Элемент броневой защиты Российский патент 2024 года по МПК F41H1/02 F41H5/04 F41H7/04 

Изобретение относится к броневым конструкциям и может быть использовано при изготовлении средств индивидуальной защиты, средств защиты транспорта, броневых плит различного назначения в качестве элемента броневой защиты в составе броневого изделия для защиты от проникающего воздействия внешних предметов, например, от поражения различными типами боеприпасов.

Среди многочисленных броневых конструкций обращают на себя внимания слоистые изделия, содержащие слои на основе керамики, а также слои из гофрированного металлического листа. Первые характеризуются высокой твердостью и соответственно высокой степенью защиты, но они хрупкие и имеют низкие характеристики стойкости. Так, известна композитная слоистая броня на основе керамики, содержащая последовательно расположенные металлическую подложку, слой бронекерамики и наружную облицовку, при этом между подложкой и слоем бронекерамики дополнительно размещена пластина из конструкционного материала, облицовка выполнена из прочного композита, слой бронекерамики скреплен с наружной облицовкой и дополнительной пластиной с использованием полимерного клея, при этом облицовка, бронекерамика и дополнительная пластина соединены с подложкой механически (патент на изобретение РФ №2484412, МПК F41H 5/04). Основной недостаток этой конструкции ее хрупкость при ударном воздействии, например, при воздействии боеприпасов, осколков.

Изделия, содержащие металлические гофрированные слои, характеризуются высокой способностью к рассеиванию энергии воздействующего боеприпаса и способностью изменять его траекторию. Однако такие изделия требуют многослойную конструкцию. Так, например, известна защитная пластина, содержащая скрепленные между собой и разнесенные друг относительно друга гофрированные слои, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности рассеивания кинетической энергии удара, в ней гофры смежных слоев смещены друг относительно друга на расстояние от 0,05 до 0,25 длины волны гофра, а между гофрированными слоями размещен коротковолокнистый материал (патент на изобретение РФ №2009441, МПК F41H 1/02). Основной недостаток этой конструкции - громоздкость, высокая материалоемкость, т.е. необходимость использования ряда слоев для достижения требуемой прочности при проникающем воздействии внешних предметов.

Наиболее близким (прототипом) по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является двухслойная гофрированная керамическая композитная структура, содержащая три металлические панели и гофрированные металлические листы между ними, в треугольные пазы между складками гофры металлических листов заполнены трехгранными керамическими призмами. Таким образом, гофрированный металлический лист с керамическим заполнением расположенные между каждой парой металлических панелей в совокупности образуют двухслойную гофрированную керамическую структуру (реферат РСТ CN 102967180 А, МПК F41H 5/05, опубл. 13/03/2013). Недостатком этой композитной структуры являются низкая стойкость керамического слоя к воздействию пробивающих боеприпасов, недостаточная прочность всего изделия относительно проникающего воздействия внешних предметов, например, боеприпасов, осколков, значительная масса.

Решаемой задачей заявляемого изобретения является расширение арсенала технических средств броневых конструкций, изделий броневой защиты и их элементов.

Указанного технического результата в заявляемом изобретении достигают за счет осуществления элемента броневой защиты, содержащего металлические гофрированные слои и керамический наполнитель, образованные в слоистую металлокерамическую композитную структуру, при этом углы складок гофры металлического слоя выполнены острыми. Металлокерамическая композитная структура осуществлена в один слой, керамический наполнитель выполнен с полным заполнением пространства между складками гофры с тыльной стороны структуры или с полным заполнением пространства с тыльной и дополнительно частичным заполнением пространства между складками с лобовой стороны структуры, при этом указанный элемент броневой защиты является масштабируемым по плоскости и объему.

Заявляемое изобретение имеет следующие, общие с ближайшим аналогом существенные признаки, а именно содержит: металлические гофрированные слои и керамический наполнитель, образованные в слоистую металлокерамическую композитную структуру, при этом углы складок гофры металлического слоя выполнены острыми.

