КОМПОЗИТНАЯ БРОНЯ Российский патент 2016 года по МПК F41H5/04 

Изобретение относится к средствам защиты человека и техники от бронебойных пуль и снарядов, в частности к используемым для этих целей композитным броневым конструкциям.

Броня на основе броневых сталей стала неэффективной после создания и внедрения в последнее десятилетие широкого ряда бронебойных пуль и снарядов с сердечником из упрочненных сталей или специальных твердых материалов. Например, для защиты от бронебойной пули Б-32 винтовки СВД кал. 7,62 мм по Бр5 классу ГОСТ Р 50963-96 необходимо иметь лист броневой стали толщиной более 13,0 мм, что соответствует массе более 100 кг/м² брони. Защита от пули Nammo калибра 7,62 мм с вольфрамовым сердечником по уровню защиты 3 стандарта STANAG 4569 обеспечивается листом броневой стали толщиной не менее 24 мм, что соответствует массе более 190 кг/м² металлической брони. Это обстоятельство стало причиной разработки новых типов брони, в частности композитной брони на основе броневой керамики, обеспечивающей защиту от бронебойной пули Б-32 по Бр5 классу ГОСТ Р 50963-96 при массе 50 кг/м² или защиту от бронебойной пули Nammo кал. 7,62 мм с вольфрамовым сердечником по уровню защиты 3 стандарта STANAG 4569 массой 120 кг/м².

Известны различные виды композитной брони, например многослойная броня по патенту РФ №2329455, МКИ F41H 5/04, опубл. 24.01.2007.

Эта броня содержит дробяще-отклоняющий и задерживающий слои. Дробяще-отклоняющий слой состоит из отдельных корундовых элементов, выполненных в виде цилиндров с выпуклыми торцами и соединенных в единую панель связующим на основе полимеров. Оси этих элементов расположены по нормали к наружной поверхности брони. Задерживающий слой выполнен из конструкционного материала на основе алюминия или стали. Дробяще-отклоняющий и задерживающий слои размещены с зазором более 1 мм или между дробяще-отклоняющим и задерживающим слоями размещен слой материала с модулем упругости при сжатии менее 40 ГПа. Броня обеспечивает эффективное поглощение и рассеивание энергии пули. После попадания пули в корундовый элемент этот элемент имеет возможность хотя бы небольшого осевого перемещения. При этом корундовый элемент разворачивается и приводит в движение соседние элементы. По утверждению авторов, чем больше соседних элементов приведены в движение, тем меньше остаточная энергия пули и, следовательно, выше баллистическая прочность брони.

Недостатки этого технического решения - большой вес и малая живучесть конструкции. Основной недостаток изобретения состоит в том, что энергия удара пули жестко передается соседним корундовым элементам, что приводит к их разрушению и снижению живучести композитной брони в целом. Большой вес определяется высотой корундовых элементов цилиндрической формы. Живучесть композитной брони при попадании пули ограничивается распространением трещин через ударное взаимодействие соседних корундовых элементов, их последовательное раскалывание.

Кроме того, конструкция композитной брони, выполненной из цилиндрических элементов, не обеспечивает защитных свойств при воздействии пуль малого калибра, например 5,45 мм и 7,62 мм с вольфрамовым сердечником, в связи с прониканием фрагментов пули и сердечника пули в отверстие, образованное соединением трех элементов цилиндрической формы.

Также известна многослойная композитная броня патента US 6860186 В2, МКИ F41H 5/02, опубл. 06.05.2004 г. Баллистическая панель для амортизации и рассеивания кинетической энергии от поражающих элементов высокой скорости включает множество керамических элементов, каждый из указанных элементов имеет штифтообразную конфигурацию, состоящую из ножки и головки. При этом площадь поперечного сечения ножки цилиндрической формы меньше, чем площадь поперечного сечения головки элемента шестигранной формы. Каждый из множества указанных элементов располагается так, что головка непосредственно соединена, по меньшей мере, с шестью головками прилегающих элементов, а ножки указанных элементов крепятся при помощи колец, образующих подложку. Фронтальный слой композитной брони образован из плотно соединенных головок керамических элементов шестигранной формы и обеспечивает защиту от проникания пуль малого калибра, например 5,45 мм и 7,62 мм.

Основным недостатком этого технического решения является большой вес, низкая эксплуатационная надежность и малая живучесть конструкции.

