СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ БРОНЕСТОЙКОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ БРОНЕЗАЩИТЫ Российский патент 2023 года по МПК F41H1/02 

Изобретение относится к области ракетно-артиллерийской техники, а именно к способам проектирования противопульной и противоосколочной стойкости элементов бронезащиты и может быть использовано для повышения ударной прочности защитной композиции.

Известны способы индивидуальной защиты личного состава от ударного воздействия пуль и осколков - это защитные шлемы (ЗШ), бронежилеты (БЖ) и боевые защитные комплекты (БЗК) [1]. Защитный шлем (Фиг. 1) обеспечивает защиту головы военнослужащих от пистолетных пуль и осколков.

Бронежилет (Фиг. 2) в зависимости от вида (легкий - тяжелый) может обеспечивать защиту, начиная от холодного оружия до пуль винтовочных патронов. Бронежилет может применяться в штурмовой комплектации с фартуком и противоосколочными наплечниками.

Броневой защитный комплект (Фиг. 3) применяется для защиты конечностей (рук и ног) и лица военнослужащего от осколков снарядов, мин и гранат, для защиты в области плечевых, локтевых и коленных суставов, бедер от пуль пистолета и механических повреждений. В состав БЗК могут входить: комбинезон, который обеспечивает защиту от осколков; экраны защитные бедер - обеспечивают защиту от осколков и пуль пистолета; комплект экранов усиления - обеспечивает защиту плечевых, коленных и локтевых суставов и прилегающих к ним участков голени и предплечий, а также паха от осколков и пуль пистолета; экран защитный лицевой - обеспечивает защиту от осколков; перчатки защитные - обеспечивают защиту от осколков.

Полный вес комплекта может составлять до 22 кг в расширенной комплектации (без боевого запаса и оружия).

Установлено, что при использовании шлема и бронежилета, в максимальной комплектации, вероятность поражения составляет 13,5%, а у незащищенного человека вероятность поражения равна 26,5% [1].

В настоящее время ведутся широкие исследования по совершенствованию способов защиты, которые основываются на научно-техническом прогрессе в материаловедении и областях конечной баллистики, посвященных синтезу и оптимизации защитных структур. Элементы бронезащиты выполняются в виде интегрированной защитной композиции, в состав которой могут входить: материалы на основе сверхвысокомодульных органических волокон - нейлон, арамиды (кевлар), полиэтилен; различные композиционные материалы - керамика (спеченный корунд, реакционно связанный карбид кремния, горячепрессованный карбид бора), прозрачная броня (неорганические и органические стекла); металлы и сплавы - сталь марки СПС-43, высокопрочный алюминиевый сплав типа 102, высокопрочные титановые сплавы типа ВТ-6 и ВТ-23.

Основными недостатками подобных способов индивидуальной защиты личного состава от ударного воздействия пуль и осколков являются:

- относительно большая масса от 5 до 22 кг (в зависимости от класса защиты и комплектации), что сказывается на маневренности военнослужащего при выполнении боевой задачи (скорости передвижения, времени выполнения задачи [1]);

- высокая себестоимость изготовления, так стоимость листового проката высокопрочного алюминиевого сплава примерно в 5 раз, а титановых - в 25 раз превышает стоимость стального проката.

Технической задачей изобретения является способ получения характеристик бронестойкости элемента бронезащиты, обеспечивающий более высокую ударную прочность при неизменных или меньших массогабаритных и худших прочностных параметрах элемента, за счет снижения динамической нагрузки, что достигается оптимизацией амплитудно-частотных характеристик колебаний, совершаемых операндами контактирующей пары «пуля - бронеэлемент».

Указанная техническая задача решается путем сообщения одному из операндов механической колебательной системы «пуля - бронеэлемент» - бронеэлементу, собственных колебаний с амплитудно-частотными характеристиками, зависящими от частоты возмущающего воздействия второго операнда - пули (осколка).

Установлено, что механическая система «пуля - бронеэлемент» относится к колебательной системе, сочетающей в себе два вида колебаний:

- автономные колебания - установившиеся колебания преграды, которые определяются свойствами самой системы и возникают при постороннем источнике энергии;

- вынужденные колебания, вызванные внешним воздействием пули на преграду.

Известно, что ударные или динамические нагрузки пули вызывают напряжения и деформации в материале преграды [2]. Отмечается, что на характер деформаций двух соударяющихся тел, каждое из которых имеет свои физические и механические характеристики, оказывают влияние параметры колебаний (частот и длин волн) совершаемых пулей и преградой.

Согласно [2] уравнение вынужденных колебаний системы с одной степенью свободы имеет вид:

где - деформация системы от удара пули; - частота собственных колебаний преграды; - частота вынужденных колебаний пули; - наибольшее значение возмущающей силы (удара).

Первый член правой части формулы определяет собственные колебания (автоколебания) преграды, а второй - характеризует вынужденные колебания. Вынужденные колебания имеют туже частоту, что и возмущающая сила S.

Количественной характеристикой отклика системы на удар выступает так называемый динамический коэффициент [2]

где - частота собственных колебаний мишени; - частота возмущающей силы.

Чем выше динамический коэффициент, тем значительнее деформации преграды.

Известно, что частота возмущающей силы функционально определяется скоростью встречи пули с преградой, а собственная частота преграды рассчитывается исходя из значений частоты возмущающей нагрузки [3, 4].