Отличают заявляемое изобретение от прототипа следующие существенные признаки:

- осуществление металлокерамической композитной структуры в один слой,

- выполнение керамического с полным заполнением пространства между складками гофры с тыльной стороны структуры или с полным заполнением пространства с тыльной и дополнительно частичным заполнением пространства между складками с лобовой стороны структуры,

- указанный элемент броневой защиты является масштабируемым по плоскости и объему.

Здесь следует заметить, что выполнение металлокерамической структуры в один слой не является очевидным решением или упрощением конструкции прототипа, т.к. в заявляемом техническом решении использован принцип заклинивания в щели внешнего проникающего тела, что неизвестно из уровня техники для металлокерамических конструкций. При этом внешняя лобовая сторона броневого элемента или металлокерамической композитной структуры освобождена полностью или частично от керамического наполнителя, что обеспечивает реализацию заклинивающего эффекта и облегчает вес.

Приведенные существенные признаки являются отличительными от прототипа, т.к. каждый из них не содержится в совокупности существенных признаков прототипа, т.е. не присутствует в перечне признаков, осуществляемых в прототипе, и не является их характеристикой.

Для однозначного и более полного понимания описания заявляемого изобретения далее приведены пояснения и уточнения, использованных выше понятий и терминов, а также раскрытие признаков изобретения с указанием причинно-следственных связей их осуществления.

Заявляемый элемент броневой защиты (броневой элемент) представляет собой совокупность конструкционных составляющих, объединенных единым творческим замыслом, и предназначен для использования в различных защитных изделиях в качестве броневой основы при защите от предметов или боеприпасов проникающего воздействия. Основой изобретательского замысла заявляемого технического решения является использование принципа заклинивания проникающего твердого тела в броневом изделии. Этого эффекта можно достичь образованием в компактном материале суживающейся щели (щелей) при высоких значениях модуля упругости и твердости этого материала. При этом значительная часть энергии проникающего твердого тела затрачивается на расширение этой щели, т.е. затрачивается на боковое воздействие на твердый (керамика) и упругий (сталь) материалы. На практике этого можно достичь использованием металлического, преимущественно стального, гофрированного материала с заполнением твердым керамическим материалом пространства между складками гофры по меньшей мере с тыльной стороны. При этом эффективные высоту и шаг гофры определяют в зависимости от размеров предполагаемого боеприпаса проникающего воздействия. В нашем случае понятия «между складками гофры» и «между стенками складок гофры» равнозначны.

Во всех случаях броневая защита бывает предназначена для защиты от какого-то определенного вида проникающего воздействия внешних предметов, преимущественно от боеприпасов проникающего воздействия. При этом основными условиями осуществления эффективной защиты заявляемого броневого элемента от, например, пули являются ширина основания суживающейся щели, высота гофры и размер угла складки гофры. В нашем случае под щелью следует понимать суживающееся или клиновидное пространство между складками гофры, а ширина основания складки гофры равна расстоянию между вершинами гофры. Ширина основания суживающейся щели должна быть преимущественно в 1,20-2,50 раза больше диаметра боеприпаса. При меньшей ширине возрастает количество лобовых ударов в вершину гофры, что снижает эффективность защиты. При увеличении ширины увеличивается угол атаки относительно боковой стенки складки гофры, что также снижает эффективность защиты. Высота гофры должна быть преимущественно в 1,4-3,0 раза больше диаметра боеприпаса. Снижение этого параметра также приводит к увеличению угла атаки относительно боковой стенки складки гофры, что аналогично снижает эффективность защиты. Увеличение высоты гофры (высоты щели) в большинстве случаев приводит к нежелательному увеличению размеров броневого элемента, хотя в ряде случаев допустимо. Размер угла складки гофры преимущественно должен быть выполнен в интервале от 30° до 80°. При меньшем угле чем 30°, в большинстве случаев необходимо увеличение высоты гофры или реализуется нежелательный вариант сужения щели (складки) гофры. При большем угле чем 80°, или реализуется нежелательный вариант расширения щели гофры. Приведенные размеры определены опытным путем.

При воздействии на заявляемый броневой элемент проникающего внешнего предмета возможны следующие случаи:

1. Лобовой удар в вершину гофры (редкий случай).

