БРОНЕВАЯ ЗАЩИТА ОТ ПОРАЖЕНИЯ УДАРНЫМ ОРУЖИЕМ Российский патент 2014 года по МПК F41H5/04 

Изобретение относится к области военной техники, в частности к броневым защитным конструкциям, которые могут быть использованы в корпусах боевых машин и в пуленепробиваемой одежде, например бронежилетах.

Известна броневая защита, состоящая из последовательно расположенных слоев ткани из высокомодульного волокна, ткани из высокомодульного волокна, пропитанной полимерным связующим, и войлока из натуральных или искусственных волокон, при этом в броневую защиту дополнительно введен слой войлока из натуральных или искусственных волокон, расположенный между слоями ткани из высокомодульного волокна и слоями ткани из волокна, пропитанного полимерным связующим (см. авторское свидетельство SU №1784830, кл. F41H5/04, 30.12.1992).

Однако эффективность защиты от средств поражения недостаточна вследствие низкой энергоемкости защитных слоев.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является броневая защита от поражения ударным оружием, включающая подложку и наружный покровный слой (см. патент RU №2060439, кл. F41H 5/04, 20.05.1996).

Однако и в этом техническом решении эффективность защиты от средств поражения также недостаточна вследствие низкой энергоемкости защитных слоев, что связано с узким выбором конструкционных материалов, поскольку подложка выполнена из стекла с неповрежденной поверхностью, а покровный материал - из керамики, кроме того, независимость толщины броневой защиты от свойств материала поражающего тела приводит к избыточной толщине (весу) броневой защиты либо к ее разрушению.

Задачей является устранение выявленных недостатков.

Техническим результатом предложенного технического решения являются оптимизация толщины (веса) броневой защиты по предложенному критерию, что в итоге повышает надежность броневой защиты и снижает ее вес.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что броневая защита от поражения ударным оружием включает подложку и наружный покровный слой, подложка выполнена одно- или двухслойной, покровный слой выполнен из материала, скорость звука в котором больше, чем скорость звука в материале слоя подложки, близлежащего к защищаемому объекту и выполненного из материала, механическая прочность которого больше, чем механическая прочность покровного слоя.

Толщина слоя подложки, близлежащего к защищаемому объекту, h_i определяется, предпочтительно, из условия

h_i>(ρVc_i ³/πσc_e ²)^1/3, где

ρ - плотность материала поражающего тела ударного оружия,

V - скорость движения поражающего тела ударного оружия,

c_i - скорость звука в материале слоя подложки,

π - 3,14,

σ - механическая прочность слоя подложки,

с_е - скорость звука в материале покровного слоя.

Расположенный между близлежащим к защищаемому объекту слоем подложки и наружным покровным слоем слой двухслойной подложки выполнен, предпочтительно, из материала, скорость звука в котором меньше, чем скорость звука в материале слоя подложки, близлежащего к защищаемому объекту.

Толщина слоя подложки с меньшей скоростью звука h_м определяется, преимущественно, из условия

h_м>(ρVс_M ³/σπс_е ²)^1/3, где

ρ - плотность материала поражающего тела ударного оружия,

V - скорость движения поражающего тела ударного оружия,

c_i - скорость звука в материале слоя подложки с меньшей скоростью звука,

π - 3,14,

σ - механическая прочность слоя подложки, близлежащего к защищаемому объекту,

с_е - скорость звука в материале покровного слоя.

Расположенный между близлежащим к защищаемому объекту слоем подложки и наружным покровным слоем слой двухслойной подложки может быть выполнен из материалов, имеющих различные скорости звука.

На фиг.1 показана броневая защита с однослойной подложкой и механизм ее работы, а на фиг.2 - броневая защита с двухслойной подложкой.

В ходе проведенного исследования установлено, что при столкновении покровного слоя броневой защиты с летящим телом, например пулей, механические деформации, возникающие при столкновении, будут распространяться в броневую защиту в виде ударной волны. Как известно, скорость распространения механических деформаций в твердом теле равна скорости звука (см. Сивухин Д.В. Общий курс физики. М.: ФИЗМАТЛИТ, Издательство МФТИ, 2005, т.1, Механика, с.435-438). Поскольку скорость звука в покровном слое больше, чем в подложке, то прежде, чем звуковая волна пройдет сквозь подложку, она распространится в стороны на большое расстояние. В результате площадь поверхности ударной волны возрастет, а удельные нагрузки снизятся.

