Порожнистий захисний елемент для бронежилетів

Реферат: Порожнистий захисний елемент шаруватої конструкції, зменшеної маси, у формі паралелепіпеда, для бронежилетів, включаючи фронтальну і тильну сталеві пластини із проміжком між ними, причому проміжок між пластинами, для запобігання пробиттю кулею фронтальної пластини, являє собою герметичну камеру і становить 10 мм, виготовляється із сталі марки 44С, товщина фронтальної і тильної пластини для зменшення маси становить 2 та 3 мм відповідно, має герметичну камеру для поглинання енергії кулі, що містить повітря під тиском 0,5-1 МПа. UA 113204 U (54) ПОРОЖНИСТИЙ ЗАХИСНИЙ ЕЛЕМЕНТ ДЛЯ БРОНЕЖИЛЕТІВ UA 113204 U UA 113204 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до засобів індивідуального бронезахисту (ЗІБ) особового складу, зокрема до броньованого або куленепробивного одягу, і може бути використана у збройних силах та в спеціальних підрозділах самостійних силових структур. Створення індивідуальних засобів бронезахисту супроводжується рядом труднощів, що зумовлені вимогами забезпечити захист від різноманітних факторів в різних умовах і постійним удосконаленням вогнепальної зброї. Незважаючи на багаторічні дослідження багато питань індивідуального бронезахисту до цього часу не мають однозначного вирішення. Сучасні бронежилети (БЖ) мають складну конструкцію і у більшості випадків містять в собі антирикошетний, броньовий (захисний) та амортизуючий шари. За ступенем захисту БЖ на Україні класифіковані згідно з ДСТУ В 4103-2002. Основу БЖ складає броньовий (захисний) елемент, який виготовляють із металів, пластмас, тканин, кераміки або з композитних матеріалів. Завдання захисного елемента - не лише виключити прохід кулі чи уламка в заброньовий простір, але й мінімізувати деформацію і пов'язану з цим заброневу травму. Згідно з ДСТУ В 4103-2002 в разі непробиття БЖ висота тильного випинання не повинна перевищувати 25 мм. Для захисту і збереження боєздатності особового складу важливо, щоб кінетична енергія кулі витрачалася в шарах БЖ. В разі компенсації конструкцією БЖ значної частини енергії кулі, залишку енергії буде недостатньо для створення випинання з тильної сторони БЖ, або ж розміри деформації будуть несуттєвими і значної шкоди біологічному об'єкту не буде завдано. Тому актуально забезпечити конструкції захисного елемента не лише стійкість до удару кулі, але й властивість поглинати енергію кулі та завдяки втратам кінетичної енергії кулі зменшувати заброньову дію. Така мета може бути досягнута в результаті реалізації концепції шаруватої перешкоди для розробки порожнистого броньового захисного елемента, який здатний поглинати значну частину кінетичної енергії кулі і при цьому має меншу масу порівняно з аналогами. Відомі броньові шарові конструкції (патент РФ № RU 2303230), здатні протистояти пробиванню метальним снарядом, що містять енергопоглинаючий шар, який при поглинанні енергії зазнає зворотне фазове перетворення та/або пружну деформацію, і, принаймні один, суміжний другий металевий шар. Згідно з описом корисної моделі шари броньової конструкції щільно з'єднуються між собою з утворенням металургійного зв'язку [Легкая броня со способностью выдерживать повторные попадания и с высокой способностью поглощать энергию. Патент РФ № RU 2303230]. Таким чином, поглинання і розсіювання енергії снаряда відбувається за рахунок властивостей фронтальної пластини, для виготовлення якої рекомендується застосовувати сплави на основі титану (нітінол), міді. В зв'язку з тим, що температура матеріалу енергопоглинаючої пластини (температура фазового перетворення) при контакті із нею метального снаряду невідома, то оптимальний склад сплаву може бути встановлений за результатами багатьох дослідних плавок. До недоліків такої конструкції слід віднести високу вартість сировини, складність технологічного процесу виготовлення, складність забезпечити необхідну якість сплавів на металургійному етапі. Відома конструкція БЖ (патент РФ № RU 2295105), який містить в грудній секції текстильну частину із запасом по об'єму та бронеблок, який складається із рухомого і нерухомого захисних