При этом энергия удара расходуется на расширение сторон угла стальной гофры, сжатие керамического материала толщиной в высоту гофры, сжатие керамического материала между складками гофры в ширину на соседних складках, разрыв материала гофры. В этих процессах затраты энергии на боковое расширение керамического материала между складками велики и снижают возможность пробивания броневого элемента внешними предметами.

2. Удар в броневой элемент под острым углом к стенке гофры или в щель/складку гофры сверху.

В данном случае проникающий предмет при столкновении со стенкой гофры изменяет направление движения, соскальзывает вниз (вероятностно) по щели и зажимается между ее стенками (заклинивается). При этом энергия удара расходуется на расширение сторон угла стальной гофры, сжатие керамического материала между складками гофры в ширину, в том числе в рядах последующих за соседними, разрыв материала гофры. В этих процессах затраты энергии на боковое расширение керамического материала между складками также велики и снижают возможность пробивания броневого элемента внешними предметами.

3. Удар в броневой элемент под тупым углом к стенке гофры, в верхнюю часть гофры. Как правило, это удары близкие к касательным относительно всего броневого элемента.

В данном случае проникающий предмет при столкновении со стенкой гофры может изменять направление движения. При этом может соскальзывать вверх и отскакивать. В худшем случае проникающий предмет деформирует гребни гофры и затрачивает свою энергию на разрыв/деформацию нескольких вершин складок гофры в верхней части броневого элемента и сжатие керамического материала между складками гофры.

Металлический гофрированный слой выполняют из листов броневой или рессорной стали, например, марки 60С2. Гофрирование листов стали проводят методом горячего штампования с последующим закаливанием. При этом следят за получением острого угла при вершине гофры без закруглений. В ряде случаев по линии вершины гофры выполняют наклеп. Выполнение основного конструкционного элемента заявляемого изобретения в виде гофрированного металлического листа расширяет конструкционные возможности изделия, например, позволяет легко создавать изогнутые и выпуклые конструкции.

Между складками гофры, можно также сказать в складках гофры размещают твердый керамический материал. Это может быть спеченный материал, например, вставки спеченных треугольных призм. Другим вариантом применения керамического материала могут быть зернистые смеси специально подобранного гранулометрического состава в свободной засыпке или в составе композиции. Свободную засыпку уплотняют, например, вибрацией, а композиции изготавливают на клеевой основе. В качестве керамического материала можно использовать нитриды и карбиды бора, а также титана, корунд, диоксид кремния и другие твердые материалы. На практике удобнее использовать измельченный электрокорунд со специально подобранным гранулометрическим составом. Для керамического слоя на тыльной стороне броневого элемента пористость должна быть минимальной, чтобы максимально снизить сжатие по ширине. Во всех случаях использования керамического слоя его закрывают по линии вершин гофры для предупреждения разрушения слоя и его выкрашивания с помощью специальных листов и/или облицовки. Предпочтительным является вариант закрытия броневого элемента с тыльной стороны стальным листом, который обязательно прикреплен или соединен с гофрой, преимущественно по линии ее вершин. Такой лист является опорным для броневого элемента. Соединение опорного листа с гофрой может быть осуществлено, например, сваркой или с помощью резьбовых соединений. Такое соединение придает конструкции необходимую жесткость, фиксирует гофры, что необходимо для обеспечения реализации технического результата изобретения.

Пространство между складками гофры с лобовой стороны броневого элемента часто оставляют свободным для снижения веса изделия. В случае если эффективность броневой защиты недостаточна, то это пространство также заполняют керамическим материалом, но частично. Частичное заполнение пространства между складками с лобовой стороны структуры является дополнительным и позволяет увеличивать прочность броневого элемента при одновременном понижении веса относительно полного заполнения. Кроме того, частичное заполнение снижает вероятность рикошета боеприпасов и способствует реализации принципа заклинивания боеприпаса.

При заполнении керамикой пространства между складками с лобовой стороны структуры возможно использование керамики с пониженной плотностью или повышенной пористостью. В частности, это может быть засыпка определенного гранулометрического состава. Например, для снижения веса можно использовать засыпку с пористостью 20%-40%. При использовании засыпок и гранулированных материалов их закрепляют различными клеевыми составами. Критерием достаточности заполнения является достигнутая эффективность броневой защиты. Повысить эффективность броневой защиты можно также с помощью наложения на углы складок металлического гофрированного слоя с лобовой стороны металлических накладок в виде профильного металлического уголка. Такой уголок повышает эффективность защиты при лобовых ударах и ударах под острым углом.

