БРОНИРОВАННАЯ КАПСУЛА ДЛЯ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ Российский патент 2024 года по МПК F41H7/04 F41H5/04 F41H1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Заявляемое изобретение относится к области военной техники, и касается конструкции устройства индивидуальной защиты для каждого члена экипажа штурмового автомобиля, бронетранспортера и т.п., либо для робота или иного оборудования, предназначенного для использования, преимущественно, при штурме укрепленного района или для прорыва в плотной городской застройке.

Уровень техники

Известно техническое решение защитной капсулы, устанавливаемой в кабине водителя бронетранспортера (см. патентная заявка ЕР3060874, опубл. 31.08. 2016), включающей цельный корпус из формованной композитной брони, содержащий доступное изнутри машины входное/выходное отверстие. Композитная броня капсулы представляет собой армированную волокном смолу, содержащую одно или несколько волокон, выбранных из группы, состоящей из Е-стекла, S-стекла, арамида и углерода. Изготавливают корпус методом литья под низким давлением в закрытой форме со складной оправкой, формирующей внутреннюю часть, и с многокомпонентной формой, формирующей внешний контур цельного корпуса. Эпоксидная смола втягивается в набор армирующих волокон, который занимает полость между оправкой и внешней формой за счет разницы давления между вакуумными портами, с одной стороны, и резервуаром для смолы, с другой.

Корпус защитной капсулы жестко прикреплен к раме бронетранспортера и сконфигурирован в соответствии с внутренним пространством, охватываемым этой рамой. Формованная композитная капсула предназначена для передачи на раму бронетранспортера нагрузок сжатия от взрыва, изгибающих моментов и скручивающих нагрузок, обусловленных воздействием противотанковых мин или самодельных взрывных устройств, что позволяет минимизировать деформацию кабины водителя и таким образом, усилить его защиту.

Однако описанная выше композитная броня не является достаточно прочной, чтобы обеспечить защиту от проникновения кумулятивных зарядов, при этом такое защитное устройство не способствует эвакуации бойца в случае возгорания бронетранспортера, либо иных опасных для жизни ситуаций.

Известны решения, раскрывающие конструкции и технологии изготовления защитных композитных материалов, которые составляют основу брони, и используются при производстве средств защиты военных служащих и военной техники (бронемашин, танков и т.п.) от пуль, осколков и гранатометных гранат, в том числе обеспечивающих защиту от кумулятивных зарядов.

В частности, в патенте RU №2579585, опубл. 10.04.2016, раскрыт защитный композитный материал, включающий в себя, по меньшей мере, три склеенных между собой слоя. Первый и второй слои представляют собой монолиты, образованные из уголков титанового сплава или алюминиевого сплава. Третий слой защитного композита имеет сотовую конструкцию и изготавливается из полиуретана твердостью 60-100 ед. по ШоруА. Толщина третьего слоя от 10 до 20 мм. Слои композита соединены путем склеивания первого, второго и третьего слоев полимерным клеем. Для модульного наращивания бронезащитных свойств защитный композит может быть изготовлен путем склеивания из нескольких идентичных композитов общей толщиной до 150 мм.

Основным недостатком выше охарактеризованного решения является громоздкость и тяжеловесность брони, выполненной из такого композитного материала.

Для производства композитной брони широко используются базальтовые и графитовые (углеродные) волокна в сочетании с металлами, в том числе сталью. Например, в изобретении по патенту RU №2374594 раскрыта конструкция пулезащитного средства, содержащая основу, включающую не менее трех пакетов в виде полимерного композиционного материала, состоящего из пропитанного термореактивным связующим многослойного армирующего наполнителя, выполненного из чередующихся слоев, выбранных из группы: стеклоткань, углеткань, базальтоткань, арамидная ткань и/или из группы: стекловолокно, базальтовое волокно, углеволокно, арамидное волокно. В патенте RU №35002 U1 указано, что «броневые листы выполнены из армированных полимерных композиционных материалов, содержащих углеродные и/или базальтовые волокна…». Однако выявленные заявителем обозначенные выше известные решения характеризуют защитный композитный материал, который предназначен для изготовления бронежилетов, либо иных защитных средств, которые могут приобретать определенную форму, но не являются цельными защитными капсулами.