Теперь дадим количественную оценку.

Пусть летящее со скоростью V тело сталкивается с преградой. От места столкновения ударная волна, обусловленная деформацией, распространяется во все стороны (см. фиг.1). Пусть толщина покровного слоя равна h_e, а толщина подложки h_i. Тогда время t прохождения звука сквозь преграду равно

$$t=h_e/c_e+h_i/c_i,\text{ (1)}$$

где с_е и c_i скорости звука в покровном слое и подложке;

h_i - толщина слоя подложки, близлежащего к защищаемому объекту;

h_e - толщина покровного слоя.

В случае если толщина покровного слоя меньше толщины подложки, то согласно предлагаемому техническому решению с_е>c_i, а формулу можно упростить до выражения

$$t=+h_i/c_i\text{ (2)}$$

Величину давления на фронте волны, которую для простоты мы аппроксимируем в виде конуса, находим из закона сохранения импульса

$$p{a}^{3}V=\rho St=\rho \pi R^2\sqrt{1}+\left(h_i/c_i\right)\approx \rho \pi {\left(c_{e}t\right)}^2\left(h_i/c_i\right),\text{ (3)}$$

где

p - давление на фронте волны;

ρ - плотность материала летящего тела;

V - скорость летящего тела;

S - площадь боковой поверхности конуса;

t - время прохождения звука сквозь преграду;

R=c_et;

h_i - толщина слоя подложки, близлежащего к защищаемому объекту;

а - продольный размер летящего тела.

Критерием устойчивости броневой защиты считаем неравенство р<σ - предел прочности подложки.

Подставляя в него давление из формулы (3), получаем условие работы броневой защиты в виде:

$$V<\pi \sigma c_e{}^2{\left(h_i/a\right)}^3/\rho c_i{}^3\text{ (4)}$$

Итоговая формула показывает, что эффективность броневой защиты пропорциональна скорости звука в покровном слое, механической прочности подложки, обратно пропорциональна скорости звука в подложке и не зависит от толщины покровного слоя.

Для повышения эффективности броневой защиты подложку делают двухслойной: подложку делают из материала с небольшой скоростью звука, что дополнительно увеличивает площадь ударной волны, снижая тем самым удельные нагрузки (см. фиг.2).

В этом случае формула (4) переходит в формулу (5) с заменой с_i, на c_м.

$$V<\pi \sigma c_e{}^2{\left(h_i/a\right)}^3/\rho c_{м}{}^3\text{ (5)}$$

Формулы (4) и (5) дают критерии толщины покрытия в зависимости от характеристик летящего тела и параметров броневой защиты.

Броневая защита от поражения ударным оружием включает подложку 1 и наружный покровный слой 2. Подложка 1 выполнена одно- или двухслойной. Покровный слой 2 выполнен из материала, скорость звука в котором больше, чем скорость звука в материале слоя 3 подложки 1, близлежащего к защищаемому объекту и выполненного из материала, механическая прочность которого больше, чем механическая прочность покровного слоя.

Толщина h_I слоя 3 подложки 1, близлежащего к защищаемому объекту, определяется, предпочтительно, из условия

h_i>(ρVc_i ³/πσc_e ²)^1/3,

где

ρ - плотность материала поражающего тела ударного оружия,

V - скорость движения поражающего тела ударного оружия,

c_i - скорость звука в материале слоя подложки,

π - 3,14,

σ - механическая прочность слоя подложки,

с_е - скорость звука в материале покровного слоя.

Расположенный между близлежащим к защищаемому объекту слоем 3 подложки 1 и наружным покровным слоем 2 слой 4 двухслойной подложки 1 выполнен, предпочтительно, из материала, скорость звука в котором меньше, чем скорость звука в материале слоя 3 подложки 1, близлежащего к защищаемому объекту.