При ударах в броневой элемент под острым углом к стенке гофры проникающий предмет соскальзывает по стенке щели. Однако здесь было бы полезно взаимодействие со стенкой гофры, приводящее к ее деформации, что приводит к дополнительному рассеиванию энергии внешнего удара. Для этого имеет смысл покрывать поверхность гофрированного металлического слоя с лобовой стороны фрикционным покрытием, например, слоем тонкодисперсного корундового порошка.

Значительно повысить эффективность броневого элемента возможно путем наложения на гофрированный металлический слой дополнительного металлического гофрированного слоя, но с меньшей высотой гофры. Этот слой может быть наложен как непосредственно на основной металлический гофрированный слой, так и через слой керамического материала. Особенно эффективен второй вариант. В случае пробития дополнительного гофрированного слоя его деформированные стенки способствую повышению трения на боковые стенки внешнего проникающего предмета, а также его заклиниванию.

Конкретные характеристики элемента броневой защиты подбирают опытным путем с учетом модуля упругости и твердости используемых материалов. Высокие значения твердости керамики и модуля упругости металлического материала, преимущественно стали, способствуют выбору этих материалов.

Описанный выше элемент броневой защиты предназначен для использования в составе других изделий броневой защиты, т.е. может быть масштабируемым по глубине и по плоскости. На основе описанного броневого элемента могут быть изготовлены однослойные и многослойные изделия для защиты людей, техники и сооружений. При использовании броневого элемента в наиболее простом варианте он содержит тыльную и лобовую облицовку и окаймление. Тыльные слои облицовки могут служить для снижения ударного воздействия на защищаемый объект и могут быть выполнены из листов пластичного материала, например, резины. Лобовые слои броневого элемента служат сохранению конструкции лобовой части и могут быть выполнены из различного листового материала, например, полимерных листов. Лобовая часть броневого элемента между гофрированным листом и облицовкой может быть заполнена заполнителем для фиксации конструкционных элементов, например, пенопластом. По краям броневого элемента самостоятельного использования выполняют окаймление.

Заявляемое техническое решение является промышленно применимым в области производства броневых конструкций, а именно, средств индивидуальной защиты, средств защиты транспорта, броневых плит различного назначения в качестве элемента броневой защиты в составе броневого изделия, а также самостоятельного изделия для защиты от проникающего воздействия внешних предметов. Его выполнение должно осуществляться специально подготовленными специалистами. При осуществлении заявляемого технического решения используют устройства и материалы, выпускаемые промышленностью и находящиеся в открытой продаже. Методами осуществления изобретения являются методы механической обработки, штамповка, компонирование и методы монтажа. Средствами осуществления являются прокатное и штамповочное оборудование, варочные устройства, электроинструмент, виброинструмент, оборудование смешения и компонирования.

Приведенное выше описание показывает, что осуществление отличительных от прототипа существенных признаков, в том числе их характеристик, обеспечивает достижение технического результата заявляемого изобретения, а именно, реализацию назначения - элемент броневой защиты, т.е. броневой элемент широкого использования.

При этом показано, что совокупность существенных признаков заявляемого изобретения, позволяющая достичь заявленного технического результата, отличается от совокупности существенных признаков аналогов, прототипа, а также и других известных источников данных, т.е. не известно применение данной совокупности существенных признаков с реализацией заявленного назначения или с получением заявленного технического результата. Другими словами, заявляемое изобретение не известно из уровня техники.

В ходе изучения уровня техники элементов и изделий броневой техники не выявлены технические решения, существенные признаки которых в какой-либо совокупности совпадают с отличительными существенными признаками заявляемого изобретения и позволяют достичь заявляемого технического результата. Таким образом, подтверждено отсутствие известности влияния отличительных существенных признаков заявляемого изобретения на заявленный технический результат.

