ПУЛЕЗАЩИТНАЯ БРОНЕПАНЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК F41H1/02 

Изобретение относится к средствам бронезащиты и может быть использовано автономно (и)или в составе бронежилетов или других технических средств защиты человека от поражения пулей или иным движущимся предметом, обладающим большой кинетической энергией.

Известна бронезащита для бронежилета, состоящая из бронепластин, установленных встык, и бронеполос, установленных над стыками бронепластин в пересекающихся направлениях, при этом бронеполосы выполнены из набора отдельных бронеэлементов, причем бронепластины и бронеэлементы бронеполос установлены в карманах из высокомодульной органической ткани (см. патент РФ №2091693, кл. F41H 1/02 от 07.06.94 г.).

Недостатком данной бронезащиты является сложность ее изготовления и достаточно высокий вес. Изготовленные с использованием данной бронезащиты бронежилеты тяжелы и неудобны при эксплуатации.

Известны конструкции пулезащитных бронепанелей на основе броневых керамических плиток различного состава, укрепленных с помощью полимерных связующих на слоистых основаниях из стекло- или органокомпозитов «Пулезащитная панель для средств бронезащиты» патент РФ 2130159, 1997 г. и «Пулезащитная брпонепанель», патент РФ №2190823, 2001 г. Решение по патенту №2130159 выбрано в качестве прототипа.

Однако всем композитным бронепанелям, имеющим в качестве фронтального слоя хрупкие материалы - керамику или высокотвердую броневую сталь, присущ общий недостаток - снижение надежности (вероятности непробития) бронепанели после первого баллистического воздействия. При последующих поражениях надежность падает катастрофически. Объяснение этому факту заключается в том, что каждое такое воздействие на хрупкий фронтальный слой приводит к образованию радиальных трещин, расходящихся далеко за пределы конуса Морзе и часто достигающих краев бронепанели. При повторных попаданиях в бронепанель результат является функцией взаиморасположения трещин и точки попадания. Т.е. при попадании непосредственно в область трещины или слияния нескольких трещин вероятность непробития стремится к нулю. После прохождения фронтального слоя в таких областях сердечник сохраняет от 70% до 90% своей массы при мало нарушенной геометрии. Таким образом, на композитное основание воздействует не рассредоточенный поток частиц, состоящий из фрагментов сердечника и вторичных осколков преграды, а почти неповрежденный сердечник, сохранивший большую часть кинетической энергии. Далее процесс взаимодействия почти неповрежденного или поврежденного в малой степени сердечника проходит по механизму воздействия пули на преграду средней твердости - пробитие со срезом слоев высокомодульной ткани, пропитанной полимерным связующим. При этом пропитанные связующим волокна композитного основания работают на короткой базе, 0,5-1,5 мм, не могут перемещаться ни вдоль, ни перпендикулярно своей оси и распространять волновой импульс на большую площадь т.к. зафиксированы связующим, а следовательно, не рассеивают необходимую часть энергии и работают по самому энергетически невыгодному механизму разрушения - на срез.

При повторном и последующих воздействиях пуля или сердечник пули, попав в поврежденную зону фронтального слоя бронепанели, проходит ее с минимальными нарушениями геометрии и, потеряв незначительную часть энергии, пробивает композитное основание.

Не лучше обстоит дело с надежностью бронепанелей, фронтальный слой которых состоит из множества мозаично собранных пластин-плиток. Надежность композитных бронепанелей такой конструкции уже при первом воздействии зависит от локализации попадания, т.е. при попадании в стык двух или нескольких плиток вероятность непробития заметно ниже, чем при попадании в середину плитки.

Современные тактико-технические требования к индивидуальным средствам бронезащиты формулируют более высокие показатели надежности при воздействии высокоэнергетических бронебойных пуль и пуль повышенной пробиваемости винтовочных патронов калибром 7,62 и выше. Одновременно повышаются требования к уровню защиты человека от контузионной травмы при непробитии защитной композиции и снижению массы средства индивидуальной бронезащиты. Большинство бронепанелей имеют недостаточный уровень надежности, пулестойкости, живучести и защиты от заброневой контузионной травмы, особенно при повторных воздействиях ввиду нарушения монолитности и, как следствие, увеличения деформации тыльной стороны. Бронепанель, взятая в качестве прототипа, хотя и имеет наиболее высокие показатели эффективности защиты (пулестойкости, живучести), однако, для снижения показателя заброневой контузионной травмы до допустимой (второй степени) в бронежилетах необходимо все-таки использовать дополнительные антитравматические слои, что увеличивает массу изделия, снижает его технологичность.