елементів, з'єднаних тканинною застібкою [Бронежилет с положительной плавучестью. Патент РФ № RU 2295105]. Між захисними бронеелементами розташована герметична камера, яка автоматично заповнюється газом при попаданні у воду. В даній конструкції газове середовище не призначене для поглинання, розсіювання кінетичної енергії кулі, а для забезпечення позитивної плавучості. Відомий також БЖ (патент РФ № RU 2395055), який містить пакети з арамідної тканини. На внутрішню поверхню цих пакетів кріпиться антишоковий пристрій, який складається з амортизатора, що містить поролон, та підкладки [Тканевый бронежилет с антишоковым устройством. Патент РФ № RU 2395075]. Підкладка являє собою шар квадратних пакетів з арамідної тканини і наклеєних на пакети компенсаторів удару у вигляді камер з повітронепроникної гумованої арамідної тканини. В компенсаторах удару, що містять поролон, передбачена можливість витікання повітря при влучанні в пакет уражаючого елемента. Даний БЖ, м'який, не містить жорстких захисних елементів, а розрахований діаметр дросселюючого отвору може досягати 40 мм. Запропонована конструкція забезпечує захист лише від пістолетних куль, а внаслідок витікання повітря з компенсаторів удару через широкі отвори поглинання енергії кулі газовим середовищем відбувається лише частково. Запропонований також БЖ (патент РФ № RU 2285887), який містить чохол з розташованими в його кишенях бронепластинами та підкладку [Бронежилет с компенсаторами удара. Патент РФ № RU 2285887]. Підкладка виконана у вигляді секційних компенсаторів удару, що являють собою камери із повітронепроникного гумованого кевлару з поролоном всередині. З сторони 1 UA 113204 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 бронепластин камери облицьовані металевими пластинами. Центри мас компенсаторів удару розташовані навпроти кутів бронепластин, і в кожному компенсаторі удара виконані герметично закриті отвори із загальною площею, яка становить 1:33 фронтальної площі компенсатора удару. Згідно з описом корисної моделі, ці отвори забезпечують витік повітря з компенсатора удару при постійному тиску, при якому отвори відкриваються внаслідок дії залучених до руху бронепластин після вцілювання в них кулі. Вказаний БЖ містить захисні елементи, які є прототипом запропонованого, але вони не суцільні, що не виключає локального ушкодження. БЖ складний у виготовленні і зважаючи на швидкоплинність процесу зіткнення уражаючого елемента з бронепластинами, тиск в компенсаторах удару буде суттєво коливатися від максимального стрибка при зіткненні до вирівнювання із тиском оточуючого середовища. Оскільки тиск повітря в компенсаторах удару до зіткнення уражаючого елемента з бронепластинами близький до атмосферного, то поглинання кінетичної енергії уражаючого елемента повітрям в компенсаторах удару є незначним. А витік повітря з компенсаторів удару через отвори, що відкрилися внаслідок удару, зменшує масу середовища, яке потенційно могло б розсіяти суттєву частину кінетичної енергії кулі. Зважаючи на ці обставини, запропонована шарована порожниста конструкція захисного елемента для бронежилетів (фіг. 1). Він призначений для застосування в БЖ 3 класу згідно з ДСТУ В 4103-2002, тобто повинен протистояти пострілам з автомата АК-74, патрон 7Н10С, куля 5,45×39 мм, маса кулі 3,6 г. Захисний елемент являє собою пласку 300×300 мм герметичну камеру із сталі, всередині якої знаходиться повітря. За робочою гіпотезою при влучанні кулі в такий захисний елемент її енергія буде втрачатися на деформацію фронтальної пластини та на адіабатичну компресію повітря в камері. Компресія повітря буде відбуватися навіть при пробитті пулею першої перешкоди, тому що відстань між пластинами вибрана незначною, в межах здатності сталі до пластичної деформації. Тобто, компресія повітря буде зумовлена деформацією фронтальної пластини і буде передувати можливому її пробиттю. Крім того, товщина тильної пластини повинна перевищувати товщину фронтальної пластини. В результаті взаємодії кулі із двома першими шарами захисного елемента залишкової енергії кулі буде недостатньо для пробиття тильної пластини або для створення в ньому випинання, здатного завдати важкої травми біологічному об'єкту. 2 Розрахована маса захисного елемента 3,8 кг. Площа захисного елемента 900 см . Загальний імпульс є імпульсом кулі до співудару за винятком 10 % на пружний контакт та нагрівання [Калашников В.