Как видно из выражения (2), величина динамического коэффициента зависит от отношения - частоты возмущающей силы пули к частоте собственных колебаний преграды бронеэлемента Так при частоте возмущающей силы, превышающей собственную частоту динамический коэффициент отрицателен. Это означает, что знак возмущающей силы в каждый момент времени противоположен знаку перемещения, а величина амплитуды вынужденных колебаний определяется путем умножения напряжения от статически действующей силы S на динамический коэффициент.

Установлено, что при весьма большой частоте возмущающей нагрузки (по сравнению с частотой собственных колебаний ) динамический коэффициент очень мал (близок к нулю). В этом случае возмущающая сила практически не вызывает деформации преграды.

Таким образом, за счет оптимизации отношения частоты возмущающей нагрузки вызванной пулей (осколком) и собственной частоты бронеэлемента, достигается уменьшение величины динамической нагрузки системы, а следовательно, повышение бронестойкости защитного элемента.

Устройство, с помощью которого реализуется способ обеспечения бронестойкости субъектов взаимодействующей пары «пуля - бронеэлемент» проиллюстрирован на Фиг. 4.

На Фиг. 4 представлена функциональная схема устройства для реализации способа повышения ударной прочности бронеэлемента. После контакта пули 2 с преградой 1 датчиком 3 фиксируется ударный импульс. Результат в виде аналогового сигнала поступает на вход платы 5. Внутри платы 5 сигнал преобразуется к цифровому виду и обрабатывается встроенным микроконтроллером по заданной программе (определяются время ударного импульса, частота возмущающей нагрузки и частота собственных колебаний бронеэлемента). На выходе платы 5 формируется широтно-импульсный управляющий сигнал. С помощью резистора 6 напряжение 5 В (на выходе платы 5) понижается до рабочего напряжения транзистора 7 - 0,25 В. Для обеспечения работы вибратора 4 с помощью транзистора 7 управляющий сигнал усиливается до 200 мА и поступает на вход вибратора 4. Вибратор 4 преобразует электрический сигнал в механические колебания, которые передаются взаимодействующему с пулей бронеэлементу (преграде).

Предложенный способ повышения бронестойкости элементов бронезащиты позволяет:

- обеспечить более высокую ударную прочность элемента бронезащиты при меньшей массе индивидуального защитного комплекта, что влияет на маневренность военнослужащего при выполнении боевых задач;

- использовать в качестве бронеэлементов материалы с низкой себестоимостью, что позволит значительно снизить стоимость используемых технологических решений.

Источники информации

1. Экипировка военнослужащего: Учебное пособие / В.А. Знахурко, В.В. Егоров, О.М. Данилович и др. - Пенза, ПАИИ, 2005. - 150 с.

2. Дарков А.В., Шапиро Г.С. Сопротивление материалов. Учебник для втузов. Изд. 4-е. «Высш. Школа», 1975 - 654 с.

3. ГОСТ 2821-89 (МЭК 68-2-27-87). Межгосударственный стандарт. Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. Часть 2. Испытания. Испытания ЕА и руководство: Одиночный удар.

4. Ильинский B.C. Защита РЭА и прецизионного оборудования от динамических воздействий. - М.: Радио и связь, 1982. - 296 с.

Для повышения ударной прочности элементов бронезащиты (1) снижают их динамическую нагрузку, возникающую от контакта с пулей/осколком (2) посредством закрепленных на элементах бронезащиты (1) датчика (3), выполненного с возможностью преобразования ударного импульса от контакта пули/осколка (2) с элементом бронезащиты (1) в аналоговый сигнал и вибратора (4). Датчиком (3) фиксируют ударный импульс после контакта пули/осколка (2) с элементом бронезащиты (1). Ударный импульс в виде аналогового сигнала направляют на вход платы (5). Внутри платы (5) аналоговый сигнал преобразуют в цифровой и обрабатывают встроенным микроконтроллером с возможностью определения времени ударного импульса, частоты возмущающей нагрузки и частоты собственных колебаний бронеэлемента (1), зависящих от частоты возмущающего воздействия пули/осколка (2). На выходе платы (5) формируют широтно-импульсный управляющий сигнал, который усиливают транзистором (7), с возможностью обеспечения работы вибратора (4). Вибратором (4) преобразуют электрический сигнал в механические колебания, которые передают взаимодействующему с пулей/осколком (2) элементу бронезащиты (1) с частотой возмущающего воздействия большей частоты собственных колебаний элемента бронезащиты (1). Обеспечивается более высокая ударная прочность при неизменных или меньших массогабаритных и худших прочностных параметрах элемента бронезащиты. 4 ил.

Способ повышения бронестойкости элементов бронезащиты, заключающийся в том, что для повышения ударной прочности элементов бронезащиты снижают их динамическую нагрузку, возникающую от контакта с пулей/осколком посредством закрепленных на элементах бронезащиты датчика, выполненного с возможностью преобразования ударного импульса от контакта пули/осколка с элементом бронезащиты в аналоговый сигнал, и вибратора, следующим образом: датчиком фиксируют ударный импульс после контакта пули/осколка с элементом бронезащиты, ударный импульс в виде аналогового сигнала направляют на вход платы, внутри платы аналоговый сигнал преобразуют в цифровой и обрабатывают встроенным микроконтроллером с возможностью определения времени ударного импульса, частоты возмущающей нагрузки и частоты собственных колебаний бронеэлемента, зависящих от частоты возмущающего воздействия пули/осколка, на выходе платы формируют широтно-импульсный управляющий сигнал, который усиливают транзистором, с возможностью обеспечения работы вибратора, вибратором преобразуют электрический сигнал в механические колебания, которые передают взаимодействующему с пулей/осколком элементу бронезащиты с частотой возмущающего воздействия, большей частоты собственных колебаний элемента бронезащиты.