Известно решение броневых скафандров - бронекапсулов (см. патент RU №187511, опубл. 11.03.2019), закрепленных на катапультных бронированных самоходных сидениях, представляющих собой упрощенные транспортные средства, которые установлены на открытой транспортной платформе. Каждая бронекапсула предназначена для одного члена экипажа. В условиях боевого столкновения и огневого поражения катапульные самоходные сидения с находящимися в бронекапсулах членами экипажа покидают транспортную платформу и рассредотачиваются, что способствует повышению выживаемости членов экипажа.

Вместе с тем, в решении по патенту RU №187511 помимо бронекапсул используются дополнительные бронированные листы защиты: горизонтальные и вертикальные, из чего следует что прочность бронекапсулы не является достаточно высокой.

В качестве прототипа заявляемого конструктивного решения бронированной капсулы для индивидуальной защиты принято изобретение по патенту Великобритании GB №2479785, в котором раскрыта конструкция бронекапсулы, названной в опубликованном описании изобретения как «ячейка безопасности». Это ячейка безопасности, т.е. бронекапсула, представляет собой окружающую человека оболочку с овальным внешним профилем. Выполнена эта оболочка из армированных волокном композитных материалов, а именно, композитных материалов на основе смол, армированных углеродным волокном либо стекловолокном, характеризующиеся сотовой структурой. Внешняя часть бронекапсулы выполнена в виде корпусной конструкции, включающей внутреннюю и внешнюю металлические обшивки, пространство между которыми заполнено множеством трубчатых элементов, направленных радиально от центра оболочки. Трубчатые элементы могут быть полностью, либо частично полыми, концы этих элементов могут быть профилированы с целью лучшего контакта с внешней обшивкой корпусной конструкции. По сути, описанная корпусная конструкция формирует жесткую ячеистую структуру, обеспечивающую максимальную защиту от кумулятивной струи.

Однако эффективность известной брони, выполненной по патенту Великобритании GB №2479785, по защите от кумулятивной струи может быть достигнута при строгой ориентации трубчатых элементов, что серьезно усложняет технологический процесс производства таких бронекапсул. Вместе с тем, конструкция такой бронекапсулы характеризуется низкой степенью защиты от динамического воздействия снарядов и малой живучестью.

Раскрытие сущности изобретения

Заявляемым изобретением решается задача создания конструкции многослойной бронированной капсулы для индивидуальной защиты (далее по тексту допустимо применение терминов «бронированная капсула», либо «бронезащитная капсула», либо «бронекапсула»), окружающей полностью человека, обеспечивающей его защиту от любого вида поражающих средств, преимущественно от кумулятивных зарядов за счет послойного отвода в сторону поражающей энергии и распределения фрагментов кумулятивной струи на большой поверхности, что резко снижает ее пробивную способность.

Указанная задача решена тем, что в бронированной капсуле для индивидуальной защиты, имеющей яйцеобразную форму и выполненную многослойной с металлической обшивкой, согласно заявляемому изобретению бронированная капсула образована двумя половинами, связанными между собой с возможностью разъема, сформированными выложенными внутри металлической обшивки слоями. Эти слои, образующие совместно с металлической обшивкой капсульную оболочку, представляют собой, по меньшей мере, две комбинации слоев, и каждая комбинация включает размещенные последовательно в направлении поражающего воздействия слой базальтового полотна с однонаправленными волокнами и с закрепленными на его внутренней поверхности разнесенными между собой рассеивающими элементами, слой металла и слой высокопластичного связующего. Причем базальтовое волокно в последующей комбинации слоев уложено с угловым смещением направления волокон базальтового полотна предыдущей комбинации. Слой металла нанесен на базальтовое полотно в расплавленном состоянии при вращении заготовки половины капсулы в электромагнитном поле так, что рассеивающие элементы вклинены в металл. При этом, за счет воздействия центробежной силы происходит не только формирование слоя металла и его сцепление с базальтовым полотном, но и обеспечивается плотное прилегание внешнего базальтового слоя к наружной металлической обшивке без зазора. Предпочтительно, чтобы формирование слоя металла посредством центробежной силы осуществлялось в электромагнитном поле и с охлаждением, в частности посредством подачи на формируемую поверхность металла охлаждающей среды. Под действием электромагнитного поля в жидком металле наводятся вихревые токи, что позволяет сформировать в слое металла мелкозернистую структуру, характеризующуюся особыми свойствами кристаллической решетки.