В., Алексенцева С.Е. Исследование влияния конструкции пули на процесс пробивания стальной преграды. Вестник СГТУ. Сер. Технические науки. Самара, 2009, с. 19-25.]. Розглядався контакт кулі із захисним елементом по нормалі. Встановлено, що куля 7Н24 з карбідовольфрамовим сердечником не пробиває рознесену перешкоду, сумарна поверхнева щільність якої набагато нижча, ніж поверхнева щільність гомогенної перешкоди. В разі розташування шарів перешкоди в порядку зростання граничної швидкості пробиття (найменше значення цього параметру має фронтальний шар, а найбільше тиловий), то в такому випадку перешкода створює максимальний опір пробиттю. Для виготовлення захисного елемента пропонується використати сталь марки 44С, яка має оптимальне, збалансоване співвідношення міцності, пружних та пластичних властивостей. За даними [Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования /В.А. Григорян, И.Ф. Кобылкин, В.М. Маринин, Е.Н. Чистяков. Под ред. В.А. Григоряна. М.: Изд. РадиоСофт, 2008-406 с.] поверхнева щільність структури, яка забезпечує захист від снаряда 2 масою 1 г, що летить із швидкістю 550 м/с складає 30-40 г/дм . Сталь фронтальної пластини 2 товщиною 2 мм має поверхневу щільність 157 г/дм , якої достатньо, щоб забезпечити захист від кулі масою 3,6 г. Повітряний проміжок 10 мм вибраний із тих міркувань, щоб захисний елемент мав прийнятну товщину, для того, щоб в разі влучення кулі у фронтальну пластину висота випинання в ній обмежувалася товщиною повітряного проміжку, і зіткнення випинання із тильною пластиною відбувалося до можливого пробиття фронтальної пластини. За формулою можна розрахувати розміри деформації перешкоди різної товщини mv 2  Dh  , 2 55 (1) де h - товщина перешкоди, м;  - межа плинності сталі марки 44С становить 2000 МПа; 2 UA 113204 U 5 mv 2 - кінетична енергія кулі (для АК-74 початкова швидкість кулі 5,45×39 мм варіює в 2 межах 850-910 м/с); m - маса кулі розмірами 5,45×39 мм, становить 3,6 г. При утворенні випинання матеріал перешкоди розтягується та пластично вигинається. Для тонких перешкод робота формування випинання А (Дж) може бути оцінена завдяки співвідношенню (2): A   тд пр dc bdc  2b  , 8 (2) де  тд пр - межа плинності, МПа; 10 dc - діаметр кулі (для розрахунку вибрано d  5 мм ); b - товщина пластини, м. В тому разі, коли куля проникає в товщу перешкоди і розширює собі шлях, повна енергія Ε (Дж), поглинута середовищем в процесі пластичної деформації, розраховується за формулою Томсона [6]: 15 E  R 2h  2  u R L  , 20 25 30 (3) де R - калібр кулі, м; h - товщина перешкоди, м;  - граничне напруження середовища, МПа; 3  - щільність середовища, кг/м ;  - швидкість кулі, м/с; L - довжина головної частини кулі, м. Енергія, що витрачена на пластичну деформацію тонкої перешкоди, складає 32-35 % від кінетичної енергії, яку має куля при зустрічі з перешкодою. Враховуючи об'єм випинання далі розраховуємо за формулою закону Бойля - Маріотта (P1V1=P2V2, де Ρ та V - тиск та об'єм газу відповідно до та після компресії) приріст тиску в 3 герметичній повітряній камері об'ємом 900 см та витрати енергії на компресію повітря. При цьому тиск в камері до деформації дорівнює атмосферному. При пострілі впритул об'єм деформації в сталевій пластині товщиною 2 мм ледь перевищує 3 30 см , приріст тиску повітря всередині захисного елемента незначний і, відповідно, витрати енергії кулі на компресію повітря несуттєві. Тому, для того щоб поглинання енергії кулі газовим середовищем відбувалося в більшій мірі, пропонується збільшити тиск в повітряній порожнині захисного елемента до 5-10 атм. (0,5-1 МПа). В такому випадку, як показують розрахунки за формулою адіабатичного процесу: 35 E  PVв их  Vв ип 1,4 , 40 45 50 (4) при тих же об'ємах деформації фронтальної пластини, витрати кінетичної енергії кулі на компресію повітря в герметичній порожнині