объемно-комбинированная броня

Формула изобретения

1. Объемно-комбинированная броня, содержащая высокотвердый слой из плотно упакованных керамических цилиндров с выпуклыми торцами, соединенных связующим в монолит и высокопрочный энергоемкий тыльный слой, отличающаяся тем, что оси керамических элементов фронтального слоя располагаются под углом 60-85° по отношению к плоскости брони.

2. Броня по п.1, отличающаяся тем, что тыльный слой выполнен с рифлением, обеспечивающим фиксацию требуемого геометрического положения керамических элементов.

Описание изобретения к патенту

С появлением высокоэффективных поражающих средств и повышением требований к бронезащите ресурс традиционных металлических броневых материалов оказался исчерпанным, что привело к созданию многослойной комбинированной брони.

Идеология комбинированной защиты заключается в сочетании нескольких слоев разнородных материалов с приоритетными свойствами, включающем фронтальный слой из особотвердых материалов и высокопрочный энергоемкий тыльный слой.

В качестве материалов фронтального слоя используют освоенную в промышленном производстве керамику высшей категории твердости: корунд, карбиды кремния и бора. Задача керамики сводится к нарушению целостности (скалывание, дробление, частичное или полное разрушение) закаленного сердечника вследствие напряжений, возникающих при высокоскоростном взаимодействии хрупких, высокотвердых материалов.

Тыльный удерживающий слой предназначен для погашения кинетической энергии и блокировки осколков, образующихся в результате ударного взаимодействия с керамикой. В качестве тыловых материалов широкое распространение получили металлическая броня и композитные бронематериалы на основе клееных или прессованных высокомодульных арамидных (Kevlar, Twaron, Famaston) или полиэтиленовых (Dyneema) волокон.

Известны технические решения (патент № 2180425 и авт.свид. НПО СМ), где комбинированная броня содержит высокопрочный лицевой слой из керамических плиток и энергоемкую подложку из металлических или композитных материалов. Броня такого типа получила широкое распространение для защиты поверхностей с простой геометрией: плоских или имеющих фиксированный радиус.

Однако, если защищаемая поверхность имеет сложный геометрический рельеф, что имеет место на практике применительно к реальным объектам защищаемой военной техники, то керамические плитки не смогут обеспечивать акустический контакт с подложкой, что существенно снижает эффективность бронезащиты, вследствие концентрации и накопления разрушающей энергии в лицевом керамическом слое без частичной передачи ее в подложку.

Поэтому для облицовки сложных геометрических поверхностей используют малоразмерные керамические элементы, как правило в виде тел вращения, наибольшее распространение среди которых получили элементы в виде цилиндров. При этом эффективность работы керамики повышают за счет использования выпуклых покатых торцов с одной или обеих сторон цилиндров. В этом случае при встрече поражающего средства с покатыми поверхностями керамики действует механизм увода или обивания пули с траектории полета, существенно затрудняющий работу по преодолению керамической преграды.

Защиту такого типа с учетом характера ее взаимодействия с поражающими элементами принято называть «дисперсионной» керамической броней. Использование в этом случае малоразмерной керамики обеспечивает, наряду с вышеуказанным, также более высокий по сравнению с плиточным вариантом уровень живучести за счет уменьшения зоны поражения и весьма важную для практики частичную локальную ремонтопригодность.

Из известных типов многослойной брони близкими аналогами к заявляемому изобретению являются технические решения, изложенные в патентах США № 5972819, № 6112635, № 6203908 и патенте РФ № 2329455. Общим существенным признаком аналогов является использование во фронтальном слое отдельных плотноупакованных керамических цилиндров с выпуклыми торцами, соединенных связующим в монолит. При этом оси керамических цилиндров расположены по нормали к плоскости последующих слоев.

Вместе с тем из анализа схемы упаковки керамических цилиндров, представленной на рис.1, следует, что пространство, образующееся при сопряжении соседних элементов («стык»), является наиболее уязвимым с точки зрения пробития. При точном попадании в стык или вблизи его, преодоление керамической преграды сводится к скалыванию кромок соседних цилиндров, при этом объем разрушаемого керамического материала, а следовательно, и затрачиваемая на это энергия невелики. Количественные характеристики, рассчитанные для случая использования патрона Б32 винтовки СВД и цилиндров диаметром 14 мм следующие:

- площадь сердечника диаметром 5,8 мм - 26,4 мм ²;

- площадь стыкового пространства -7,7 мм² (~30% от площади сердечника);

- площадь разрушаемых керамических сегментов 3×6,24 мм ² (~70% от площади сечения сердечника).

В этом случае механизм сбивания пули с траектории не действует, более того, свободное от керамики стыковое пространство работает как направляющая, стабилизирующая сердечник в полете.