Под указанным выше понятием «половина» подразумевается любая оболочка, форма которой приближена к чашеобразной, и которая при соединении с аналогичной оболочкой сформирует бронекапсулу яйцеобразной формы. Яйцеобразная форма сама по себе уменьшает поражающее воздействие снаряда, поскольку направление удара в любой точке бронекапсулы будет идти по касательной к ее поверхности.

Является предпочтительным укладывать базальтовое полотно так, чтобы направление волокон базальтового полотна одной комбинации слоев было смещено по отношению к направлению волокон базальтового полотна предыдущей комбинации слоев на угол, выбранный в пределах от 10° до 35°. При таком взаиморасположении слоев базальтового полотна волокна базальта размещены с более эффективным перекрытием по всей поверхности брони и одновременно с сохранением необходимой ячеистой структуры.

При реализации заявляемого изобретения рассеивающие элементы формируют из графита или силиката, а в качестве высокопластичного связующего используют резину.

Достижение вышеуказанного технического результата обусловлено следующим. Применяемое при формировании бронекапсулы базальтовое полотно характеризуется наличием огромного количества воздушных микропор, заключенных между тонкими базальтовыми волокнами. Использование базальтового полотна с однонаправленным волокнами, и укладка полотен в оболочке бронекапсулы так, чтобы направление волокон базальтового полотна одной комбинации слоев было смещено по отношению к направлению волокон базальтового полотна предыдущей комбинации слоев на определенный угол, формирует в слоях базальта протяженные микропустоты, создающие в оболочке бронекапсулы множественные каналы с ослабленной прочностью материала, при том, что сами базальтовые волокна имеют высокие удельные характеристики по прочности и жесткости. Нанесенные на поверхность базальтового полотна рассеивающие элементы из высокопрочного материала, которые при реализации заявляемого решения выполнены либо из плотного графита, либо силиката, создают на пути кумулятивной струи препятствия, и совместно с базальтовым волокном разрушают ее на фрагменты, которые устремляются по пути наименьшего сопротивления, т.е. поражающая энергия растекается по множественным пустотным каналам базальтового полотна, что предопределяет ее отклонение в боковом направлении. Мелкозернистая структура слоя металла, нанесенного на слой базальта, развивает сложную дискретную структуру брони и способствует рассеиванию энергии снаряда по ее слоям, сводя проникающую способность к минимуму. Слой высокопластичного связующего, в частности резины, обеспечивает прочное сцепление комбинаций слоев в единую бронезащитную оболочку, кроме того этот слой характеризуется амортизирующим эффектом и гасит скорость движения фрагментов кумулятивной струи.

Заявляемое техническое решение обеспечивает надежную защиту от поражающего воздействия бронебойных снарядов, в том числе кумулятивных, обеспечивая отвод кумулятивной струи в сторону, по касательной, при этом заявляемым изобретением решается задача распределить поражающую энергию по толщине брони, слой за слоем, направив ее по пути наименьшего сопротивления, посредством чередования участков наименьшего и наибольшего сопротивления, сформированных в оболочке бронезащитной капсулы.