Низкая надежность конструкции вызвана тем, что проекции стыков шестигранных головок штифтообразных элементов совпадают с отверстиями, образованными соединением трех колец цилиндрической формы, образующих подложку. Это приводит к проникновению осколков при попадании поражающих элементов высокой скорости в точки соединения трех колец цилиндрической формы.

Энергия удара пули жестко передается соседним корундовым элементам, что приводит к их разрушению и снижению живучести композитной брони в целом.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по назначению и совокупности существенных признаков является конструкция композитной брони, описанной в патенте РФ №2459174, МКИ F41H 5/04, опубл. 09.03.2011 г. (прототип).

Композитная броня содержит дробяще-отклоняющий слой, состоящий из отдельных керамических элементов, соединенных в единую панель связующим на основе полимеров, и задерживающий слой, выполненный из алюминиевого сплава, стали или другого прочного материала. Отдельные керамические элементы выполнены в виде правильных шестигранных призм, при этом боковые грани призм имеют вогнутую форму относительно вертикальной оси и образуют нормируемый зазор между боковыми гранями соседних элементов.

Основным недостатком этого технического решения является большой вес конструкции в связи с плотным заполнением керамикой всего объема броневой защиты.

Задачей изобретения является повышение надежности и «живучести» композитной брони при различных баллистических воздействиях, в том числе при воздействии пуль и осколков с высокой кинетической энергией, пуль повышенной пробиваемости с твердосплавным сердечником, а также снижение веса брони в целом.

Поставленная задача решается за счет того, что в известной композитной броне, содержащей дробяще-отклоняющий слой, выполненный в виде панели, которая состоит из отдельных керамических элементов в форме правильной шестигранной призмы с вогнутыми боковыми гранями относительно вертикальной оси, соединенных связующим составом на основе полимеров, и задерживающий слой, выполненный из прочного материала, дробяще-отклоняющий слой содержит еще одну панель из керамических элементов цилиндрической формы, установленных вертикально, при этом отношение высоты элемента цилиндрической формы и высоты элемента в форме шестигранной призмы составляет от 4 до 8, а отношение диаметра описанной окружности основания элемента в форме шестигранной призмы и диаметра основания элемента цилиндрической формы находится в диапазоне 1,8-1,9. Для плотного прилегания панелей дробяще-отклоняющего слоя друг к другу основание керамического элемента цилиндрической формы со стороны панели из керамических элементов в форме правильной шестигранной призмы выполнено плоским, а другое основание выпуклым сферической формы. Кроме того, с внешней стороны брони установлен короб, в котором размещены панели дробяще-отклоняющего слоя.

Геометрические размеры керамических элементов цилиндрической формы и керамических элементов в виде правильной шестигранной призмы выбираются из условия исключения совпадения стыков между элементами цилиндрической формы и трех соседних керамических элементов правильной шестигранной призмы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображена предлагаемая композитная броня.

На фиг. 1 представлен вариант композитной брони плоской формы в разрезе.

На фиг. 2 представлена схема укладки керамических элементов дробяще-отклоняющего слоя.

На фиг. 3 представлен вариант композитной брони криволинейной формы в разрезе.

Композитная броня содержит дробяще-отклоняющий слой, состоящий из отдельных керамических элементов в форме правильной шестигранной призмы 1 с вогнутыми боковыми гранями относительно вертикальной оси, и элементов цилиндрической формы 2, установленных вертикально. Дробяще-отклоняющий слой расположен между внешним облицовочным слоем 3 и тыльным облицовочным слоем 4, все слои соединены в единое целое связующим на основе полимеров 5. Внешний облицовочный слой 3 выполнен в форме короба из мягкого металла или композитного материала и расположенного с внешней стороны брони. Дробяще-отклоняющий слой установлен на задерживающий слой 6, выполненный из алюминиевого сплава, стали или другого прочного материала.

Для плотного прилегания панели, состоящей из элементов в форме шестигранных призм 1, одно из оснований керамических элементов цилиндрической формы 2 выполнено плоским, а другое основание имеет выпуклую сферическую форму

Ниже приведена причинно-следственная связь существенных признаков изобретения с достигаемым техническим результатом.