Следует также обратить внимание, что использование всей заявленной совокупности существенных признаков, в том числе совокупности отличительных признаков, для получения заявленного технического результата не следует явным образом для специалистов из уровня техники, т.к, не является объединением, изменением или совместным использованием сведений, содержащихся в уровне техники, и/или общих знаний специалиста.

Описание заявленного изобретения проиллюстрировано на фигуре, представляющей структуру элемента броневой защиты. На указанной фигуре приведены следующие обозначения:

1 - металлический гофрированный слой,

2 - тыльная сторона (тыльная часть) броневого элемента,

3 - керамический наполнитель,

4 - острый угол складки гофры металлического слоя,

5 - лобовая сторона (лобовая часть) броневого элемента,

6 - накладки профильного металлического уголка,

7 - дополнительный металлический гофрированный слой,

8 - опорный лист.

Заявляемое изобретение осуществляют следующим образом.

Центральным конструкционным элементом броневой защиты является металлический гофрированный слой 1, преимущественно представляющий собой лист из броневой или рессорной стали. Как минимум с тыльной стороны 2 металлического гофрированного слоя выполнен керамический наполнитель 3. Керамический наполнитель может быть выполнен на основе порошковой или спеченной керамической композиции с высокими значениями твердости, наиболее доступными из которых являются композиции из гранул/порошка корунда или диоксида кремния на неорганических или органических полимерных связующих. Пористость этого наполнителя должна быть минимальной. Важной особенностью выполнения гофрированного металлического слоя является размер угла складки гофры 4 - он должен быть выполнен острым и иметь значения в интервале от 30° до 80°. С лобной стороны броневого элемента 5 (лобная часть) также может быть выполнен керамический наполнитель 3. Но этот наполнитель может быть выполнен с повышенной пористостью до 20%-40%. Причем возможно частичное заполнение объема лобной части броневого элемента. На углах складок металлического гофрированного слоя с лобовой стороны могут быть наложены металлические накладки 6 в виде профильного металлического уголка, что способствует снижению угла атаки и заклиниванию внешнего проникающего элемента. Аналогичного, но большего эффекта позволяет добиться выполнение поверх металлического гофрированного слоя с лобовой стороны дополнительного металлического гофрированного слоя с меньшей высотой гофры 7. Для фиксации элементов лобовой части броневого элемента возможно ее наполнение заполнителем, например, из пористого полимера. Для фиксации керамической композиции тыльной части можно использовать, в частности, опорный стальной лист 8, прочно соединенный с металлическим гофрированным слоем по линии вершин гофры. Назначением опорного листа является фиксация керамического слоя в тыльной части броневого элемента, закрепление складок гофры, придание конструкции необходимой жесткости и заданной формы. Для фиксации керамической композиции тыльной части можно использовать и другие способы, что зависит от варианта использования.

Пример 1.

Из листа рессорной стали марки 60С2 и размером 1,0×500×1500 горячим прессованием изготавливали гофрированный лист с высотой гофры 15 мм и углом складки гофры 30°. При этом ширина основания гофры составляла 7-8 мм. Из полученного листа выкраивали заготовку 500×500 и закаливали 880°С с последующим отпуском при 470°С, твердость материала составила 47 HRC. На полученной пластине с одной стороны складки (с тыльной стороны) между гофрами заполняли композицией на основе корундового песка со связкой алюмосиликатного жидкого стекла с добавками кремнефтористого натрия в качестве отвердителя. После отверждения композиции поверх нее накладывали плоский лист рессорной стали размером 1,0×500×500, другими словами, закрывали опорным листом и приваривали его к линии вершин гофры. Полученный таким образом броневой элемент с тыльной стороны дополнительно покрывали губчатой резиной, а с лобовой стороны листом полиэтилена. По бокам броневого элемента выполняли полимерную окантовку из поливинилхлорида.

Полученный броневой элемент обстреливали из автомата АК-74 с использованием патронов 5,45×39 ПС с расстояния 25 м, количество патронов 5 штук. Сквозного пробития не отмечено.

Пример 2.