Краткое описание чертежей

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующими чертежами:

На Фиг. 1 схематично показан общий вид бронированной капсулы для индивидуальной защиты;

На фиг. 2 - укрупненно, фрагмент I фиг. 1;

На фиг. 3 - сечение В-В на фиг. 2, показан принцип рассредоточения кумулятивной струи в слоях базальтового полотна и металла;

На фиг. 4а, 4б, 4в - направление базальтовых волокон в слоях стенки капсулы;

На фиг. 5 - схематично показано устройство с помощью которого возможно нанесение на базальтовое полотно металлического слоя.

Осуществление изобретения

Представленная на прилагаемых чертежах бронированная капсула для индивидуальной защиты, имеющая яйцеобразную форму, образована двумя половинам 1 и 2 (см. фиг. 1), связанными между собой с возможностью разъема. Эта связь не является предметом заявляемого решения, поэтому не показана на чертежах. Она может быть выполнена любыми известными для среднего специалиста средствами, в частности в виде резьбового соединения с крупной резьбой, либо в виде байонетного замка, при этом необходимо, чтобы на внутренней поверхности бронекапсулы было выполнено средство, обеспечивающее возможность ручного поворота верхней половины относительно нижней, изнутри бронекапсулы, и следовательно, обеспечивающее ее раскрытие. Такие конструктивные решения гарантируют беспрепятственный выход бойца из объема бронекапсулы без помощи извне.

Обе половины, и, следовательно, бронекапсула в целом, выполнены многослойными с внешней металлической обшивкой 3 (см. фиг. 2). Эта обшивка 3 может быть сформирована сваркой из листов либо полос стали, предпочтительно марки 09 Г2С. Формирование обшивки из полос обеспечит получение нужной округлой формы. Округлость формы, уже сама по себе, снижает пробивную способность снаряда, так как в любой точке направление его движения не будет ортогональным к поверхности бронекапсулы. Многослойность сформирована повторяющейся комбинацией 4 слоев, каждая из которых состоит из размещенных последовательно в направлении поражающего воздействия слоя 5 из базальтового полотна с закрепленными на его внутренней поверхности разнесенными между собой рассеивающими элементами 6, слоя 7 из металла и слоя 8 из высокопластичного связующего, в частности, резины. Использовано базальтовое полотно с однонаправленными волокнами, при этом базальтовое полотно в последующей комбинации слоев уложено с угловым смещением направления волокон базальтового полотна предыдущей комбинации. При конкретной реализации заявляемого технического решения рекомендуется размещать базальтовое полотно с направлением волокон с угловым смещением в пределах от 10° до 35° по отношению к направлению волокон базальтового полотна предыдущей комбинации слоев, что предопределяет наиболее оптимальное структурирование слоев с целью формирования каналов с ослабленной прочностью, для направления фрагментов кумулятивной струи. Направление волокон базальтового полотна в комбинациях слоев проиллюстрировано фрагментами полотна, представленными на фиг. 4а, 4б, 4в. Рассеивающие элементы 6 закреплены на базальтовом полотне, разнесены по его поверхности, при этом положение рассеивающих элементов выбрано так, чтобы совместно с волокнами базальта формировать ячеистую структуру брони. Слой 7 металла, в качестве которого также может быть использована сталь 09Г2С, нанесен на слой 5 базальтового полотна в расплавленном состоянии при вращении заготовки половины капсулы в электромагнитном поле так, что рассеивающие элементы вклинены в металл.

Изготовление бронированной капсулы осуществляется следующим образом.

На подложку, являющейся внешним слоем половины бронированной капсулы и являющейся внешней металлической обшивкой 3, выполненной из стальных сваренных полос, выкладываются листы однонаправленно тканного армированного базальтового волокна, и таким образом формируется слой 5. Предпочтительно использовать тканное базальтовое волокно марки Камафол. В его основе базальтовое супертонкое волокно толщиной не менее 5 мм, плотно прошитое гладкими нитями из стекловолокна, покрытое с двух сторон фольгой толщиной не менее 30 мкм. Направление волокон и прошивка создают ячеистую структуру этого слоя стенки капсулы, при этом фольга, которая сама по себе характеризуется слабыми защитными свойствами, способствует сохранению этой структуры.