захисного елемента значно зростають. При створенні захисного елемента подібної конструкції потрібно знаходити оптимальне рішення при виборі товщини фронтальної пластини. Товстіші пластини більш стійкі до удару кулі, але деформація при цьому менша і передача енергії кулі газовому середовищу менш ефективна. Тому використання фронтальної пластини товщиною 2 мм за показниками стійкість - деформованість можна вважати кращим вибором. Механізм поглинання кінетичної енергії кулі газовим середовищем ефективно протистоїть кулям, випущеним з невеликої відстані. Якщо ж до зіткнення куля вже втратила частину енергії, то частка енергії кулі, яка піде на компресію стиснутого повітря в порожнині захисного елемента запропонованої конструкції помітно зменшується (при пострілі з дистанції 300 м - до 7,5 %), відповідно зменшенню об'єму деформації. В такому випадку захисних властивостей інших елементів достатньо щоб запобігти травмування бійця. Наявність стиснутого повітря в порожнині захисного елемента запропонованої конструкції має і інші позитивні ефекти. По відношенню до фронтальної пластини воно відіграє роль тильного підпору, який протидіє тиску кулі зовні, протидіє пружній, пластичній та зсувній 3 UA 113204 U 5 10 15 20 25 деформації, протидіє руйнуванню, пробиттю пластино. Крім того, поведінка стиснутого повітря при влучанні кулі в фронтальну пластину і розвитку деформації пластини є аналогом функціонування активної броні. Чим більша буде деформація (прогин, випинання), тим більший опір йому буде чинитися зсередини. Розрахунки енергії кулі після взаємодії її із фронтальною пластиною, підкріпленою з тилу повітряним середовищем при тиску 1 МПа, показують, що після витрат енергії кулі на пружний контакт з перешкодою, на деформацію фронтальної пластини та на компресію стиснутого повітря, залишкова енергія кулі становить 30-33 % енергії кулі до влучання з дистанції 0-200 м. При пострілах з більш далекої відстані частка залишкової енергії кулі суттєво скорочується. В разі пострілу в захисний елемент запропонованої конструкції впритул, куля до удару в тильну пластину буде мати енергію близько 450 Дж. Навіть при відсутності наступного шару бронезахисту ступінь травми по шкалі AIS буде менше 4, а розмір випинання в сталевій пластині товщиною 3 мм буде менше 25 мм, що відповідає вимогам ДСТУ В 4103-2002 до БЖ 3 класу. На формування такого випинання енерговитрати мають становити 282 Дж. Враховуючи 10 % втрат енергії на пружний контакт, залишок енергії кулі буде становити 450 Дж - 45 Дж - 282 Дж = 123 Дж. Цієї енергії на пластичну деформацію сталевої пластини товщиною 3 мм недостатньо. Порівняння сумарної товщини 5 мм сталевих пластин в захисному елементі запропонованої конструкції із товщиною суцільних бронеплит (10-16 мм) дає підстави стверджувати, що використання запропонованого захисного елемента дає виграш по масі принаймні у 50 % при забезпеченні потрібного рівня захисту. Захисний порожнистий бронеелемент запропонованої конструкції при використанні в складі БЖ забезпечує ступінь захисту, який вимагається від БЖ 3 класу згідно з ДСТУ В 4103-2002 при суттєвому зменшенні маси порівняно із суцільним сталевим бронеелементом. Перелік фігур графічних зображень: Креслення захисного елемента в розрізі. Порожнистий захисний елемент для бронежилетів містить лицьову (передню, фронтальну) пластину 1 товщиною 2 мм, герметичний повітряний проміжок 2 та тильну (задню) пластину 3 товщиною 3 мм. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 Порожнистий захисний елемент шаруватої конструкції, зменшеної маси, у формі паралелепіпеда, для бронежилетів, включаючи фронтальну і тильну сталеві пластини із проміжком між ними, який відрізняється тим, що проміжок між пластинами, для запобігання пробиттю кулею фронтальної пластини, являє собою герметичну камеру і становить 10 мм, виготовляється із сталі марки 44С, товщина фронтальної і тильної пластини для зменшення маси становить 2 та 3 мм відповідно, має герметичну камеру для поглинання енергії кулі, що містить повітря під тиском 0,5-1 МПа. 4 UA 113204 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5