Этих недостатков практически лишена предлагаемая конструкция пулезащитной бронепанели, позволяющая существенно улучшить показатели прототипа - эффективность защиты.

Задачей заявленного изобретения является повышение защитных и эксплуатационных свойств за счет повышения надежности, пулестойкости и живучести бронепанели, а также снижение ее габаритно-массовых характеристик.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известной пулезащитной бронепанели, состоящей из оболочки, фронтального слоя высокой твердости (керамика, броневая сталь), расположенного в промежуточном слое и композитного основания, промежуточный слои выполнен в виде нанесенной с двух сторон на фронтальный слой высокомодульной тексильной структуры, например ткани из арамидных или углеродных нитей или стеклоткани с полимерным связующим, например эпоксидным, полиуретановым или фенольным, образуя двустороннее армирование фронтального слоя, а композитное основание выполнено в виде плоской решетчатой фермы, причем несущие слои композитного основания выполнены из текстильного материала, например ткани, нетканой UD-структуры и проч. на основе высокопрочных, высокомодульных, комплексных и элементарных нитей, а равномерно распределенная узловая связь между слоями осуществлена полимерным связующим. А также за счет того, что двустороннее армирование фронтального слоя выполнено эквидистантно, а частота равномерно распределенной узловой связи между слоями фермы задается плотностью переплетения комплексных нитей текстильной структуры, составляющей слой, или способом нанесения связующего, при этом полимерное связующее проходит между комплексными нитями, не проникая вглубь их, связывая только периферийные элементарные волокна.

Технический результат достигается за счет следующих конструктивных особенностей:

1. Фронтальный слой бронепанели выполнен из броневой керамики, стали или иного твердого материала, эквидистантно армированного стеклотканью, тканью из арамидных нитей, углеродных нитей или иной высокомодульной структурой. Этим достигается два эффекта: обеспечение монолитности фронтального слоя, собранного из отдельных плит, а также сохранение монолитности после пулевого воздействия путем удержания фрагментов разрушенной части фронтального слоя в непосредственном контакте друг с другом. При попадании боеприпаса в стык плиток или трещину эквидистантно армированного слоя раздвижки и удаления фрагментов от траектории движения сердечника не происходит. Эквидистантно армированный слой фрагментированного твердого материала продолжает оказывать сопротивление продвижению сердечника, разрушая его.

2. Слоистое композитное основание выполнено в виде плоской решетчатой фермы, причем плоскости фермы (несущие слои) выполнены из текстильного материала - ткани, UD-структуры и проч. на основе высокопрочных, высокомодульных, комплексных и элементарных нитей. Связь между слоями в узлах, статистически равномерно распределенных по плоскости, осуществляется полимерными связующими, например полиуретанового, эпоксидного ряда или иным, в т.ч. термопластичным, причем каждый узел может соединять два и более несущих слоев фермы. Связующее проникает сквозь слои в пространства между комплексными нитями, связывая только периферийные элементарные волокна комплексных нитей, не пропитывая их вглубь.

В предлагаемом техническом решении пулезащитной бронепанели механизм защиты при первом баллистическом воздействии схож с обычным. Однако при последующих попаданиях конструктивные особенности бронепанели обусловливают иное функциональное поведение ее основных составляющих - фронтального слоя и композитного основания.

Эквидистантное армирование фронтального слоя препятствует прорастанию радиальных трещин, образовавшихся в результате предшествующего попадания, ограничивает их длину и обеспечивает фиксацию фрагментов поврежденной преграды в исходном положении. Этим обеспечивается высокий уровень сопротивления продвижению сердечника боеприпаса, что приводит к его более интенсивному абразивному износу и поглощению кинетической энергии. В итоге снижается энергетическая нагрузка, масса и размеры поражающих фрагментов и смягчается воздействие на композитное основание.