Половина капсулы с выложенным базальтовым полотном помещается на стан центрифуги 9 (см. фиг. 5), обеспечивающий вращение относительно ее вертикальной оси 0. На базальтовую ткань, небольшими участками с учетом направления стежек и волокон базальта, наносится клеящее вещество и далее во вращающуюся половину капсулы высыпается графит, который прилипает на указанных участках и по направлению лунок- ячеек базальтового полотна. В результате на поверхности базальтового полотна формируются множество разнесенных округлых элементов 6, направленных выпуклой поверхностью в наносимый далее слой 7 металла.

При нанесении слоя 7 металла графит создает включения, ослабляющие его кристаллическую структуру. Однако вместо графитовых элементов возможно нанесение на базальтовое полотно выпуклых элементов из жаропрочных герметиков на основе силикатов. Их свойства обеспечат прочное сцепление с базальтовым полотном и при этом зоны соприкосновения силикатов и металла будут характеризоваться ослабленным сцеплением.

Полученную вышеописанным способом заготовку половины капсулы 1 либо 2 приводят во вращение в созданном электромагнитном поле, и в объем этой половины капсулы выливают расплавленную сталь, с разбрызгиванием при помощи специального лотка 10 и с обдуванием струей 11 воздуха из компрессора (на чертеже не показан), возможно с добавлением паров жидкого азота для скорейшего схватывания и застывания тонкого слоя стали. Благодаря центробежной силе и указанного обдува следующим, относительно слоя из базальтового полотна с нанесенными на его поверхности выпуклыми элементами, формируется металлический слой 7 заготовки. Далее в остывшую половину капсулы при ее вращении выливается при разбрызгивании жидкая резина с последующей подачей на нее катализатора отвердения. До схватывания слоя 8 резины полость половины капсулы выстилается очередным новым слоем базальтового полотна, который укладывается со смещением направления волокон базальта под углом, ориентировочно в 10-20 градусов, относительно направления волокон базальта предыдущего слоя. На поверхность базальта наносятся включения из графита либо силиката, далее слой металла, слой резины, и далее новый слой базальтового полотна со смещением под углом направлений волокон, и циклы повторяются до достижения необходимой толщины половины капсулы, обеспечивающей надежную защиту от поражающих снарядов.

Две, полученные вышеописанным образом половины капсулы соединяются в цельную бронированную капсулу, как крышка с дном, при помощи резьбового соединения с крупным шагом резьбы (как вариант) либо иным известным образом, например, посредством байонетового соединения (на чертежах не показано). Снаружи бронекапсулы, к ее наружному металлическому корпусу могут быть приварены ребра жесткости 12. Внутри бронекапсулы выполнены приспособления для беспрепятственного разделения половин бойцом вручную, либо полуавтоматически, установлены приспособления для удобного положения бойца, в стенке капсулы выполнены защищенные проемы для оружия и смотровые окна. Конструкция бронекапсулы может быть снабжена системой вентиляции. Бронированные капсулы для индивидуальной защиты выполнены с возможностью установки на платформу транспортного средства, которое оборудовано устройствами их удержания и выброса в случае воздействия взрывной волны. На одно транспортное средство может быть установлено от 6 до 12 бронекапсул с бойцами. Все эти технические доработки осуществляются известными способами и не являются предметом данного изобретения, поэтому на чертежах не показаны.

Работает бронированная капсула индивидуальной защиты следующим образом.

При поражении бронированной капсулы кумулятивным зарядом происходит пробитие внешней металлической обшивки 3, при этом заряд разрушается с образованием множества фрагментов кумулятивной среды. Эти фрагменты, попадая в слой базальтового полотна с множественными каналами, характеризующимися ослабленной прочностью, и сталкиваясь с элементами повышенной прочности (рассеивающие элементы и волокна базальта) еще больше фрагментируются, отклоняются от первоначального направления и распределяются по каналам в материале, характеризующимся ослабленной прочностью. Те фрагменты кумулятивной струи, которые прошли через первую комбинацию 4 слоев попадают в аналогичную среду, сформированную последующей комбинацией 4 слоев, которые также отклоняют или повреждают фрагменты кумулятивной струи, уменьшая тем самым ее проникающую способность. Основным техническим результатом, достигаемым заявляемым техническим решением, является рассеивание энергии удара на большую площадь.

