III (СК=2,68). При этом начальное давление на границе раздела тканевый пакет БЖ - мягкие ткани БО составляет

и равно Р_шт=33,3 МПа.

Начальную скорость тканевого пакета предлагаемого БЖ найдем по зависимости (40).

Результаты расчета по оценке оптимальных характеристик предлагаемой конструкции антишокового устройства тканевого БЖ с компенсаторами удара с дросселирующими отверстиями и без них и параметров состояния воздуха в них, а также степени поражения личного состава подразделений силовых структур в тканевых БЖ предлагаемой конструкции на дистанции обстрела 5 м из 9-мм ПМ представлены в табл.4.

Наиболее рациональной толщиной КУ, с точки зрения приемлемых размеров, следует считать толщину в интервале 15…20 мм. Диаметр дросселирующего отверстия должен составлять не более 40 мм. Тогда максимальное значение отношения площади отверстии к площади КУ будет равно

или S₀:S_ку=1:8.

Таким образом, отношение площади одного или нескольких изначально герметично закрытых отверстий в КУ к фронтальной его площади не должно превышать 1:8.

Анализ данных табл.4 показывает, что при использовании антишокового устройства с КУ без дросселирующих отверстий начальное давление на границе раздела БЖ - мягкие ткани БО при толщине КУ 10…25 мм по сравнению со штатным БЖ 6Б11 уменьшаются в 3,3…18,2 раза, а при использовании КУ с дросселирующими отверстиями при том же интервале толщин КУ уменьшается в 5,5…41,1 раза.

Таблица 4. в_ку, 10^-3 м , 10^-3 , м/с Т₂,°K Р₂, 10⁵ Па d₀, 10^-3 м , кг/с λ Примечание КУ без дросселирующих отверстий 10 9,55 - 1222 100,0 - - 3,33 ; ψ=1 15 13,77 - 963 43,5 - - 7,66 То же 20 17,63 - 833 26,1 - - 12,76 -«- 25 21,19 - 752 18,3 - - 18,20 -«- КУ с дросселирующими отверстиями 10 7,48 27,66 1057 60,2 40,70 7,02 5,53 ψ=0,8; α=0,72 15 10,34 33,99 782 21,0 39,76 2,56 15,86 То же 20 12,92 33,85 685 13,2 42,45 1,80 25,23 -«- 25 14,55 37,58 596 8,1 41,45 1,12 41,11 -«-

где в табл.4

Предлагаемая конструкция БЖ с антишоковым устройством обеспечивает некоторую плавучесть личного состава подразделений силовых структур. Так при использовании КУ толщиной от 15…20 мм при общей площади защиты S_з=0,5 м² выталкивающая сила воды будет равна

F_пд=(в_пп+в_ку)S_зρ_вg=[1,2+(15…20)]·10^-3·0,5·1000·9,81=79,46…103,97 H,

что соответствует весу тела массой 8,1…10,6 кг.

Предлагаемый БЖ с антишоковым устройством не уступает по пулестойкости штатному, значительно снижает степень повреждающего воздействия на БО при непробитии тканевого БЖ различными ПЭ, а при погружении в воду обеспечивает выталкивающую силу на уровне двойного веса БЖ, что дает положительный эффект, заключающийся в повышении живучести личного состава подразделений силовых структур в тканевых БЖ.

Источники информации

1. Концептуальные основы создания средств индивидуальной защиты. - Ч.I. Бронежилеты / В.И.Байдак и др.; под общ. ред. В.Г.Михеева. - М.: Вооружение. Политика. Конверсия, 2003. - 338 с.

2. Знахурко В.А. Экипировка военнослужащего / В.А.Знахурко и др. - Пенза: ПАИИ, 2005. - 148 с.

3. Конструкция, теория и расчет артиллерийских снарядов и головных частей / B.C.Аблов и др. - Пенза: ПВАИУ, 1979. - 504 с.

4. Ивлиев Ю.Г. Заброневая контузионная травма (анализ вероятных механизмов возникновения, методов оценки и способов предотвращения) / Ю.Г.Ивлиев, В.Н.Гривков, В.В.Чивилев // Актуальные проблемы защиты и безопасности: Тр. 4-й Всерос. конф. - СПб.: НПО «Специальные материалы», 2001. - С.324-330.

5. Дерябин П.Н. Физические основы поражения живой силы в бронежилетах и пути повышения ее живучести / П.Н.Дерябин // Монография. - Пенза: ПАИИ, 2000. - 123 с.

6. Основы теплотехники / В.В.Бурлов и др. - Пенза: ПАИИ, 2003. - 231 с.

7. Пат. РФ №2285887 С2, 31.01.2005, F41H 1/02 (2006/01).

Изобретение относится к средствам индивидуальной бронезащиты. Тканевый бронежилет содержит грудную и спинную секции, снабженные размещенными в чехлах пакетами из арамидной ткани ТСВМ. На внутренней поверхности пакетов из арамидной ткани ТСВМ расположено антишоковое устройство, состоящее из амортизатора и подложки. Амортизатор выполнен из поролона толщиной, составляющей 1,12 толщины пакета из арамидной ткани ТСВМ. Подложка выполнена из слоя гибко соединенных между собой по периметру квадратных пакетов из склеенных между собой слоев арамидной ткани ТСВМ и слоя наклеенных на пакеты компенсаторов удара толщиной 15…20 мм, выполненных в виде камер из воздухонепроницаемой прорезиненной арамидной ткани ТСВМ с размещенным внутри поролоном. В каждом компенсаторе удара выполнено одно или несколько герметично закрытых отверстий с отношением их площади к фронтальной площади компенсатора удара не более 1:8 и с возможностью истечения воздуха из компенсатора удара при воздействии поражающего элемента на пакет из арамидной ткани ТСВМ. Изобретение направлено на снижение степени повреждающего воздействия поражающих элементов на биологический объект при непробитии бронежилета без увеличения его массы. 5 ил., 4 табл.

Тканевый бронежилет, содержащий грудную и спинную секции, снабженные размещенными в чехлах пакетами из арамидной ткани ТСВМ, отличающийся тем, что на внутренней поверхности пакетов из арамидной ткани ТСВМ расположено антишоковое устройство, состоящее из амортизатора и подложки, причем амортизатор выполнен из поролона толщиной, составляющей 1,12 толщины пакета из арамидной ткани ТСВМ, а подложка выполнена из слоя гибко соединенных между собой по периметру квадратных пакетов, выполненных с размерами, равными максимальному диаметру каверны в мягких тканях защищаемого биологического объекта, из склеенных между собой слоев арамидной ткани ТСВМ и слоя наклеенных на пакеты компенсаторов удара толщиной 15…20 мм, выполненных в виде камер из воздухонепроницаемой прорезиненной арамидной ткани ТСВМ с размещенным внутри поролоном, причем в каждом компенсаторе удара выполнено одно или несколько герметично закрытых отверстий с отношением их площади к фронтальной площади компенсатора удара не более 1:8 и с возможностью истечения воздуха из компенсатора удара при воздействии поражающего элемента на пакет из арамидной ткани ТСВМ.