Композитное основание, представляющее собой плоскую ферму, выполняет двухэтапную задачу. На этапе прохождения сердечника через фронтальный слой оно выполняет функцию жесткого основания, поддерживающего фронтальный слой, препятствуя раздвижке и уносу абразивных фрагментов фронтального слоя, что в комплексе способствует увеличению абразивного износа сердечника. При этом реализуется ценное свойство форменных конструкций сохранять собственную геометрию и жесткость вплоть до уровня нагрузок, превышающих предел устойчивости фермы. Иными словами, на этапе воздействия сердечника или пули на фронтальный слой форменное композитное основание ведет себя аналогично традиционным жестким композитам, применяемым в известных бронепанелях, превосходя их по весовой эффективности. На втором этапе после пробития фронтального слоя, в т.ч. ранее поврежденного предыдущими воздействиями, значительная часть (части) сердечника и вторичные осколки фронтального слоя воздействуют на композитное основание на ограниченной площади. В результате воздействия концентрированной контактной нагрузки, направленной по нормали к плоскости фермы, происходит локальная потеря устойчивости конструкции, возникает сложнонапряженное состояние - смятие с разрушением межслойных связей фермы на ограниченной площади, исключающее наиболее невыгодный с точки зрения энергопоглощения механизм разрушения - срез. Далее процесс удержания потока частиц происходит по механизму удержания осколков мягкими баллистическими структурами, широко применяющимися в противоосклочной защите бронежилетов. Такой двоякий механизм работы композитного основания возможен благодаря конструктивным особенностям защищаемого технического решения, а именно узловой связи между слоями, равномерно распределенной по плоскости, осуществленной полимерным связующим. Особенно важно, что при этом связующее, проходя сквозь один или несколько слоев композита, обеспечивает их связь без проникновения внутрь комплексных нитей и не связывает элементарные нити в комплексных между собой.

На чертеже схематично представлена пулезащитная бронепанель, где позициями обозначены следующие элементы: 1 - оболочка бронепанели, 2 - фронтальный слой (керамика, сталь), 3 - промежуточный слой, 4 - несущие слои композитного форменного основания, 5 - межслоевая связь композитного ферменного основания.

Оболочка бронепанели 1 выполнена из композиционного материала на основе ткани из волокна СВМ®, а также Терлон® или Кевлар® и полимерного связующего, например эпоксидного эпоксифенольного или эластомерного (ЭДТ-1, ЭНФБ, СКУПФЛ). Фронтальный слой 2 может быть выполнен из броневой керамики, стали или иного твердого материала как цельным, так и состоящим из отдельных плиток. Промежуточный слой 3, образующий эквидистантное армирование фронтального слоя, может быть выполнен из ткани или иной высокомодульной структуры из арамидных нитей, углеродных нитей, стекловолокна и полимерного связующего. Несущие слои композитного форменного основания 4 выполнены из текстильного материала - ткани, UD-структуры и проч. на основе высокопрочных, высокомодульных, комплексных и элементарных нитей. Межслоевая связь 5 композитного форменного основания в узлах, равномерно распределенных по плоскости, осуществляется полимерными связующими, например полиуретанового, эпоксидного ряда или иным, в т.ч. термопластичным, причем каждый узел может соединять два и более несущих слоев фермы. Частота равномерно распределенной узловой связи между слоями фермы выбирается в зависимости от плотности переплетения комплексных нитей текстильной структуры, составляющей слой.

Способов реализации описанной схемы много, в т.ч. нанесение порошковых, сетчатых или пленочных связующих с последующим отверждением под давлением, применение специальных обработок слоев, с последующим нанесением фиксированного количества связующего на слои и прессованием и т.д.

В предлагаемом техническом решении пулезащитной бронепанели механизм защиты при первом огневом воздействии представляется следующим образом.

При встрече с фронтальным слоем 2 из твердого материала неповрежденной бронепанели пули оболочечного типа со свинцовым или мягким стальным сердечником разрушаются практически полностью и останавливаются фронтальным слоем 2. Сердечник бронебойного боеприпаса проходит фронтальный слой 2, разрушая его частично или пробивая насквозь, в свою очередь, подвергается абразивному износу. Фрагменты сердечника и вторичные осколки фронтального слоя 2 задерживаются композитным основанием 4, упруго-пластическая деформация которого частично поглощает и частично рассеивает энергию по всей площади бронепанели. При повторном и последующих воздействиях эквидистантное армирование (промежуточный слой 3) фронтального слоя 2 препятствует прорастанию радиальных трещин, образовавшихся в результате предшествующего попадания, ограничивает их длину и обеспечивает фиксацию фрагментов поврежденного фронтального слоя 2 в исходном положении. Этим обеспечивается высокий уровень сопротивления продвижению сердечника боеприпаса, что приводит к его более интенсивному абразивному износу и поглощению кинетической энергии. В итоге снижается энергетическая нагрузка, масса и размеры поражающих фрагментов и смягчается воздействие на композитное основание.