Аналогично примеру 1 был изготовлен броневой элемент с характеристиками: высота гофры 25 мм, угол складки гофры 60°С, ширина основания гофры 22,0-22,5 мм, твердость стали гофры 49 HRC, материал керамики тыльной части - композиция на основе корундового песка со связкой алюмосиликатного жидкого стекла с добавками кремнефтористого натрия в качестве отвердителя. Дополнительно поверх металлического гофрированного слоя с лобовой стороны выполнен металлический гофрированный слой с высотой гофры 15 мм и шириной основания гофры 22,0-22,5 мм. Между основным металлическим гофрированным слоем и дополнительным был размещен керамический слой на основе корунда с пористостью 40%.

Полученный броневой элемент обстреливали из автомата АК с использованием патронов 7,62×39 ПС с расстояния 25 м, количество патронов 5 штук. Сквозного пробития броневого элемента не отмечено.

Пример 3.

Аналогично примеру 1 был изготовлен броневой элемент с характеристиками: высота гофры 12 мм, угол складки гофры 80°С, ширина основания гофры 15,0-16,0 мм, твердость стали гофры 45 HRC, материал керамики тыльной части - композиция на основе песка диоксида кремния со связкой алюмосиликатного жидкого стекла с добавками кремнефтористого натрия в качестве отвердителя. Дополнительно на углы складок металлического гофрированного слоя с лобовой стороны наложены металлические накладки в виде профильного металлического уголка. Также на поверхность складок был напылен слой корунда толщиной 0,3 мм с размерами частиц 0,02-0,08 мм.

Полученный броневой элемент обстреливали из пистолета Макарова с использованием патронов 9×18 ПМ с расстояния 10 м, количество патронов 5 штук. Сквозного пробития броневого элемента не отмечено.

Приведенные в примерах данные наряду с изложенным выше описанием убедительно показывают достижение технического результата и реализацию назначения заявляемого изобретения при осуществлении совокупности всех заявленных существенных признаков.

Приведенные примеры не следует рассматривать как ограничивающие объем изобретения. Напротив, возможны также варианты и модификации описанных примеров в пределах объема прав, изложенных в формуле изобретения.

Изобретение относится к элементу броневой защиты. Элемент броневой защиты содержит

металлические гофрированные слои и керамический наполнитель, образованные в слоистую металлокерамическую композитную структуру. Углы складок гофры каждого металлического слоя выполнены острыми. Металлокерамическая композитная структура осуществлена в один слой. Керамический наполнитель выполнен с полным заполнением пространства между складками гофры с тыльной стороны структуры или с полным заполнением пространства с тыльной и дополнительно частичным заполнением пространства между складками с лобовой стороны структур. Достигается расширение арсенала технических средств броневых конструкций, изделий броневой защиты и их элементов. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Элемент броневой защиты, содержащий металлические гофрированные слои и керамический наполнитель, образованные в слоистую металлокерамическую композитную структуру, при этом углы складок гофры металлических слоев выполнены острыми, отличающийся тем, что

металлокерамическая композитная структура осуществлена в один слой,

керамический наполнитель выполнен с полным заполнением пространства между складками гофры с тыльной стороны структуры или с полным заполнением пространства с тыльной и дополнительно частичным заполнением пространства между складками с лобовой стороны структуры.

2. Элемент броневой защиты по п. 1, отличающийся тем, что пространство между складками гофры с лобовой стороны частично заполнено керамическим материалом с пористостью 30%-50%.

3. Элемент броневой защиты по п. 1, отличающийся тем, что на углы складок металлического гофрированного слоя с лобовой стороны наложены металлические накладки в виде профильного металлического уголка.

4. Элемент броневой защиты по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности гофрированного металлического слоя с лобовой стороны выполнено фрикционное покрытие.

5. Элемент броневой защиты по п. 1, отличающийся тем, что поверх металлического гофрированного слоя с лобовой стороны выполнен дополнительный металлический гофрированный слой с меньшей высотой гофры.

6. Элемент броневой защиты по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между вершинами гофры в 1,2-2,5 раза больше диаметра предполагаемого боеприпаса проникающего воздействия.

7. Элемент броневой защиты по п. 1, отличающийся тем, что высота гофры в 1,4-3,0 раза больше диаметра предполагаемого боеприпаса проникающего воздействия.