Испытания композиционной брони, изготовленной на основе корундовых элементов в виде цилиндров (аналог описанный в патенте РФ №2329455), на воздействие пуль Б-32 пулемета Корд кал. 12,7 мм по Бр6 классу ГОСТ Р 50963-96 показали, что в момент удара пули в цилиндрический корундовый элемент в соседних цилиндрических элементах образуются трещины, которые приводят к снижению защитных свойств композитной брони. Следовательно, заданный уровень защитных свойств броневой конструкции обеспечивается путем использования корундовых элементов заведомо большей толщины (высоты), что приводит к увеличению веса брони. В частности, вес навесной броневой панели, изготовленной из цилиндрических элементов высотой 20 мм, составляет 74,0 кг/м. кв.

Кроме того, при обстреле образцов пулей Nammo кал. 7,62 мм с вольфрамовым сердечником по уровню защиты 3 стандарта STANAG 4569 зафиксировано пробитие осколками пули тыльной поверхности образца в связи с прониканием фрагментов пули в отверстие, образованное соединением трех элементов цилиндрической формы.

Испытания композитной брони, изготовленной на основе корундовых элементов в виде правильных шестигранных призм с боковыми гранями, имеющими вогнутую форму относительно вертикальной оси (прототип), на воздействие пуль Б-32 пулемета Корд кал. 12,7 мм по Бр6 классу ГОСТ Р 50963-96 и на воздействие пуль Nammo кал. 7,62 мм с вольфрамовым сердечником по уровню защиты 3 стандарта STANAG 4569 подтвердили обеспечение заданного уровня защитных свойств при динамическом ударе пули. Связующее на основе полимеров заполняет полость, образованную вогнутыми гранями соседних элементов, и в момент удара препятствует распространению трещины. Композиционная броня обеспечивает заданный уровень защитных свойств, при этом обладает высокой массой вследствие плотного заполнения керамикой броневой защиты по всей толщине брони. В частности, вес навесной броневой панели, изготовленной из правильной шестигранной призмы с боковыми гранями вогнутой формы относительно вертикальной оси высотой 20 мм, составляет 83,0 кг/м. кв.

Испытания предлагаемой композитной брони, дробяще-отклоняющий слой которой выполнен из керамических бронеэлементов в виде правильной шестигранной призмы с боковыми гранями вогнутой формы относительно вертикальной оси и дополнительным слоем бронеэлементов цилиндрической формы, обеспечивают повышение эффективности брони за счет снижения ее массы и повышения живучести брони при сохранении положительных качеств прототипа. В частности, масса навесной броневой панели, изготовленной из правильной шестигранной призмы с боковыми гранями вогнутой формы относительно вертикальной оси высотой 4 мм и цилиндрических элементов высотой 16 мм, обеспечивающей защиту от пуль Б-32 пулемета Корд кал. 12,7 мм по Бр6 классу ГОСТ Р 50963-96 и на воздействие пуль Nammo кал. 7,62 мм с вольфрамовым сердечником по уровню защиты 3 стандарта STANAG 4569, составляет 72,2 кг/м. кв.

Следовательно, вес предлагаемой композитной броневой защиты на 15-20% ниже веса прототипа.

В то же время, существенное значение имеют размеры элементов керамики дробяще-отклоняющего слоя. Соотношение высоты элемента цилиндрической формы и элемента шестигранной призмы составляет от 4 до 8 единиц.

Диаметр элементов цилиндрической формы и размер «под ключ» элементов шестигранной формы выбираются с расчетом исключения совпадения стыков трех элементов цилиндрической формы и трех соседних элементов правильной шестигранной призмы в вертикальной проекции. Например, соотношение диаметра описанной окружности элементов правильной шестигранной формы и диаметра элементов цилиндрической формы составляет диапазон от 1,8 до 1,9. Одно из оснований цилиндрических бронеэлементов может быть выполнено плоским для установки слоя элементов в форме шестигранных призм с плотным прилеганием сопрягаемых поверхностей цилиндрического и шестигранного элементов, а другое основание может иметь сферическую форму, размещенную с обеспечением точечного контакта цилиндрического элемента и задерживающего слоя.

Дополнительные защитные и эксплуатационные свойства композитной брони обеспечиваются тем, что дробяще-отклоняющий слой, состоящий из элементов керамики в виде правильной шестигранной призмы и цилиндрических керамических элементов, соединенных в единую панель связующим на основе полимеров, например полиуретанов, размещены в коробе, расположенном со стороны элементов правильной шестигранной призмы, выполненном из металла или композиционного материала. Наружный короб обеспечивает заданные геометрические размеры, защиту броневой конструкции от случайных воздействий при монтаже и эксплуатации.