Толщина h_м слоя 4 подложки 1 с меньшей скоростью звука определяется, преимущественно, из условия

h_м>(ρVс_м ³/σπс_е ²)^1/3,

где

ρ - плотность материала поражающего тела ударного оружия,

V - скорость движения поражающего тела ударного оружия,

c_i - скорость звука в материале слоя подложки с меньшей скоростью звука,

π - 3,14,

σ - механическая прочность слоя подложки, близлежащего к защищаемому объекту,

с_е - скорость звука в материале покровного слоя.

Расположенный между близлежащим к защищаемому объекту слоем 3 подложки 1 и наружным покровным слоем 2 слой 4 двухслойной подложки 1 может быть выполнен из материалов, имеющих различные скорости звука.

Покровный слой 1 выполнен из материала с большой скоростью звука, например алмаза или карбида кремния, и предназначен для снижения удельной механической нагрузки за счет увеличения площади воздействия. Подложка 2 выполнена из материала с большой механической прочностью и меньшей скоростью звука, например сплава титана, и предназначена для восприятия механической нагрузки без разрушения.

При ударе поражающего тела 5, например пули, механические деформации, возникающие при столкновении с покрывным слоем 2, будут распространяться в защиту в виде ударной волны (см. фиг.1). Поскольку скорость звука в покровном слое 2 больше, чем в подложке 1, то прежде чем звуковая волна пройдет сквозь подложку 1, она распространится в стороны на большое расстояние. В результате площадь поверхности ударной волны возрастет, а удельные нагрузки снизятся, что и позволяет повысить эффективность защиты.

Таким образом, предложенное техническое решение расширяет область применения конструкционных материалов броневой защиты и оптимизирует ее толщины (веса), что в итоге повышает эффективность защитной преграды.

Изобретение относится к области военной техники, в частности к броневым защитным конструкциям. Броневая защита от поражения ударным оружием включает подложку и наружный покровный слой. Подложка выполнена одно- или двухслойной. Покровный слой выполнен из материала, скорость звука в котором больше, чем скорость звука в материале слоя подложки, близлежащего к защищаемому объекту и выполненного из материала, механическая прочность которого больше, чем механическая прочность покровного слоя. Достигается повышение надежности броневой защиты и снижение веса. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Броневая защита от поражения ударным оружием, включающая подложку и наружный покровный слой, отличающаяся тем, что подложка выполнена одно- или двухслойной, покровный слой выполнен из материала, скорость звука в котором больше, чем скорость звука в материале слоя подложки, близлежащего к защищаемому объекту и выполненного из материала, механическая прочность которого больше, чем механическая прочность покровного слоя, а толщина h_i слоя подложки, близлежащего к защищаемому объекту, определяется из условия
h_i>(ρVc_i ³/πσc_e ²)^1/3,
где
ρ - плотность материала поражающего тела ударного оружия,
V - скорость движения поражающего тела ударного оружия,
c_i - скорость звука в материале слоя подложки,
π - 3,14,
σ - механическая прочность слоя подложки,
с_е - скорость звука в материале покровного слоя.

2. Броневая защита п.1, отличающаяся тем, что расположенный между близлежащим к защищаемому объекту слоем подложки и наружным покровным слоем слой двухслойной подложки выполнен из материала, скорость звука в котором меньше, чем скорость звука в материале слоя подложки, близлежащего к защищаемому объекту.

3. Броневая защита по п.3, отличающаяся тем, что толщина h_м слоя подложки с меньшей скоростью звука определяется из условия
h_м>(ρVc_м ³/σπc_e ²)^l/3,
где
ρ - плотность материала поражающего тела ударного оружия,
V - скорость движения поражающего тела ударного оружия,
c_i - скорость звука в материале слоя подложки с меньшей скоростью звука,
π - 3,14,
σ - механическая прочность слоя подложки, близлежащего к защищаемому объекту,
с_е - скорость звука в материале покровного слоя.

4. Броневая защита по п.1, отличающаяся тем, что расположенный между близлежащим к защищаемому объекту слоем подложки и наружным покровным слоем слой двухслойной подложки выполнен из материалов, имеющих различные скорости звука.