Композитное основание 4, представляющее собой плоскую ферму, выполняет двухэтапную задачу. На этапе прохождения сердечника через фронтальный слой оно выполняет функцию жесткого основания, поддерживающего фронтальный слой 2, препятствуя раздвижке и уносу абразивных фрагментов фронтального слоя, что в комплексе способствует увеличению абразивного износа сердечника. При этом реализуется ценное свойство форменных конструкций сохранять собственную геометрию и жесткость вплоть до уровня нагрузок, превышающих предел устойчивости фермы. Иными словами, на этапе воздействия сердечника или пули на фронтальный слой 2 форменное композитное основание 4 ведет себя аналогично традиционным жестким композитам, применяемым в известных бронепанелях, превосходя их по весовой эффективности. На втором этапе после пробития фронтального слоя 2, в т.ч. ранее поврежденного предыдущими воздействиями, значительная часть (части) сердечника и вторичные осколки разрушенного фронтального слоя воздействуют на композитное основание 4 на ограниченной площади. В результате воздействия концентрированной контактной нагрузки, направленной по нормали к плоскости фермы, происходит полная или частичная локальная потеря устойчивости конструкции, возникает сложнонапряженное состояние - смятие с разрушением межслойных связей фермы на ограниченной площади. Далее процесс удержания потока частиц происходит по механизму удержания осколков мягкими баллистическими структурами. Такой двоякий механизм работы композитного основания возможен благодаря конструктивным особенностям защищаемого технического решения, а именно узловой связи 5 между слоями, осуществленной полимерным связующим и равномерно распределенной по плоскости. Это способствует повышению уровня защиты человека от контузионной травмы и снижению массы средства индивидуальной бронезащиты.

Изобретение относится к средствам бронезащиты и может быть использовано автономно или в составе бронежилетов и других технических средств защиты человека. Пулезащитная бронепанель состоит из оболочки, фронтального слоя высокой твердости, расположенного в промежуточном слое и композитного основания, отличающаяся тем, что промежуточный слой выполнен в виде нанесенной с двух сторон на фронтальный слой высокомодульной текстильной структуры, например ткани из арамидных или углеродных нитей или стеклоткани с полимерным связующим, например эпоксидным, полиуретановым или фенольным, образуя двустороннее армирование фронтального слоя. А композитное основание выполнено в виде плоской решетчатой фермы, причем несущие слои композитного основания выполнены из текстильного материала, например ткани, нетканой UD-структуры и проч. на основе высокопрочных, высокомодульных, комплексных и элементарных нитей, а равномерно распределенная узловая связь между слоями осуществлена полимерным связующим. Техническим результатом изобретения является повышение защитных и эксплуатационных свойств за счет повышения надежности, пулестойкости и живучести бронепанели, а также снижение ее габаритно-массовых характеристик. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Пулезащитная бронепанель, состоящая из оболочки, фронтального слоя высокой твердости, расположенного в промежуточном слое и композитного основания, отличающаяся тем, что промежуточный слой выполнен в виде нанесенной с двух сторон на фронтальный слой высокомодульной текстильной структуры, например ткани из арамидных или углеродных нитей или стеклоткани с полимерным связующим, например эпоксидным, полиуретановым или фенольным, образуя двустороннее армирование фронтального слоя, а композитное основание выполнено в виде плоской решетчатой фермы, причем несущие слои композитного основания выполнены из текстильного материала, например ткани, нетканой UD-структуры и проч. на основе высокопрочных, высокомодульных, комплексных и элементарных нитей, а равномерно распределенная узловая связь между слоями осуществлена полимерным связующим.

2. Пулезащитная бронепанель по п.1, отличающаяся тем, что двустороннее армирование фронтального слоя выполнено эквидистантно.

3. Пулезащитная бронепанель по п.1, отличающаяся тем, что частота равномерно распределенной узловой связи между слоями фермы задается плотностью переплетения комплексных нитей текстильной структуры, составляющей слой или способом нанесения связующего.

4. Пулезащитная бронепанель по п.1, отличающаяся тем, что полимерное связующее проходит между комплексными нитями, не проникая вглубь их, связывая только периферийные элементарные волокна.