Предлагаемое техническое решение композиционной брони является новым, так как вышеизложенная совокупность существенных признаков этого решения, в том числе и в частных случаях, не известна из уровня техники. Оно имеет изобретательский уровень, так как для специалиста явным образом не следует из уровня техники, а также промышленно применимо, так как может использоваться для защиты человека и различной техники от пуль и снарядов.

Размеры элементов правильной шестигранной призмы 40×46 мм и элементов цилиндрической формы диаметром 25 мм, приведенные в качестве примера на фиг. 2, составляют соотношение диаметра описанной окружности элементов правильной шестигранной формы и диаметра элементов цилиндрической формы равное 1,84, которое исключает совпадение промежутков между керамическими элементами, образованных соединением трех элементов цилиндрической формы и трех соседних элементов правильной шестигранной призмы.

Высота элемента цилиндрической формы и элемента шестигранной призмы составляет от 4 до 8 единиц. В частности, в качестве примера принята высота элементов цилиндрической формы 16 мм, а высота элементов правильной шестигранной призмы составляет 4 мм.

При воздействии баллистического снаряда (пули) на заявляемую конструкцию броневой защиты реализуется следующий механизм взаимодействия. Сердечник пули, достигая первый слой элементов керамики в форме шестигранных призм, начинает разрушаться, изменяет направление своего движения от наиболее опасного движения по нормали. Далее энергия сердечника и образовавшихся осколков передается на слой элементов керамики цилиндрической формы. При этом исключена возможность проникания осколков пули в стык трех элементов цилиндрической формы, заполненный полимерным связующим. В случае выбора оптимальных размеров элементов шестигранной и цилиндрической формы дробяще-отклоняющего слоя происходит полное разрушение сердечника пули и элементов керамики. Кинетическая энергия пули практически полностью преобразуется в энергию разрушения элементов керамики. Оставшаяся энергия кинетического удара воспринимается задерживающим слоем 6. Внешний короб, в котором размещен дробяще-отклоняющий слой, предохраняет слои броневой керамики от случайных повреждений в процессе изготовления и эксплуатации композитной брони, повышает живучесть композитной брони при многократном поражении.

Изобретение относится к средствам защиты человека и техники от бронебойных пуль и снарядов, в частности к используемым для этих целей композитным броневым конструкциям. Композитная броня содержит дробяще-отклоняющий слой и задерживающий слой, выполненный из прочного материала. Дробяще-отклоняющий слой выполнен в виде двух панелей, состоящих из отдельных керамических элементов. Одна панель состоит из элементов в форме правильной шестигранной призмы с вогнутыми боковыми гранями относительно вертикальной оси и соединенных связующим составом на основе полимеров. Вторая панель состоит из керамических элементов цилиндрической формы, установленных вертикально. Отношение высоты элемента цилиндрической формы и высоты элемента в форме шестигранной призмы составляет от 4 до 8. Отношение диаметра вписанной окружности основания элемента в форме шестигранной призмы и диаметра основания элемента цилиндрической формы находится в диапазоне от 1,8 до 1,9. У керамического элемента цилиндрической формы основание со стороны панели из керамических элементов в форме правильной шестигранной призмы выполнено плоским, а другое основание выпуклым сферической формы. Достигается повышение надежности брони при различных баллистических воздействиях. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Композитная броня, содержащая дробяще-отклоняющий слой, выполненный в виде панели, которая состоит из отдельных керамических элементов в форме правильной шестигранной призмы с вогнутыми боковыми гранями относительно вертикальной оси, соединенных связующим составом на основе полимеров, и задерживающий слой, выполненный из прочного материала, отличающаяся тем, что дробяще-отклоняющий слой содержит еще одну панель из керамических элементов цилиндрической формы, установленных вертикально, при этом отношение высоты элемента цилиндрической формы и высоты элемента в форме шестигранной призмы составляет от 4 до 8, а отношение диаметра описанной окружности основания элемента в форме шестигранной призмы и диаметра основания элемента цилиндрической формы находится в диапазоне от 1,8 до 1,9.

2. Композитная броня по п.1, отличающаяся тем, что у керамического элемента цилиндрической формы основание со стороны панели из керамических элементов в форме правильной шестигранной призмы выполнено плоским, а другое основание - выпуклым сферической формы.

3. Композитная броня по п.1, отличающаяся тем, что с внешней стороны брони установлен короб, в котором размещен дробяще-отклоняющий слой.