В итоге низкий уровень взаимодействия с керамикой позволяет полностью или частично сохранить целостность, а следовательно, и высокую пробивную способность сердечника. Вышеизложенное обусловливает нестабильность защитных характеристик рассматриваемых структур, а для того, чтобы гарантированно исключить пробитие при попадании пули в стык цилиндров, потребуется чрезмерное увеличение толщины отдельных слоев, а следовательно, и всей защитной конструкции в целом.

Устранение недостатков, выявленных в конструкциях аналогов, в качестве наиболее близкого из которых выбран патент США № 5972819, достигается в предложенном изобретении тем, что фронтальный слой выполнен из керамических цилиндров, расположенных под углом 60-85° к плоскости тылового слоя.

Отклонение осей цилиндров от нормали существенно затрудняет задачу по преодолению сердечником керамической преграды. Так, из анализа схемы упаковки, представленной на рис.2, следует, что при угле наклона 75° площадь стыкового пространства в плане уменьшается более чем в 4 раза (от 7,7 мм² до 1,8 мм² ). В этом случае для прямого проникновения в стык необходимо изменение траектории пули, что качественно снижает пробивающую способность сердечника. При ударе же по прямой объем разрушаемого керамического материала становится значительным, при этом боковые поверхности цилиндров приобретают, наряду с торцами, способность работать на сбивание и увод с траектории пули, становясь дополнительным препятствием на пути сердечника.

В случае если угол наклона керамических цилиндров по отношению к плоскости брони будет более 85°, положительный эффект оказывается незначительным. Результаты проведенных экспериментов показали, что при углах наклона более 85° имеют место случаи пробития композиции с характером поражения аналогичным наблюдавшемуся ранее при испытаниях композиции наиболее близкого аналога.

При углах наклона менее 60° стабильность броневых характеристик обеспечивается неполным образом. Случаи пробития редки, но все же имеют место. При этом поражение тыльного слоя характеризуется глубокими лунками углублений зачастую без пробития, но с надрывами и трещинами на выпучинах с тыла. Снижение бронестойкости при больших углах наклона осей следует связать с локальным уменьшением толщины керамического слоя (проекция m-n, рис.3) за счет смещения торцов соседних элементов при наклоне (с 3 мм при 15° наклона, m-n=7 мм до 7 мм при 30° наклона, m-n=4 мм).

Для обеспечения более полного акустического контакта между высокотвердым, но хрупким лицевым слоем и энергоемким тыльным слоем, а также для повышения технологичности при изготовлении и точности расположения керамических цилиндров, тыльный слой может быть выполнен с рифлением, обеспечивающим фиксацию требуемого геометрического расположения керамических элементов (рис.3).

Эффективность предложенного в изобретении технического решения подтверждена результатами пулевых испытаний. Изготовленный опытный образец (рис.4) включал в себя:

- тыльный слой 150×200×3 мм из закаленной стали марки СПС-43 с твердостью 56-58 HRC;

- фронтальный слой из корундовых цилиндров с выпуклым торцом маркиАЛ1 диаметром 14 мм и высотой 9,5 мм, соединенных в монолит клеевым связующим на основе полиуретана. Угол наклона цилиндров - 75° к плоскости тыльного слоя.

Слои соединены между собой тем же связующим. Обстрел проводился бронебойно- зажигательными пулями Б-32 из винтовки СВД с расстояния 10 м испытания проводились по стандартным методикам в аттестованном центре НПО СМ г.СПб.

Из анализа состояния тыльного слоя после обстрела, представленного на рис.5, следует, что предложенная композиция обладает высоким потенциалом бронестойкости. Так, в районе отпечатков от выстрелов, внедрения в стальной тыл практически не наблюдается, а лунки углублений не превышают 2-3мм.

Уровень бронестойкости комбинированной брони, выполненной в соответствии с предлагаемым изобретением, превышает наиболее близкий аналог на 10-15%.

Заявленное техническое решение по структуре многослойной брони является новым, так как совокупность отличительных признаков изобретения, в том числе и в частных случаях, неизвестна из литературных данных и практического опыта работ в этой области.

Решение имеет изобретательский уровень, так как предложенное не следует явным образом для специалиста из анализа отечественного и зарубежного уровня техники.

Заявленное решение промышленно применимо для защиты техники от бронебойных пуль, что следует из результатов проведенных натурных испытаний образцов.

При практическом внедрении изобретения следует иметь в виду, что направление отклонения осей керамики от нормали может быть изменено для различно ориентированных поверхностей и панелей техники и выбираться с учетом приоритетного направления обстрела защищаемой поверхности. Это обстоятельство позволяет существенно расширить диапазон вариантов использования изобретения.