Те, фрагменты, которые проникли через броню, обладают значительно меньшей энергией и не способны существенно повредить защищаемый объект.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет обеспечить защиту человека, приборов и оборудования от поражающего воздействия снарядов.

Изобретение относится к бронированной капсуле для индивидуальной защиты. Бронированная капсула имеет форму, приближенную к яйцеобразной, состоящей из двух половин. Каждая половина выполнена многослойной. Внутри металлической обшивки сформированы слой базальтового полотна с закрепленными на его внутренней поверхности разнесенными между собой рассеивающими элементами, слой металла и слой высокопластичного связующего, в частности резины. Базальтовое волокно в каждой последующей комбинации слоев уложено с угловым смещением направления волокон по сравнению с направлением волокон базальтового полотна предыдущей комбинации. Значение углового смещения выбрано в пределах от 10° до 35°. Слой металла нанесен на базальтовое полотно в расплавленном состоянии с использованием центробежной силы и электромагнитного поля. Несколько бронированных капсул может быть установлено на платформе транспортного средства. Достигается повышение индивидуальной защиты от любого вида поражающих средств. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Бронированная капсула для индивидуальной защиты, имеющая яйцеобразную форму и выполненная многослойной с металлической обшивкой, отличающаяся тем, что бронированная капсула образована двумя половинами, связанными между собой с возможностью разъема и сформированными выложенными внутри металлической обшивки слоями, образующими по меньшей мере две комбинации слоев, каждая из которых включает размещенные последовательно в направлении поражающего воздействия слой базальтового полотна с однонаправленными волокнами и с закрепленными на его внутренней поверхности разнесенными между собой рассеивающими элементами, слой металла и слой высокопластичного связующего, при этом базальтовое волокно в последующей комбинации слоев уложено с угловым смещением направления волокон базальтового полотна предыдущей комбинации, слой металла нанесен на базальтовое полотно в расплавленном состоянии при вращении заготовки половины капсулы в электромагнитном поле так, что рассеивающие элементы вклинены в металл.

2. Бронированная капсула для индивидуальной защиты по п. 1, отличающаяся тем, что направление волокон базальтового полотна одной комбинации слоев смещено по отношению к направлению волокон базальтового полотна предыдущей комбинации слоев на угол от 10° до 35°.

3. Бронированная капсула для индивидуальной защиты по п. 1, отличающаяся тем, что рассеивающие элементы выполнены округлой формы из графита или силиката.

4. Бронированная капсула для индивидуальной защиты по п. 1, отличающаяся тем, что слой металла нанесен на базальтовое полотно с охлаждением слоя в процессе его формирования посредством подачи охлаждающей среды.

5. Бронированная капсула для индивидуальной защиты по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве высокопластичного связующего использована резина.

6. Бронированная капсула для индивидуальной защиты по п. 1, отличающаяся тем, что половины капсулы связаны резьбовым соединением с крупной резьбой либо байонетным креплением, при этом на внутренней поверхности бронекапсулы выполнено средство, обеспечивающее возможность ручного поворота верхней половины относительно нижней изнутри бронекапсулы.

7. Бронированная капсула для индивидуальной защиты по п. 1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью ее установки на платформе транспортного средства и закреплена на платформе, при этом средство крепления бронекапсулы к платформе перестает действовать при направленной снизу взрывной волне.

8. Бронированная капсула для индивидуальной защиты по п. 1, отличающаяся тем, что она выполнена с защищенными проемами для оружия и обозрения.

9. Бронированная капсула для индивидуальной защиты по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена системой вентиляции.